Лекции / Лекция 28 Работа МПТ при нагрузке

Работа МПТ при нагрузке

Электромагнитный момент. При нагрузке машины по проводникам обмотки якоря протекает ток параллельной ветви Ia I /(2a) ,

где I – сетевой ток машины. При взаимодействии тока Ia с магнитным полем возникает электромагнитная сила. Как следует из рис.1.1, при установке щеток на поперечной оси на все N проводников обмотки якоря эти силы будут действовать в одну сторону. Тогда сила, действующая на i -й проводник и развиваемый ей момент будут равны

где B i – магнитная индукция в точке расположения i -го проводника.

Так как длина l всех проводников одинакова и через них про-

текает один и тот же ток Ia , то электромагнитный момент, развиваемый машиной, будет равен

Если, как и при выводе выражения для ЭДС, принять, что магнитная индукция во всех точках полюсного деления равна B ср (см.

рис. 1.15), то B i N B ср . Поскольку Da 2p , то Da 2p / и выражение для момента (2.2) можно преобразовать к виду

ными данными машины.

Из выражения (2.3) следует, что электромагнитный момент машины постоянного тока пропорционален магнитному потоку и току якоря.

Формулу для электромагнитного момента можно получить и из выражения для электромагнитной мощности Pэм EaIa , где Ea по

(1.13). Выразим электромагнитный момент через электромагнитную мощность и угловую скорость

Реакция якоря в машине постоянного тока. При холостом хо-

де машины Ia 0 магнитное поле создается МДС обмотки возбуждения. Характер распределения этого поля показан на рис. 2.1, а.

Рис. 2.1. Распределение магнитных полей возбуждения (а) якоря (б) при установке щеток на геометрической нейтрали

При нагрузке машины по обмотке якоря будет протекать ток Ia .

Этот ток создает свое магнитное поле, которое, накладываясь на поле возбуждения, образует результирующий магнитный поток. Воздействие поля якоря на поле возбуждения машины носит название реакции якоря. Характер реакции якоря в машинах постоянного тока зависит от места установки щеток, так как оно определяет распределение тока по проводникам обмотки якоря и созданного им магнитного поля якоря. При диаметральном шаге обмотки якоря ток в проводниках, лежащих по обе стороны от щетки, имеет разное направление.

Рассмотрим реакцию якоря, когда щетки установлены на геометрической нейтрали (на поперечной оси q ). Если по обмотке якоря

при отсутствии возбуждения пропустить ток Ia , то он создаст маг-

нитное поле, примерный характер распределения которого показан на рис. 2.1, б. Ось этого поля совпадает с геометрической нейтралью (поперечной осью). Поэтому магнитное поле якоря при щетках, расположенных на геометрической нейтрали, называют поперечным полем якоря. Оно будет неподвижно в пространстве, так как при любом положении якоря распределение тока по проводникам будет таким, как показано на рис. 2.1, б.

дения, образуя результирующее магнитное поле машины.

Примерный характер распределения результирующего поля показан на рис. 2.2. Как можно видеть из рис. 2.2, в результате действия поперечного поля якоря происходит искажение магнитного поля. Под одним краем полюса поле усиливается, а под другим ослабляется. Такую реакцию якоря называют поперечной.

Для того чтобы определить характер распределения поля в воздушном зазоре машины при

нагрузке, найдем распределение МДС и индукции поперечного поля якоря. При расчетах обычно делают допущение, что проводники обмотки якоря равномерно распределены по его окружности. Через каждый из N проводников обмотки якоря протекает ток параллельной ветви

I

Ia = 2p .

Тогда линейная нагрузка якоря A равна

Чтобы получить более наглядную картину распределения поперечного магнитного поля якоря в воздушном зазоре, развернем статор и якорь машины в прямую линию, как показано на рис. 2.3, а

б

Рис. 2.3. Развернутые в линию статор и якорь (а)

и распределение МДС якоря (б) вдоль воздушного зазора

Примем за начало отсчета точку 0 поверхности якоря, лежащую на продольной оси (оси полюсов). Эта линия является осью симметрии для магнитного потока якоря (рис. 2.1, б). На расстоянии x в обе стороны от этой линии проведем одну из индукционных линий магнитного потока.

Полный ток в пределах, охватываемых этой линией, равен 2xA 2Fqx , где Fqx - поперечная МДС якоря на один воздушный за-

зор. При x 0, Fqx 0. С увеличением x поперечная МДС якоря

Предположим, что магнитная система машины не насыщена, т.е.

Fст =0.

Тогда

поля якоря B x (рис. 2.5, в) и распределения индукции поля возбужде-

ния B 0x (рис. 2.5, б). В итоге получится кривая распределения ре-

зультирующего магнитного поля в воздушном зазоре B x(н) , показан-

ная сплошной линией на рис. 2.5, г.

Иногда в машинах постоянного тока щетки устанавливаются не на геометрической нейтрали, а смещаются от нее в ту или иную сторону на угол . Такому сдвигу соответствует распределение тока в проводниках обмотки якоря, показанное на рис. 2.6, а. Показанное на этом рисунке распределение тока соответствует сдвигу щеток по направлению вращения якоря, если машина работает в режиме генератора, или против направления вращения якоря при ее работев режиме двигателя.

МДС якоря направлена по линии установки щеток и будет смещена от геометрической нейтрали на угол . В этом случае МДС якоря, как и в синхронных машинах, можно разложить на две составляющие. Для этого разобьем поверхность якоря на секторы, симметричные относительно оси полюсов (оси d ). Проводники с током одной пары симметричных секторов (рис. 2.6, б) будут создавать поперечную МДС якоря Fq , направленную по геометрической нейтрали. Проводники

другой пары секторов (рис. 2.6, в) будут создавать продольную МДС якоря Fd , направленную по оси полюсов.

Рис. 2.6. Разложение МДС якоря при щетках, установленных не на геометрической нейтрали:

a – распределение тока в проводниках обмотки; б – образование по-

перечной МДС Fq ; в – образование продольной МДС Fd

Как видно из рис. 2.6, при в машине будет существовать

2

только продольная МДС якоря. Продольная реакция якоря, как и в синхронных машинах, может быть как размагничивающей (соответст-

вует рис. 2.6, в), так и подмагничивающей, если щетки сместить в противоположном направлении.

Влияние реакции якоря на работу машины постоянного то-

ка. Из сопоставления рис. 2.5, б, г можно сделать следующие выводы:

1.При нагрузке машины под влиянием поперечной реакции якоря происходит искажение магнитного поля. Под одним краем полюса оно ослабляется, а под другим – усиливается. При работе машины в генераторном режиме ослабление поля происходит на набегающем крае полюса, а его усиление – на сбегающем. В двигательном режиме картина будет обратной.

2.Точки, в которых кривая результирующего поля проходит че-

рез ноль, смещаются с геометрической нейтрали. Эти точки и определяют положение так называемой физической нейтрали. По отношению к геометрической нейтрали физическая нейтраль смещается в сторону вращения якоря при работе в режиме генератора и в против вращения якоря - при работе в режиме двигателя (см. рис.2.2). Так как индукция Bqx зависит от тока якоря, то положение физической ней-

трали меняется с изменением нагрузки. При холостом ходе физическая

игеометрическая нейтрали совпадают.

3.В машине с ненасыщенной магнитной цепью поток сохраняет то же значение, что и при холостом ходе, поскольку ослабление магнитного поля под одной половиной полюса компенсируется усилением магнитного поля под другой половиной полюса (см. рис. 2.5).

4.В машине с насыщенной магнитной цепью нельзя получить результирующее магнитное поле методом наложения. Распределение результирующего магнитного поля для этого случая, показано на рис. 2.5, г штриховой линией. Из-за насыщения правого края полюсного наконечника магнитный поток при нагрузке оказывается меньше потока при холостом ходе. Поэтому считается, что поперечная реакция якоря в машине с насыщенной магнитной цепью оказывает размагничивающее действие, тем большее, чем больше ток якоря. Это размагничивающее действие поперечной реакции якоря выражается эквива-

лентной МДС Fqd , которая называется продольной составляющей

поперечной реакции якоря и расчет которой приводится в книгах по проектированию машин постоянного тока.

Помимо указанных факторов реакция якоря влияет и на искрение машины. Напряжение между соседними коллекторными пластинами равно сумме ЭДС секций, включенных между этими пластинами, и зависит от распределения магнитной индукции в воздушном зазоре. В общем случае напряжение между различными соседними коллек-

торными пластинами неодинаково. Наибольшее практическое значение имеет максимальное напряжение Uк max . Если применяется простая петлевая обмотка, то между соседними коллекторными пластинами включена одна секция (см. рис. 1.9), если простая волновая - p секций (см. рис. 1.12). Если применяются сложные обмотки с числом ходов m, напряжение между соседними коллекторными пластинами уменьшается в m раз. Для петлевых обмоток

m a , p

а для волновых - m a . Поэтому в общем случае для любой обмотки с диаметральным шагом y1 справедливо выражение

где ws – число витков в секции; va – окружная скорость якоря; l –

расчетная длина машины; B xmax – максимальное значение магнитной

индукции в воздушном зазоре.

При нагрузке вследствие искажения магнитного поля в зазоре из-за поперечной реакции якоря индукция B xmax увеличивается. Из-

за этого увеличивается напряжение Uк max между коллекторными пластинами, к которым подсоединяются секции, расположенные в зоне максимальной индукции. Такое повышение напряжения Uк max может привести к искрению щеток. При чрезмерно большом напряжении Uк max и искрении щеток в машинах большой и средней мощности

единичные вспышки, растягиваясь и перекрывая соседние коллекторные пластины, могут вызвать круговой огонь.

Круговой огонь представляет собой мощную электрическую дугу на поверхности коллектора между щетками разной полярности, что приводит к короткому замыканию машины (для режима генератора) или сети (для режима двигателя) и резкому увеличению тока I . Последнее приводит к повреждению коллектора и выходу машины из строя. Для нормальной работы машины требуется, чтобы Uк max не

превышало 25..28 В в машинах большой мощности, 30..35 В - в машинах средней мощности и 40..50 В - в машинах малой мощности.

Количественный учет влияния поперечной реакции якоря.

Насыщение полюсных наконечников и тела якоря невелико, и поэтому при количественном учете влияния поперечной реакции якоря достаточно учесть лишь насыщение зубцов. Для такого учета по данным расчета магнитной цепи при холостом ходе строят так называемую переходную магнитную характеристику машины (рис. 2.7), представляющую собой зависимость индукции в воздушном зазоре B при

холостом ходе от суммы МДС зазора и зубцов F z F Fz.

Пусть при холостом ходе B определяется ординатой аб на рис. 2.7. Тогда МДС воздушного зазора и зубцового слоя F z создаваемая обмоткой возбуждения, будет равна абсциссе Оa . Согласно изложенному выше (см. рис. 2.6), при нагрузке по центральной осевой линии полюсного наконечника на рис. 2.6) действует такая же МДС, однако в других точках воздушного зазора будет действовать МДС

Если отложить на рис. 2.7 от точки a вправо и влево МДС Faqb вычисленную по формуле (2.6), то действующая в разных точках на протяжении полюсного наконечника МДС Fвa будет равна абсциссам

точек отрезка ваг, а индукция результирующего поля в зазоре в этих точках на протяжении полюсного наконечника определится ординатами участка кривой дбе.

Отрезок вг на рис. 2.7 пропорционален ширине полюсного наконечника, и поэтому площадь фигуры вдбегав пропорциональна потоку полюса при нагрузке. В то же время площадь прямоугольника вжзг пропорциональна потоку полюса при холостом ходе. Поэтому площадь криволинейного треугольника без характеризует увеличение потока под одной половиной полюса, а площадь треугольника джб – его уменьшение под другой половиной полюса. Таким образом, разность площадей этих треугольников определяет уменьшение потока полюса под влиянием поперечной реакции якоря.