3.2. Контрольные вопросы

1. Что представляют собой синхронные машины?

2. Каковы назначение и область применения синхронных машин?

3. Как возбуждается основное магнитное поле в синхронной машине?

4. Как устроена обмотка ротора в синхронной машине?

5. Как устроена синхронная машина?

6. Какие типы синхронных машин вы знаете?

7. Как частота генерируемой в якоре эдс связана с частотой вращения ротора синхронного генератора?

8. От чего зависит величина эдс, индуктируемой в обмотке якоря синхронного генератора?

9. Что представляет собой характеристика холостого хода синхронного генератора? Почему она имеет нелинейную форму?

10. Как создается результирующий магнитный поток в синхронном генераторе?

11. Что представляет собой реакция якоря в синхронном генераторе?

12. Каково действие реакции якоря при активной, индуктивной и емкостной нагрузке генератора?

13. Назовите основные характеристики синхронного генератора.

14. Как влияет характер нагрузки генератора на его характеристики?

15. Перечислите условия работы синхронного генератора параллельно с сетью.

16. Как включить синхронный генератор на параллельную работу с сетью способом точной синхронизации?

17. Что такое u-образные характеристики синхронного генератора?

18. Что представляет собой угловая характеристика синхронного генератора?

19. Каковы конструктивные отличия между синхронными двигателями и генераторами?

20. Какие достоинства и недостатки имеют синхронные двигателя по сравнению с асинхронными?

21. Как перевести синхронную машину, подключенную к сети, в двигательный режим работы?

22. Что называют моментом выхода синхронного двигателя из синхронизма?

23. Объясните процесс пуска синхронного двигателя.

24. Как повысить момент входа в синхронизм синхронного двигателя?

25. Как подключить синхронный компенсатор для повышения коэффициента мощности в сети?

3.3. Тестовые задания

1. Синхронный генератор имеет 2р=6 полюсов. Какая частота вращения вала первичного двигателя должна быть обеспечена, чтобы можно было включить генератор на параллельную работу с сетью 50гц?

2. Синхронный двигатель с числом полюсов 2р=4 при питании от сети F₁=50гц имеет номинальную мощность 40 квт. Определить номинальный вращающий момент двигателя.

3. Опытным путем удалось установить, что при номинальной нагрузке четырехполюсного синхронного двигателя ось полюсов ротора отклонилась от оси полюсов статора на угол 15^о. Определить перегрузочную способность двигателя.

4. Четырехполюсный синхронный генератор отдает в сеть активную мощность 40 квт при частоте тока 50 гц. При этом известно, что он имеет кпд η=85%. Требуется определить, какой вращающий момент должен быть создан при этом на его валу.

5. Паровая турбина вращает ротор трехфазного двухполюсного синхронного генератора, развивая на валу мощность 105 тыс. Квт. Определить кпд генератора и мощность, выделяемую в генераторе в качестве тепла, если он отдает в сеть ток 4300а при напряжении 15,8 кв и коэффициенте мощности cosφ₁=0,855.

ЗАНЯТИЕ №5. МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

1. Вводная часть

1.1. Назначение занятия

Занятие предназначено для изучения устройства, работы электрических машин постоянного тока, режимов их работы, вариантов практического использования и классификации, способов создания основного магнитного поля машины, особенностей взаимодействия магнитных полей индуктора и якоря, формирования и свойств результирующего магнитного поля машины. Занятие предназначено также для понимания обучаемыми общих признаков и отличий в различных типах машин постоянного тока, принципа работы, конструктивных особенностей и рабочих свойств генераторов и электродвигателей, природы потерь мощности и коэффициента полезного действия, приобретения знаний о схемах включения и способах регулирования характеристик этих машин.

1.2. Цели занятия

В конце обучения по данному занятию обучаемый должен быть способен:

• Объяснить устройство машины постоянного тока и главных её разновидностей;

• Выполнить классификацию типов машин постоянного тока;

• Объяснить принцип работы генератора постоянного тока;

• Объяснить способы создания основного магнитного поля в машине постоянного тока;

• Перечислить способы питания обмотки возбуждения и дать их краткую характеристику;

Рис.5.1. Структура занятия

• Раскрыть сущность реакции якоря в машине постоянного тока и её влияние на формирование результирующего магнитного поля;

• Дать определение геометрической и физической нейтрали машины постоянного тока;

• Изобразить характеристику холостого хода генератора с независимым возбуждением и объяснить её конфигурацию;

• Перечислить условия самовозбуждения шунтового генератора;

• Изобразить одну тз схем якорной обмотки;

• Пояснить сущность процесса коммутации в машине постоянного тока;

• Назвать способы улучшения коммутации;

• Пояснить назначение добавочных полюсов и компенсационной обмотки;

• Перечислить виды потерь мощности в машине постоянного тока и дат определение её кпд;

• Изобразить внешнюю характеристику генератора постоянного тока: шунтового и с независимым возбуждением;

• Изобразить регулировочную характеристику генератора постоянного тока;

• Пояснить принцип работы двигателя постоянного тока;

• Изобразить схемы включения шунтового, сериесного и компаундного двигателей постоянного тока.

• Построить и пояснить скоростные и механические характеристики шунтового и сериесного двигателей.

• Пояснить особенности пуска двигателя постоянного тока;

Рис.5.2. Цели проведения вводного занятия

2. Основная часть

2.1. Назначение, устройство и классификация

машин постоянного тока

Электрические машины постоянного тока используются в качестве генераторов и электродвигателей. Генераторы постоянного тока применяют везде, где требуются источники постоянного тока достаточной мощности: электросварка, электролизное и гальваническое производство, электроприводы постоянного тока, зарядка аккумуляторов, электронная аппаратура, связь и др. Генераторы постоянного тока часто используются в качестве возбудителей синхронных генераторов. По сравнению с генераторами переменного тока они сложнее в изготовлении и обслуживании, их использование создает ряд проблем из-за наличия щеточно-коллекторного устройства. Поэтому вместо генератора постоянного тока питание потребителей осуществляют от источников переменного тока через выпрямители. Это повышает надежность электроснабжения, снижает затраты. Поэтому генераторы постоянного тока обычно требует достаточного обоснования, например, отсутствие источника переменного тока, наличие легко доступного первичного двигателя, требование широкого и точного регулирования выходных параметров и др. Электродвигатели постоянного тока получили гораздо более широкое распространение. По сравнению с двигателями переменного тока они обладают важными достоинствами: простота пуска, реверса, плавное и глубокое регулирование скорости вращения вала, высокие динамические характеристики, малые потери мощности и т.п. Промышленность выпускает двигатели постоянного тока разнообразных типов в диапазоне мощностей от долей ватта до тысячи киловатт. Мощные двигатели получили применение для привода прокатных станов, гребных винтов в морских судах, тяговых двигателей электровозов и других транспортных средств. Двигатели постоянного тока малой мощности широко применяются в системах автоматики, следящих приводах, вычислительной технике, устройствах связи и др. В связи с изложенным машины постоянного тока имеют различные исполнения, которые порой радикально отличаются друг от друга. Типовая конструкция активных частей машины постоянного тока предполагает наличие двух основных активных частей: индуктора и якоря (см. Рис. 1.7). Индуктор предназначен для создания основного магнитного поля машины. Якорь имеет обмотку, которая соединяется с силовой сетью. Якорная обмотка, взаимодействуя с основным магнитным полем, обеспечивает выполнение машиной своих функций. В машине постоянного тока индуктор располагают на статоре, а якорь – на роторе. На рис. 5.3а) схематично показано устройство якоря и индуктора двухполюсной машины постоянного тока и принцип их взаимодействия. Индуктор имеет ярмо 1, на котором размещены полюса 2. Эти элементы выполнены из магнитомягкого материала – электротехнической стали. В машинах постоянного тока ярмо 1 несет также и механическую нагрузку, являясь её станину. В пазах шихтованного магнитопровода ротора размещены катушки 4 якорной обмотки. Постоянный ток, протекающий в катушках 3 индуктора, возбуждает основное магнитное поле ф_о машины, силовые которого условно изображены пунктирными линиями. Направление тока возбуждения на рисунке показано точками и крестиками. Направление действия мдс полюсов показано стрелками ни силовых линиях. Если якорь вращать, как показано стрелкой «n», то лежащие в пазах проводники 4 будут пересекать силовые линии магнитного поля ф_о. В соответствии с законом электромагнитной индукции в этих проводниках будет возникать эдс, направление действия которой в проводниках якоря также показано крестиками и точками. Это направление можно определить по правилу правой руки (см. Рис. 1.4а). Следует обратить внимание, что при повороте ротора на 360^о направления действия эдс в проводнике изменяется на обратное.

Рис.5.3. Устройство и классификация машин

постоянного тока

При дальнейшем обороте якоря цикл повторяется и т.д. Таким образом, при вращении якоря в магнитном поле ф_о в проводниках его обмотки индуктируется переменная эдс. Для преобразование переменной эдс в постоянную действующую на зажимах машины эдс в конструкции предусмотрено наличие механического выпрямителя – коллектора и щеток, которые на схеме не показаны. Коллектор расположен на общем с якорем валу и вращается с той же скоростью. Подробнее работа щеточно-коллекторного узла будет рассмотрена ниже при изучении принципа работы генератора и коммутации тока в обмотке якоря.. Реальная машина постоянного тока может использоваться в качестве генератора или двигателя. Она может иметь различные способы подключения обмотки возбуждения к источнику постоянного тока. На рис. 5.3б) представлена классификация наиболее распространенных исполнений электрических машин постоянного тока. Кроме перечисленных выше типов здесь показаны микромашины, отличающиеся большим многообразием конструкций. К ним относят машины, имеющие мощность не выше 500 вт. Конструкции с электромагнитным возбуждением по вариантам исполнения повторяют генераторы и двигателя общего назначения. Особенностью микромашин является широкое применение постоянных магнитов для возбуждения магнитного поля. Такое решение чаще свойственно маломощным двигателям и тахогенераторам – машинам, используемым для контроля частоты вращения валов в различных механизмах. Они имеют разнообразные исполнения, в зависимости от конструкции якоря: зубцовой, гладкой или полой. Гладкий якорь имеет беспазовую, гладкую поверхность, на которой равномерным слоем уложены проводники якорной обмотки и скреплены полимером. Полый якорь не имеет магнитопровода и его обмотки образует полый стакан, внутри которого расположен магнит индуктора. Применение гладких и полых якорей позволяет заметно повысить кпд, быстродействие и удельную мощность машины. В конце хх века бурное развитие получили бесконтактные двигатели постоянного тока. Полная бесконтактность машины обеспечивается том, что функции коллектора в ней выполняет полупроводниковый коммутатор, переключающий катушки якорной обмотки по сигналам датчика положения ротора. Это позволяет удлинить ресурс машины, повысить кпд, упрощает обслуживание, исключает её взрывоопасность и др. Получены положительные результаты по созданию таких машин мощностью в десятки и сотни киловатт.

2.2. Принцип действия генератора постоянного тока

Принцип действия генератора постоянного тока рассмотрим на примере модели, содержащей в якорной обмотке один виток. Эта модель представлена на рис. 5.4а). Здесь показан индуктор в виде двух полюсов n и s, создающих поток ф магнитного поля. Между полюсами со скоростью n вращается виток 1. При этом его проводники 1а пересекают силовые линии магнитного поля индуктора и поэтому в них индуктируется эдс «е». Направление этой эдс в верхнем витке определено по правилу правой руки: в ладонь входит поток ф, большой палец показывает направление движения проводника «v». Вытянутые пальцы кисти показывают направление действия индуктируемой в вике эдс «е». Эдс в противоположных проводниках витка направлены в противоположные стороны, так как они движутся под разными полюсами индуктора. Поэтому при обходе витка эти эдс складываются. Несложно пронаблюдать, что если виток повернется на пол-оборота (на 180^о), то направление эдс в проводниках изменится на противоположное. Следовательно, при равномерном вращении витка в нем индуктируется переменная эдс. С внешней неподвижной цепью вращающийся виток соединен с помощью скользящего контакта, обеспеченного щетками 2. Чтобы выпрямить эту эдс, начало и конец витка присоединены к двум полукольцам 3, вращающимся вместе с витком.

Рис.5.4. Принцип работы генератора постоянного тока

Индуктируемая в витке эдс в виде синусоиды показана на верхней эпюре рис. 5.4б). На второй эпюре показана выпрямленная эдс, действующая на щетках. Теперь кривая имеет вид однополярных полуволн синусоиды, то есть, во времени не имеет участков с отрицательным знаком. Это связано с тем, что, например, верхняя щетка 2 всегда прижата к тому полукольцу, к которому присоединен проводник витка, проходящий под северным полюсом. Полукольца образованы разрезом кольца на дуги, число которых равно числу выводов витка. Следовательно, ток i во внешней цепи с нагрузкой r_н в любой момент времени течет в одном направлении. Следует обратить внимание, что на нижней эпюре рис. 5.4б) ток непрерывно меняется по величине, то есть – пульсирует. Для уменьшения пульсаций используют несколько витков, смещенных в пространстве под углом друг к другу. На рис. 4.5в) показана кривая эдс на щетках, если на якоре выполнено три витка, смещенных друг относительно друга на 120^о. Их выводы подсоединены к шести дугам, на которые должно быть разрезано кольцо токосъема в этом случае. Дугообразные части кольца вместе со щетками образуют механический выпрямитель, называемый коллектором. Наличие коллектора – важная особенность машины постоянного тока, как генератора, так и двигателя. Поэтому эти машины называют коллекторными. Схематически генератор постоянного тока показан на рис.5.5а). Здесь условно изображены пластины 1 коллектора, к каждой из которых присоединены выводы соседних катушек 2 якорной обмотки. Таким образом, соединенные последовательно катушки 2 образуют замкнутое кольцо якорной обмотки. К коллекторным пластинам прижаты щетки 3, по отношению к которым якорная обмотка образует две параллельные ветви. Якорь с обмоткой вращается между полюсами n и s индуктора, в результате чего в его катушках индуктируется эдс. В последовательно соединенных катушках эдс складываются. В результате этого в каждой параллельной ветви действует суммарная эдс е.

Рис.5.5. Схемы машин постоянного тока

Если обмотка симметрична, эти эдс равны между собой и уравновешивают друг друга. Поэтому и при разомкнутой внешней цепи (r_н=∞) токи в якоре отсутствуют (i_a=0). Подключим к щеткам нагрузку r_н и в её цепи возникнет ток нагрузки i_н. Очевидно, что будет справедливо соотношение: i_н=2i_a. В общем случае число параллельных ветвей в якорной обмотке может быть и большим (в зависимости от числа полюсов, схемы соединения и способа укладки катушек), но оно всегда остается четным. Поэтому принято говорить о числе пар параллельных ветвей «а». Тогда в общем случае можно записать:

I_н=2а i_a. (5.1)

При нарушении симметрии якорной обмотки эдс параллельных ветвей не уравновешивают друг друга и даже при отсутствии внешней нагрузки в якоре возникнут кольцевые токи, которые снижают кпд машины и могут привести к перегреву и аварии машины. Схемы соединения цепей машин постоянного тока с электромагнитным возбуждением показаны на рис. 5.5б,в,г и д. Независимое возбуждение (рис. 5.5б) предусматривает питание обмотки возбуждения ов от отдельного источника (аккумулятора или др.) Без гальванической связи с якорной обмоткой. В отличие от указанного распространено самовозбуждение генератора, вид которого зависит от подключения обмотки возбуждения к зажимам якорной обмотки. При параллельном возбуждении обмотка индуктора овш подключена к выходным зажимам якоря (рис. 5.5в), такое включение называют шунтовым. Практикуется также последовательное (сериесное) включение обмоток возбуждения овс и якоря (см. Рис. 5.5г), когда по этим обмоткам протекает общий ток. Последовательное возбуждение используется в двигателях постоянного тока. В мощных машинах часто на полюсах предусматривают как шунтовую, так и сериесную обмотки (см. Рис. 5.5д), что повышает стабильность параметров и расширяет возможности регулирования. Поэтому сериесную обмотку иногда называют стабилизирующей. Такая система возбуждения называется смешанной или компаундной.

2.3. Обмотки якоря машин постоянного тока

Машины постоянного тока выполняют только с якорями барабанного типа. В них проводники якорной обмотки укладываются в пазы, выполненные на наружной поверхности сердечника якоря. Катушка – основной элемент этой обмотки. В литературе такую катушку нередко называют секцией. Стороны секции располагаются так, чтобы одна из них лежала под полюсом n, а другая – под полюсом s. Это значит, что стороны секции лежат на расстоянии полюсного деления τ друг от друга. В этом случае при вращении якоря в секции будет индуктироваться максимальная эдс. На рис. 5.6а) показан именно этот случай. Здесь пунктиром показаны контуры магнитопровода ротора диаметром d, в его пазы уложена одна секция якорной обмотки. В этой секции следует выделить её функциональные части: 1 – пазовые (активные) части, которые при вращении ротора пересекают силовые линии поля статора; 2 – лобовые части, соединяющие последовательно пазовые части секции; 3 – выводы (начало и конец) секции, обеспечивающие её соединение с соответствующими коллекторными пластинами. Буквами n и s условно обозначена четырехполюсная магнитная система индуктора. Активные части секции разнесены по окружности якоря на величину полюсного деления τ=πd/(2p)=πd/4. В таком случае говорят, что обмотка выполнена с диаметральным шагом: y=τ. На рис. 5.6б) показано изображение двух секций на развернутой схеме. Пунктиром показаны пазы якоря, цифрой 1 – размещение активных частей секций, 2 – их лобовые части, 3 – выводы к коллекторным пластинам 4. Здесь же показаны полюса n и s индуктора и обозначено полюсное деление τ, откуда также видно, что секции имеют диаметральный шаг. В реальных машинах шаг секции выполняют меньше или больше полюсного деления на один паз: y= πd/(2p)±1. Чаще выбирают укороченный шаг.

Рис.5.6. Устройство катушки петлевой якорной обмотки

Внешние очертания секции напоминают замкнутые петли, поэтому такая обмотка называется петлевой и выполняется двухслойной. Следовательно, число секций этой обмотки равно числу пазов z_a якоря и числу коллекторных пластин к коллектора. На рис 5.7а) показана развернутая схема простой петлевой обмотки четырехполюсной машины с укороченным шагом. Направления эдс в сторонах секций, находящихся под полюсами противоположной полярности, различны. С учетом направлений эдс выбираются точки прижатия щеток к коллектору. Щетки одной полярности объединяются между собой.

Рис.5.7. Схемы простых якорных обмоток:

петлевой (а) и волновой (б)

Для петлевой обмотки число щеток должно быть равно числу полюсов. Щетки делят обмотку на параллельные ветви, число которых 2а также равно числу полюсов 2р. По этому признаку петлевые обмотки иногда называют параллельными. На рис 5.7б) показана развернутая схема простой волновой обмотки четырехполюсной машины. Они применяются в машинах с числом полюсов 2р≥4. Секции этой обмотки имеют форму волны (на рисунке одна секция выделена жирной линией). Простая волновая обмотка имеет только две параллельные ветви 2а=2 независимо от числа полюсов. Поэтому в маломощных машинах допустима установка только двух щеток. В мощных машинах применяют сложные петлевые и волновые обмотки. Они представляют собой несколько (обычно – двух) одноименных простых обмоток, уложенных в пазы якоря и их выводы присоединены к отдельным коллекторным пластинам. Ширину щетки выбирают такой, чтобы она перекрывала несколько коллекторных пластин. Тип обмотки выбирают по величине мощности машины, её номинальному напряжению, частоте вращения ротора и др. Петлевые обмотки применяются в машинах, для которых характерны небольшой напряжение и высокие токи, а волновые – для машин повышенного напряжения.

2.4. Реакция якоря в машине постоянного тока

В режиме холостого хода в машине постоянного тока магнитное поле создается только мдс обмотки возбуждения, размещенной на полюсах статора. Весь магнитный поток направлен вдоль оси полюсов, то есть – по продольной оси d машины. Магнитный поток возбуждения ф_о, называемый основным магнитным потоком машины, при вращении якоря со скоростью n индуктирует в его обмотке эдс е_о. Этот случай показан на рис. 5.8а). Значение эдс на щетках будет максимальным, если щетки расположить строго на линии поперечной оси q машины.

Рис.5.8. Конфигурация магнитных линий,

создаваемых индуктором (а), током в обмотке якоря (б),

их одновременным действием (в) и составляющие поля

якоря при сдвиге щеток с нейтрали (г)

В этом случае говорят, что щетки расположены на геометрической нейтрали машины, то есть, геометрическая нейтраль машины совпадает с её поперечной осью. Предположим, что машина работает в режиме генератора. Если к её зажимам подключить нагрузку r_н, то в проводниках якоря начнет протекать ток i_а (см. Рис. 5.8б), направление которого совпадает с направлением эдс. Известно, что при протекании тока по обмотке возникает мдс, создающая поток магнитного поля этой обмотки. Мдс обмотки якоря, обтекаемой током, создает поток якоря ф_а. На рис. 5.8б) хорошо видно, что этот поток направлен по поперечной оси машины. Для ясности картины на рисунке отсутствует ток возбуждения и магнитный поток ф_о. При работе машины в реальных условиях оба потока существуют одновременно и, складываясь, образуют результирующий поток ф_рез. Его конфигурация показана на рис. 5.8в). Сравнив картину поля на рис. 5.8.а) и 5.8б), делаем вывод, что поперечное поле якоря искажает общее поле машины и оно становится несимметричным относительно оси полюсов. Ось поля d' поворачивается относительно оси полюсов d на угол β. Другими словами, результирующее магнитное поле машины как бы смещается к одному краю полюса индуктора. Искажение распределения результирующего поля машины приводит к тому, что и его поперечная ось d' поворачивается на угол β, как показано на рисунке. Соответственно смещается и поперечная ось q'. Если теперь щетки сместить на ось q', то в этом случае говорят, что они размещены на физической нейтрали. В генераторе физическая нейтраль смещается по направлению вращения, а в двигателе – против направления вращения якоря. Искажение магнитного поля под воздействием поперечного поля якоря приводит к тому, что на одном конце полюса поле ослабляется, а на другом – усиливается. В результате может произойти насыщение одного края полюса и общий поток машины уменьшится. В этом случае говорят, что поперечное магнитное поле якоря может привести к размагничиванию машины. Это размагничивающее действие приходится компенсировать увеличением тока возбуждения. Воздействие тока в обмотке якоря на конфигурацию и величину магнитного потока машины называют реакцией якоря. В общем случае поле якоря может не совпадать с поперечной осью машины, сместившись от неё на угол α (см. Рис. 5.8г). На рисунке поле якоря представлено стрелкой ф_а. Такое смещение поля якоря произойдет, если щетки повернуть по направлению вращения якоря на угол α. В этом случае говорят, что щетки смещены с нейтрали на указанный угол. Для анализа характера влияния реакции якоря в этом случае условно раскладывают поле якоря на две составляющие: продольную ф_ad, как проекцию потока ф_а на продольную ось d, и поперечную ф_aq – проекцию на поперечную ось машины. Продольный поток поля якоря может совпадать с направлением поля индуктора или быть направлен встречно к нему. В этих случаях говорят, что продольное поле якоря подмагничивает или, соответственно, размагничивает машину. Что же касается поперечной составляющей ф_aq. То её влияние не будет отличаться от приведенного выше случая. Мдс продольной и поперечной составляющих якоря связаны с полным значением его мдс соотношениями

F_ad=f_asinα ; f_aq=f_acosα (5.2)

Из приведенного анализа несложно сделать вывод: если щетки смещены по направлению вращения у генератора (или навстречу направлению вращения у двигателя), то машина размагничивается, если же наоборот – подмагничивается продольной составляющей мдс якоря.

2.5. Коммутация в машине постоянного тока

Во время вращения якоря нагруженной машины постоянного тока секции якорной обмотки поочередно переходят из одной параллельной ветви в другую. При этом соседние пластины коллектора на некоторое время оказываются перекрыты щеткой и в этом интервале секция оказывается замкнутой на себя. В конечном итоге при переходе этого интервала ток в секции изменяет направление на обратное. Этот процесс называют коммутацией. В более широком смысле под коммутацией понимают все процессы и явления, возникающие под щетками при работе коллекторных электрических машин. Совершая вместе с якорем оборот на 360 эл. Град. Вокруг оси машины, бо´льшую часть этого пути секция находится в одной из параллельных ветвей обмотки и по ней протекает ток параллельной ветви i_a=i/2a. Здесь i – ток во внешней цепи машины. Направление тока в секции меняется в течение короткого промежутка времени, когда коллекторные пластины, к которым подсоединены выводы этой секции, проходят через щетку. Промежуток времени, когда рассматриваемая секция замкнута этой щеткой накоротко, называют периодом коммутации т_к. Сама же секция, в которой изменяется направление тока, называют коммутирующей секцией. Три момента процесса изменения тока в коммутирующей секции показаны на рис. 5.9а,б и в). На первой позиции показан момент t=0, где щетка прижата к коллекторной пластине 1. Ток i₁=2i_a протекает через левый вывод секции и пластину 1. Через пластину 2 ток не протекает (i₂=0). Поскольку якорь вращается, то левый край щетки с пластины 1 сбегает. Поэтому этот край щетки называют сбегающим. Ток через пластину 1 уменьшается. Одновременно правый край щетки начинает набегать на пластину 2. Ток терез пластину 2 возрастает. Линия раздела пластин 1 и 2 делят щетку пополам в момент t=t_к/2. В этот момент токи через пластины 1 и 2 сравниваются, о ток i в коммутирующей секции уменьшается. В идеальном случае этот ток становится равным нулю. В процессе дальнейшего поворота коллектора и перемещения щетки на пластину 2 перераспределение тока в пластинах продолжается и в момент t=t_к ток в пластине 1 прекращается что же касается коммутирующей секции, то ток в ней меняет направление на обратное и секция перешла в другую параллельную ветвь обмотки. Такое линейное изменение тока в коммутирующей секции не вызывает искрения под щеткой и коммутация является «темной».

Рис.5.9. Коммутация тока в секциях якорной обмотки

Такой случай изменения тока в секции графически показан на рис. 5.9г). В действительности же процесс в коммутирующей секции протекает намного сложнее. Так, в приведенных рассуждениях не учитывалась эдс самоиндукции е_с в этой секции, неизбежно возникающая при изменении тока: при уменьшении тока эдс самоиндукции старается задержать это уменьшение. При нарастании же тока нового направления эдс самоиндукции задерживает это нарастание. Кроме этого, в коммутирующей секции индуктируется эдс вращения е_вр, обусловленная результирующим полем машины, искривленным поперечной составляющей поля якоря. Эти эдс могут быть направлены согласно или встречно, что зависит от направления изменения индуктирующих их полей. При условии е_с= - е_вр эти эдс компенсируют друг друга и в результате удается достичь «темной» коммутации. Наиболее радикально задача решается применением в машине так называемых добавочных полюсов. Их размещение на станине показано на рис. 5.9д). Добавочные полюса размещают по линии геометрической нейтрали машины и, выбирая требуемое направление и величину тока в их обмотках, добиваются оптимальных параметров эдс е_вр. При рассмотрении явления реакции якоря в нагруженной машине было показано, что с изменением нагрузки степень искажения поля машины возрастает из-за увеличения угла β. Поэтому для добавочных полюсов применяют последовательное включение обмоток в цепь якорного тока, как показано на рис. 5.9е). Таким образом, добавочные полюса создают в зоне прохождения коммутирующей секции свое коммутирующее поле, величина которого пропорциональна величине тока в якоре. Для обеспечения этой пропорциональности магнитную систему делают ненасыщенной. Из изложенного следует сделать вывод, что безыскровая коммутация может быть достигнута выбором оптимального соотношения мдс добавочных полюсов и поперечной составляющей поля якоря в зоне коммутации якоря. Добавочные полюса устанавливают во всех машинах при номинальной мощности р₂>0,3 квт. Однако, это не решает задачу во всех без исключения случаях. Поэтому нередко приходится смещать щетки с геометрической нейтрали на физическую нейтраль, где индукция результирующего магнитного поля машины минимальна. В машинах повышенной мощности, работающих при резких изменениях нагрузки, для улучшения коммутации выбирают более широкие щетки, перекрывающие не одну, а большее число коллекторных пластин. В мощных машинах для ослабления действия поперечной реакции якоря в пазы, выполненные в башмаках главных полюсов, закладывают дополнительную компенсационную обмотку, которую также включают последовательно в цепь якоря. Полезно знать, что к ухудшению коммутации приводят и причины чисто механического характера: радиальное биение коллектора, вибрация щеток, загрязнение коллекторных пластин, выступание изоляции между соседними пластинами и др.

2.6. Мощность и характеристики генераторов

постоянного тока

В процессе работы генератора без нагрузки индуктируемая в обмотке якоря эдс практически равна напряжению на зажимах якоря. При подключении нагрузки в цепи якоря возникает ток, а на выводах генератора устанавливается напряжение, определяемое уравнением электрического равновесия цепи якоря, замкнутой на сопротивление нагрузки:

U=e_a - i_aσr (5.3)