2086

где hг - высота сердечника главного полюса. Высота полюса должна быть достаточной для размещения обмоток возбуждения. Предварительно можно принять hг в зависимости от высоты оси вращения

Магнитное напряжение сердечника главного полюса

Fг = Hг Lг .

Зазор между полюсом и станиной

Зазор между главным полюсом и станиной, в основном, служит для регулирования величины воздушного зазора при настройке коммутации машины. Для этого в зазоре располагают несколько прокладок.

Магнитный поток в зазоре между станиной и полюсом

Фсп = г Ф.

Площадь сечения зазора между станиной и полюсом

Sсп = Sг .

Магнитная индукция в зазоре между станиной и полюсом

Всп = Вг .

Напряженность магнитного поля в зазоре

Нсп Всп 0,8 Всп 106 .

о

Расчетная длина зазора между станиной и полюсом

Lсп = 2 l 10-4 + 10-4 .

Магнитное напряжение зазора между станиной и полюсом

Fсп = Hсп Lсп .

Станина

Станина в машинах постоянного тока имеет не только механическое назначение, но и одновременно является частью магнитопровода. Поэтому ее изготавливают из стали с достаточно высокой магнитной проницаемостью. Монолитные станины выполняют из стали Ст3. У машин небольшой мощности с высотой оси вращения до 200 мм для изготовления монолитной станины обычно применяют отрезки цельнотянутых стальных труб, к которым приваривают опорные лапы. Такой способ изготовления станины снижает ее стоимость и трудоемкость. Для машин с высотой оси вращения от 200 до 315 мм цилиндрическую часть станины изготавливают из загнутого толстолистового проката, причем для обеспечения магнитной симметрии продольный сварной шов располагают по оси главных полюсов.

В машинах большой мощности с высотой оси вращения свыше 315 мм и тяжелыми условиями коммутации станины выполняются шихтованными из колец или сегментов электротехнической стали марки 2013 толщиной 1 мм. Листы между собой не изолируются. Коэффициент заполнения сталью равен 0,98.

При осуществлении тиристорного питания все требования, предъявляемые к сердечникам главных полюсов, переносятся и на станины. В этом случае станина шихтуется из листов тонколистовой электротехнической стали толщиной 0,5 мм, листы изолируются.

Магнитный поток в станине с учетом его разветвления

Площадь сечения станины

Допустимое значение магнитной индукции в станине Всдоп зависит от марки стали, исполнения машины по способу защиты и способу охлаждения. При исполнении IP22 и IС01 для стали Ст 3 Всдоп = 1,3 Тл.

Магнитная индукция в станине

Напряженность магнитного поля в станине Нс определяют по кривой намагничивания для выбранной марки стали /1, с. 465/.

Расчетная длина станины (длина средней магнитной линии)

Магнитное напряжение в станине

Fс = Hс Lс .

4.3. ХАРАКТЕРИСТИКИ НАМАГНИЧИВАНИЯ

Магнитная цепь рассчитывается для ряда значений ЭДС и соответствующих им значений основного магнитного потока. Для каждого значения основного магнитного потока определяются магнитные индукции

имагнитные напряжения участков магнитной цепи. Следует не забывать, что линейная зависимость между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля наблюдается только в зазорах. В стальных же участках, по мере возрастания основного магнитного потока, магнитопровод насыщается, магнитные сопротивления возрастают и линейная зависимость между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля нарушается. Поэтому необходимо пользоваться кривыми намагничивания сталей не только при расчете точки, соответсвующей номинальной ЭДС, но

ипри расчете промежуточных значений.

Алгоритм расчета магнитной цепи и характеристик намагничивания включает следующие шаги:

1 шаг: магнитную цепь разбивают на условно однородные участки, состоящие из определенного материала с простой конфигурацией;

2шаг: задают значение ЭДС;

3шаг: определяют значение потоков, проходящих через участки магнитной цепи;

4шаг: определяют площади сечения участков;

5шаг: определяют магнитную индукцию участков магнитной цепи;

6шаг: определяют напряженность магнитного поля всех участков магнитной цепи, для нелинейных участков при этом пользуются кривыми намагничивания сталей;

7шаг: определяют расчетную длину участков;

8шаг: определяют магнитные напряжения участков;

9шаг: определяют суммарное магнитное напряжение всех участков магнитной цепи

F = F+ FZ + FJ + FК + FГ + FСП + FС ;

10 шаг: определяют магнитное напряжение переходного слоя

F ZJ = F+ FZ + FJ ;

11 шаг: повторяют расчет шагов (2 - 10) для ряда значений ЭДС,

например, Е = (0,5; 0,75; 0,9; 1,1; 1,2) ЕН;

12 шаг: по полученным результатам расчета строят характеристики намагничивания машины - основную Ф= f (F) и переходную В

= f (F ZJ).

ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ КУРСОВОГО ПРОЕКТА НЕОБХОДИМО:

Разбить магнитную цепь машины на условно однородные участки Разработать конструкцию участков магнитной цепи Произвести выбор магнитных материалов для участков магнитной цепи Определить геометрические размеры участков магнитной цепи

Рассчитать магнитную цепь, используя приведенные рекомендации Рассчитать характеристики намагничивания

По результатам расчета построить основную Ф= f (F ) и переходную В = f (F ZJ) характеристики намагничивания машины

5 СИСТЕМА ВОЗБУЖДЕНИЯ

РАЗДЕЛ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

5.1.РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ

5.2.ТИПЫ СИСТЕМ ВОЗБУЖДЕНИЯ

5.3.РАСЧЕТ СИСТЕМ ВОЗБУЖДЕНИЯ

5.4.АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ОБМОТОК ВОЗБУЖДЕНИЯ

Система возбуждения электрической машины постоянного тока должна создавать магнитодвижущую силу, необходимую для образования в воздушном зазоре основного магнитного потока при номинальной нагрузке машины. Данную магнитодвижущую силу можно рассматривать состоящей из двух слагаемых: МДС, необходимой для создания ЭДС, соответствующей номинальной нагрузке машины, и МДС, требуемой для компенсации размагничивающего действия реакции якоря.

Цель раздела - показать необходимость учета воздействия реакции якоря на магнитное поле главных полюсов, познакомить с различными типами систем возбуждения машин постоянного тока, дать рекомендации по расчету обмоток возбуждения.

ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ РАЗДЕЛА НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ:

Какое явление принято называть реакцией якоря При каких условиях в машине возникает реакция якоря

Какие составляющие реакции якоря и как воздействуют на магнитное поле главных полюсов Какие методы применяются для определения размагничивающего

действия поперечной составляющей реакции якоря

Типы систем возбуждения машин постоянного тока Расчет обмоток при независимом или параллельном возбуждении Расчет обмоток при последовательном возбуждении

Особенности расчета обмоток при смешанном возбуждении Конструкцию катушек обмоток возбуждения

5.1. РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ

При работе машины под нагрузкой в обмотке якоря возникает МДС обмотки якоря, которая взаимодействует с МДС основных полюсов. Магнитный поток, который существует в машине при нагрузке создается результирующей МДС. Влияние МДС обмотки якоря на МДС основных полюсов называется реакцией якоря Fря . Если щетки в машине стоят на геометрической нейтрали, то поле якоря направлено поперек оси полюсов и реакция якоря называется поперечной. Если щетки сдвинуты с геометрической нейтрали, то появляется составляющая поля якоря, действующая вдоль оси полюсов, которая называется продольной реакцией якоря.

При положении щеток на геометрической нейтрали поперечная составляющая реакции якоря Fq искажает основное поле, ослабляя его на сбегающем крае полюсного наконечника и усиливая на набегающем в двигателе, и усиливая его на сбегающем крае полюсного наконечника и ослабляя на набегающем в генераторе. При насыщении магнитной цепи поперечная реакция якоря размагничивает машину, то есть при воздействии поперечной реакции якоря поток основных полюсов уменьшается.

При сдвиге щеток с геометрической нейтрали по направлению вращения продольная составляющая реакции якоря Fd намагничивает двигатель и размагничивает генератор. При сдвиге щеток с геометрической нейтрали против направления вращения продольная составляющая реакции якоря Fd размагничивает двигатель и намагничивает генератор.

При расчете системы возбуждения машины необходимо дать количественную оценку воздействию реакции якоря Fря на магнитное поле главных полюсов.

Так как действие продольной составляющей реакции якоря направлено вдоль оси полюсов, то ее воздействие определяется следующим образом

Fd = А 2 х ,

D

где х - относительная дуга сдвига щеток, x , 360

где - угол сдвига щеток.

Количественная оценка размагничивающего действия поперечной составляющей реакции якоря более сложна ввиду того, что Fq направлена поперек оси полюсов. В этом случае пользуются характеристикой намагничивания переходного слоя В = f (F zj). При этом определяется действие поперечной составляющей реакции якоря по продольной картине распределения магнитного поля в воздушном зазоре.

Размагничивающее действие поперечной составляющей реакции якоря, определенное таким образом, обозначается Fqd.

При холостом ходе машины магнитная индукция в воздушном зазоре Вопределяется ординатой АB. МДС обмотки возбуждения при этом равна отрезку 0А.

При нагрузке по оси полюсов действует такая же МДС. Однако, под одним краем полюсного наконечника МДС будет больше на величину А bр / 2, а под другим меньше на ту же величину.

Магнитная индукция результирующего поля в зазоре вдоль полюсного наконечника при нагрузке будет определяться ординатами кривой DЕ.

Отрезок CF пропорционален ширине полюса, поэтому площадь, ограниченная кривой DЕ и прямыми ЕF, FC и CD, пропорциональна потоку при нагрузке. Площадь прямоугольника с основанием CF и высотой АB пропорциональна потоку при холостом ходе. Поэтому разница между этими площадями характеризует уменьшение потока за счет размагничивающего действия поперечной реакции якоря (или разность площадей криволинейных треугольников DKB и BEL, характеризующих увеличение или уменьшение магнитного потока под краями полюсного наконечника).

Заменим площадь фигуры DЕFC равновеликим по площади прямоугольником. Тогда ордината АM представляет собой среднюю индукцию при нагрузке, а отрезок HМ представляет собой величину МДС, эквивалентную размагничивающему влиянию поперечной составляющей реакции якоря Fqd.

Подсчет площадей криволинейных фигур трудоемок, поэтому при определении Fqd обычно используются приближенные формулы расчета.

Для использования приближенных формул необходимо графически по переходной характеристике определить значение индукции под краями полюсного наконечника при нагрузке машины В max и В min. Далее определить среднюю индукцию при нагрузке В

Среднее значение индукции при нагрузке машины В ср дает возможность определить перемещение рабочей точки из положения В в положение Н, что соответствует размагничивающему действию поперечной реакции якоря Fqd равной отрезку НМ.

При неправильно выбранной величине воздушного зазора, может под одним краем полюсного наконечника произойти опрокидывание магнитного поля, когда В min приобретет отрицательное значение. В этом случае необходимо изменить величину воздушного зазора таким образом, чтобы соблюдалось соотношение

Можно также использовать для определения размагничивающего действия реакции якоря семейство кривых kqd = f (Fq / F), построенных по результатам испытания большого количества машин и учитывающих как размагничивающее действие МДС якоря, так и МДС короткозамкнутых секций, создаваемой коммутационными токами, для различных значений магнитной индукции в зубцах якоря /6, с. 275/.

Внастоящее время все машины постоянного тока, начиная с мощности 0,2 кВт, выполняются с добавочными полюсами и при их работе щетки располагаются на геометрической нейтрали. В таких машинах реакция якоря имеет только поперечную составляющую.

Вкомпенсированных машинах постоянного тока размагничивающее действие МДС поля якоря не учитывается, так как компенсационная обмотка рассчитывается при условии равенства ее МДС и МДС поля якоря при нагрузке.

5.2. ТИПЫ СИСТЕМ ВОЗБУЖДЕНИЯ

Система возбуждения машины постоянного тока должна создавать магнитодвижущую силу Fн, необходимую для образования в воздушном зазоре основного магнитного потока при номинальной нагрузке машины. МДС Fн можно рассматривать состоящей из двух слагаемых: МДС, необходимой для создания ЭДС, соответствующей номинальной нагрузке машины, и МДС, требуемой для компенсации размагничивающего действия реакции якоря

Fн = F + Fря .

МДС, необходимая для создания ЭДС, определяется расчетом магнитной цепи машины. Данная МДС должна преодолеть магнитное напряжение магнитной цепи проведению магнитного потока по всем ее участкам F .

МДС, требуемая для компенсации воздействия реакции якоря, в общем случае определяется как сумма размагничивающего действия поперечной составляющей реакции якоря и продольной составляющей реакции якоря

Fря = Fqd Fd .

Возбуждение машин постоянного тока может быть независимым, параллельным, последовательным или смешанным. В зависимости от вида возбуждения на основных полюсах имеется одна или две обмотки возбуждения, создающие МДС Fн. В данном случае система возбуждения носит электромагнитный характер, то есть машины выполняются с электромагнитным возбуждением. Кроме того, существуют системы возбуждения на основе постоянных магнитов. В этом случае машины выполняются с магнитоэлектрическим возбуждением или с возбуждением от постоянных магнитов. Иногда применяются комбинированные системы возбуждения.

При независимой системе возбуждения обмотка возбуждения питается от постороннего источника постоянного тока и ток возбуждения не зависит от режима работы и нагрузки машины. Генераторы с независимой системой возбуждения допускают регулирование напряжения практически от нуля до номинального. Изменение напряжения при увеличении нагрузки определяется только размагничивающим действием реакции якоря и увеличением падения напряжения на сопротивлении якорной цепи.

Ток параллельной обмотки возбуждения генераторов с самовозбуждением меняется в зависимости от напряжения на выводах

генератора и уменьшается с ростом нагрузки из-за размагничивающего действия реакции якоря, что в свою очередь приводит к добавочному увеличению падения напряжения. За счет этого номинальное падение напряжения генераторов с параллельным возбуждением больше, чем генераторов с независимым возбуждением.

Вдвигателях параллельного возбуждения размагничивающее действие реакции якоря может вызвать неустойчивую работу, так как уменьшение потока с ростом нагрузки из-за действия реакции якоря при малом суммарном сопротивлении якорной цепи приводит к увеличению частоты вращения двигателя. Поэтому в большинстве двигателей средней и во всех двигателях большой мощности помимо параллельной устанавливается последовательная обмотка возбуждения, стабилизирующая магнитный поток и придающая устойчивость механической характеристике, то есть используется смешанная система возбуждения.

Вгенераторах со смешанной системой возбуждения при согласном включении параллельной и последовательной обмоток поток стабилизируется, так как размагничивающее действие реакции якоря компенсируется изменением МДС последовательной обмотки, пропорциональным току нагрузки. Последовательную обмотку таких машин называют стабилизирующей. Номинальное падение напряжения генераторов со стабилизирующей обмоткой мало. Некоторые генераторы выполняются со стабилизирующей обмоткой, при которой обеспечивается равенство номинального напряжения напряжению холостого хода. При встречном включении параллельной и последовательной обмоток возбуждения напряжение на выводах генератора резко падает с увеличением тока нагрузки. Такие системы возбуждения находят применение в сварочных генераторах постоянного тока.

Механические характеристики двигателей с последовательным возбуждением имеют специфический "падающий" характер. Двигатели с последовательным возбуждением используются в приводах, требующих больших пусковых моментов и устойчивой работы при малых частотах вращения.

При независимом, параллельном или последовательном возбуждении на главных полюсах имеется только одна обмотка возбуждения, которая

должна создать полную МДС Fн, необходимую для образования основного магнитного потока при нагрузке машины.

При смешанном возбуждении на главных полюсах находятся две обмотки возбуждения - параллельная и последовательная. В зависимости от вида необходимых механических характеристик преобладающей является либо параллельная, либо последовательная обмотка. Эти обмотки совместно

создают полную МДС Fн, необходимую для образования основного магнитного потока при нагрузке машины.