M4-DC Machines unit 1 .pdf

Preview:

Citation preview

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 1/34

M4‐ DC Machines

Unit 1 

Dr. Prabodh Bajpai

Associate Professor

 

Indian Institute of  Technology Kharagpur

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 2/34

•   ‐

 –  Constructional Features 

 –   .  

 –  Lap 

winding 

 –    ave w n ng 

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 3/34

U1‐ Constructional features of  DC 

machines

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 4/34

DC machines

•   First rotating electrical machines introduced to drive 

locomotives in 1839

•   Electromechanical energy conversion device –   Operate as generator converting mechanical energy from 

pr me mover to e ectr ca   energy

 –   Also operate as motor converting electrical energy into 

•   Various combination of  field winding provide wide 

ran e of  out ut V‐I and s eed‐tor ue characteristics

•   Easy speed control, simpler and flexible drive system 

makes wide use in Industry, electric traction, cranes

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 5/34

Construction of  DC Machines

•   Stator constitute of  field poles, yoke and field 

•   Rotor constitute of  armature core and armature 

w n ng

•   Commutator  segments attached to the shaft of  the rotor

•   A pair of  suitably placed stationary carbon 

brushes touching the commutator segments

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 6/34

Stator 

•   Stator has projected poles with coils wound over it. 

•   The field winding are wound around pole core such 

that they set up alternate north and south poles.•   Pole shoe is curved and wider that pole core in order 

to spread the flux more uniformly in the air gap.

•   Field winding consist of  few turns for series field and large no. of  turns for shunt field

•   Field coil act as electromagnets that produce flux in 

t e a r gap nee e   to generate an  n uce   em  

•   Yoke is part of  frame and provide return path for flux 

rom one po e  o ano er.

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 7/34

Rotor 

•   Double layer lap or wave windings are generally used 

for armature. 

•   All the armature coils are connected in series forming a closed armature circuit. 

•   As the coils are distributed, the resultant voltage 

acting in the closed path is zero thereby ensuring no c rcu a ng curren   n  e arma ure. 

•   The  junctions of  two consecutive coils are terminated 

. •   Stationary carbon brushes are placed  physically  under 

commutator segments. 

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 8/34

DC Machines

•   The rotor has a ring‐shaped laminated iron core with slots.

•   The commutator consists of  insulated copper segments 

•   Two brushes

 are

 pressed

 to

 the

 commutator

 to

 permit

 current

 

flow. 

•   The brushes are placed in the neutral zone, where the 

magnetic field is close to zero, to reduce arcing.

•  

adjacent coil,

•   The switching requires the interruption of  the coil current. 

•   T e su en

 nterrupt on

 o

 an

 n uct ve

 current

 generates

 g

 voltages . 

•   The high voltage produces flashover and arcing between the 

8

commutator segment and the brush. 

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 9/34

DC Machine Construction

9Sectional  diagram of  a DC machine

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 10/34

10

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 11/34

11

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 12/34

12

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 13/34

How a D.C voltage is obtained across brushes 

•   The generated voltage in a coil when rotated 

alternating in nature. 

•   To convert t is A.C. vo tage into D.C., a num er 

commutator  

segments attached to the shaft an   a pa r o   su ta y p ace   stat onary car on 

brushes touching the commutator segments. 

•   They are called mechanical rectifier due to 

necessar rectification from A.C to D.C. 

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 14/34

Action of  commutator segments and brushes

•   A simple d.c machine working as generator with 

armature occu in   various  ositions.

•   Armature has got a single rectangular coil with sides 1 and 2 whose terminals firmly  joined to commutator 

segments C1 and C2 respectively. 

•   Commutator segments made of  copper are insulated by mica insulation and rotate along with the armature. 

•   Magnitude and polarity of  the voltages in armature 

conductors in different position may be different 

•   Brushes are suitably placed for obtaining maximum 

vo tage, t e magn tu e o   t e vo tage across t e 

brushes will remain constant 

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 15/34

Action of  commutator segments and brushes

•   B1 and B2 are stationary carbon brushes placed over the 

rotatin   commutator in such a wa   that the   alwa s 

make electrical contact with the commutator segments. 

•   It is from the two brushes, two terminals are taken out 

and called the armature terminals. 

•   Brushes are kept in brush holders with a spring 

arrangement. 

•   Spring tension is so optimally adjusted that brushes 

make good contact with C1 and C2 and at the same time 

allows the rotor to move freely. 

•   Fixed brushes B1 and B2 make periodically contact with 

both C1 and C2 as rotor rotates. 

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 16/34

Action of  commutator segments and brushes

•   Let the armature be driven at a constant angular speed 

of  ω in the ccw direction. 

•   In position(i), ωt = 0°,  –   plane of  the coil is vertical i.e.,  along the reference line

 –   No induced voltage across B1 and B2 as no flux density 

component 

is 

perpendicular 

to 

the 

tangential 

velocity 

of  

.

•   In position(ii), ωt = 45°, 

 –    , 

it will be  . Similarly conductor 1 being under S pole, polarity 

of  the induced voltage in it will be . 

 –  Therefore across B1 and B2 we will get a voltage with B1 being 

+ve and B2 being  ‐ve.

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 17/34

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 18/34

Action of  commutator segments and brushes

•   In position (iii) & (iv), The polarity of  the voltage in 

conductors 2 and 1 does not change because 2 remains 

under 

pole 

and 

remains 

under 

pole. 

•   In position (v) to (viii), conductor 2 comes under S pole 

and conductor 1 under N pole. 

•   Therefore polarity of  voltage in conductor 1 is  while polarity of  voltage in conductor 2 is  . 

•   B1 now makes contact with C1 and B2 makes contact 

w t   . 

•   Thus polarity of  B1 remains +ve as before and that of  B2 

rema ns  –ve una ere . 

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 19/34

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 20/34

Action of  commutator segments and brushes

•   Polarity of  voltage across C1 and C2 will periodically 

.  C1C2  . 

•   Polarity of  voltage across B1 and B2 will not change with 

+ – 

V B1B2  always remains unidirectional . 

•   Brushes are not associated with a fixed conductor but 

they make contact with different conductors when they 

come at some fixed position in space. 

•   Value of  B is not constant under a pole, it is sinusoidally  

distributed  therefore magnitude of  V C1C2 and V B1B2  does 

not remain constant, since e = Blv  

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 21/34

VC1C2

 

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 22/34

Armature winding terminology 

•   A coil has two coil sides occupying two distinct specified 

slots and spacing between them is Coil span, defined as 

ration 

of  

and 

P•   Double layer winding house two coil sides in each slot 

belonging to two different coils 

•   For a double layer winding total number of  coils must be equal to the total number of  slots.

•   Coil sides of  a coil are numbered depending on the slot 

num ers  n w c   t ese are p ace  

•   Number of  commutator segments must be equal to S, 

num er o   s o s  

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 23/34

Armature winding terminology 

•   Separation of  coil sides of  a coil in terms of  number of  

commutator se ments is commutator   itch   . 

•   For lap winding y c = ±1 and for wave winding   PS  yc

12  

•   Complete windings diagram shows

 –   Positions of  coil sides in slots, 

 –   interconnection of  the coils through commutator segments 

using appropriate numbering of  slots, 

 –  

 –   commutator segments 

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 24/34

Armature winding types

•   Practical D.C. machine armature have large number of  

slots housing many coils along with a large number of  

commu a or segmen s. 

•   Each coil ends are terminated on two commutator 

.

•   Armature windings may be of  different types (lap/ wave)

 –   

segments, lap connected armature winding is obtained.

 –   when ends of  a coil are terminated on segments apart by 

approx. two  pole  pitch, a wave connected winding results.

•   Number of  parallel paths in armature, 

 –   a = P for LAP winding. 

 –   a = 2 for WAVE winding

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 25/34

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 26/34

Lap type Armature winding

•   Second coil 2  ‐ 6' is in the lap of  the first coil 1  ‐ 5', hence 

the winding is called lap winding.

•   Winding proceeding from left to right (assuming y c =+1) called  progressive simplex  lap winding. 

•   For y c =  ‐1, winding would proceeded from right to left 

•   A winding table have information of  number of  coil sides 

where the free ends of  the coil sides will be terminated 

•   Number of  brushes must be equal to number of  poles.

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 27/34

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 28/34

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 29/34

The spatial distance between two coil sides of a coil should be

one pole pitch apart

,

equal to the number poles P.

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 30/34

Wave type Armature winding

•   In this winding coil sides of  a coil is not terminated in 

adjacent commutator segments, i.e., y c ≠1.

•   Instead y c is selected closely equal to two pole pitch in terms of  commutator segments. Mathematically y c ≈

2S/P

•   Windin   ro resses like a wave   hence called wave 

winding

•   , 

multiple of  P. It will be  progressive wave winding if  +ve 

si n is taken and retro ressive wave windin   if   –ve si n

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 31/34

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 32/34

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 33/34

Simplex wave winding

For a P polar simplex wave winding, between any two

consecutive commutator segments P/2 coils will be present

8/10/2019 M4-DC Machines unit 1 .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/m4-dc-machines-unit-1-pdf 34/34

Comparison of  Lap and wave winding

•   For a given current density and conductor cross section 

 –   Total armature current obtained in lap winding is P/2 times 

a   o a ne   n wave w n ng

•   For given number of  armature conductors 

 –   No. of  conductors connected in series per path in wave 

winding is P/2 times that in lap winding

 –   

brushes in wave winding is P/2 times that in lap winding

 

machines