вследствие |
быстрого |
изменения |
тока, и |
коммутирующая |
э. д. с. ек, |
наводимая |
в секции |
за счет |
пересечения ре |
зультирующего поля или поля добавочных полюсов.
Кроме |
того, в секции |
может |
возникнуть э. д. |
с. взаимо |
индукции |
ем, увеличивая |
обычно |
реактивную |
з. |
д. с. |
ер = еь |
+ еш и тем самым |
ухудшая |
коммутацию. |
|
Таким |
образом, для узлов Л и В коммутируемой сек |
ции |
(рис. 17.18,6) |
могут быть написаны следующие урав |
нения |
по первому |
и второму |
законам |
Кирхгофа: |
|
|
|
|
|
и = |
I + |
і; |
и = / — і; |
|
(17.29) |
|
|
|
|
1 |
|
_1 . |
|
• |
|
|
|
|
|
|
Єр І &к — НГ1 |
V 2 ) |
|
|
|
где |
гх |
и г2—сопротивления |
|
контакта |
щетки |
под |
набе |
|
|
|
гающей и сбегающей |
коллекторными |
пла |
|
|
|
стинами. |
|
|
|
|
|
|
|
Решая |
совместно уравнения |
(17.29), получим |
|
|
|
|
i = jli=rL |
+ |
lE±lL. |
|
(17.30) |
Переходные сопротивления гх и Г2 обратно пропор циональны площадям касания щетки с коллекторными пластинами, и если учесть, что эти площади изменяются пропорционально времени коммутации, то получим:
|
|
„ |
«. |
|
|
|
Тк |
, |
|
|
|
|
|
'1 |
' Ш |
<J |
' Ш. f |
f > |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
" |
|
|
(17.31) |
|
|
|
у |
у |
° Щ |
у |
' К |
|
|
|
|
где |
|
|
'2 |
' щ |
<j2 |
' щ |
£ ) |
контакта всей по |
— сопротивление |
переходного |
|
верхности щетки; |
|
|
|
|
|
|
|
Тк—период |
|
коммутации, т. е. |
время |
замыкания |
|
щеткой |
секции; |
|
|
|
|
|
|
|
/—промежуток |
времени от начала |
коммутации. |
ние |
Подставляя |
полученные |
значения |
гх |
и г2 |
в уравне |
(17.30), найдем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
і = і ! і _ 2 -L |
) |
|
(Тк |
— t) t. |
(17.32) |
|
Очевидно, если |
коммутирующая э. д. с. ек |
будет рав |
на |
реактивной |
э. д. с. ev |
и направлена |
навстречу |
ей, то |
вторая составляющая |
коммутационной силы |
тока |
будет |
равна нулю и сила тока будет изменяться по линейному закону
|
|
' - / ( |
1 - 2 i ) = ' - |
(17.33) |
|
|
|
|
В |
этом |
случае сила |
тока линейной |
коммутации |
і л |
(рис. |
17.19, а) в секции |
будет изменяться только в зави |
симости от |
сопротивления щеточного |
контакта. В |
ре- |
Рис 17.19. Кривые изменения |
тока и сопротивления коммутацион |
ного |
контура |
зультате плотность тока по всей площади будет одина ковой. В этом случае коммутация • наиболее благо приятна.
Если же е к ^ е р , то под действием алгебраической суммы этих э. д. с. в секции возникнет добавочная сила тока
|
4 = |
^ ^ |
, |
где |
Ra= |
(Тк~9( |
. |
(17.34) |
В |
начале |
коммутации, |
когда |
/ = 0, Ищ=оо |
и |
іц |
= 0. |
В середине коммутации, |
когда |
t = TK/2, / ? щ = 4 г щ |
и t'K |
до |
стигнет максимума, |
а в |
конце |
коммутации, |
когда |
t=TK, |
Ящ=оо |
и і к = 0. |
На |
рис. 17.19,6, в показаны |
кривые |
этих |
изменений. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
13* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
371 |
При е к < е р добавочная сила тока 1К, накладываясь на силу тока линейной коммутации (л , будет задерживать изменение силы тока в секции и она сначала будет изменяться медленнее (кривая /, рис. 17.19, г), чем при линейной коммутации. Такой процесс изменения силы
тока в коммутируемой секции |
называется |
замедленной |
криволинейной |
коммутацией. |
Она характеризуется не |
равномерным |
распределением |
тока под щеткой. Так, под |
сбегающим краем щетки плотность тока будет больше,
чем под набегающим. Это приведет к искрообразованию |
на коллекторе и при малой |
степени |
компенсации сделает |
невозможной |
нормальную |
работу |
машины. |
При |
е к > е р |
изменение силы тока в коммутируемой |
секции |
будет проходить по кривой 3 (рис. 17.19, г) и опе |
режать изменение силы тока линейной коммутации, т. е. будет иметь место ускоренная криволинейная коммута ция. Объясняется это тем, что добавочный ток будет уве
личивать плотность |
тока под набегающим |
краем щетки |
и уменьшать ее под |
сбегающим, создавая |
неравномер |
ную плотность тока. Это также приводит к искрообразо
ванию на коллекторе и при большой степени компенса |
ции вызывает ненормальную работу машины. |
Таким образом, основной причиной плохой коммута |
ции в машинах постоянного тока |
является добавочный |
ток коммутации. Сила этого тока |
определяется величи |
ной суммарной э. д. с. е = е р + е к и в основном сопротив |
лением переходного контакта и щетки гщ , т. е. |
iK=sJipL. |
(17.35) |
Отсюда следует, что уменьшить |
силу тока /к , а следо |
вательно, улучшить коммутацию можно уменьшением суммарной э. д. с. е = е р + е к ' и л и увеличением сопротив ления Гщ. Величина г щ зависит от технических данных щеток. Очевидно, выгоднее применять твердые щетки с большим удельным сопротивлением, например угольнографитные. Однако такие щетки допускают пониженную плотность тока в щеточном контакте, что требует увели чения поверхности коллектора и, следовательно, увеличе ния габаритов машины. Поэтому твердые щетки приме няют только в машинах высокого напряжения. Для боль шинства машин наиболее приемлемыми являются электрографитированные щетки. Меднографитные щетки
имеют наименьшее удельное сопротивление, а поэтому они применяются только в машинах пониженного напря жения.
Уменьшение э. д. с. в коммутируемой секции наибо лее эффективно достигается путем создания коммути рующей э. д. с, равной по величине и противоположной по направлению реактивной э. д. с. {ек ——ер). В этом случае / к = 0 и процесс коммутации протекает по линейно му закону. Для этого в машинах постоянного тока уста навливают добавочные полюса, которые компенсируют реакцию якоря и создают нужные коммутирующие э. д. с. в секциях обмотки якоря. Обычно м. д. с. добавочных
полюсов |
берут на 15—30% |
больше м. д. с. якоря. |
Помимо коммутационных |
причинами искрения на кол |
лекторе |
могут быть: а) механические — неровная по |
верхность коллектора, вибрация щеточного аппарата, неправильное расположение и давление щеток и пр.; б) потенциальные, вызываемые неравномерным распре делением напряжения на коллекторе, — между соседни ми пластинами, находящимися под краем полюса; напря
жение может достигнуть больших значений, |
особенно |
при переменной нагрузке, что может вызвать |
проскаки- |
вание искр между пластинами и даже перекрытие их дугой.
§ 17.10. МОЩНОСТИ, ПОТЕРИ И К П Д . МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА
При работе машин постоянного тока имеют место следующие основные виды потерь:
а) механические рм от трения вала в подшипниках, щеток о коллектор, вращающихся частей о воздух; эти потери определяются по эмпирическим формулам или экспериментально;
б) магнитные рс от вихревых токов и гистерезиса, вычисляемые для определенной части машин по фор муле '
где k0 — опытный коэффициент, учитывающий влия ние сборки и обработки стали, равный 1,7—4,0 для машин постоянного тока;
|
|
|
|
|
РУ—удельные |
потери, |
равные |
2-^3,6 Вт/кг при |
5 = 1 Т и / = 50 Гц, зависящие от сорта и |
толщины |
листов |
стали; |
|
/ — ч а с т о т а "перемагничивания |
стали; |
р —г коэффициент, |
равный для |
слаболегирован |
ных и среднелегированных сталей 1,4-М,6, |
для высоколегированных— 1,2-7-1,3; |
В, О—соответственно |
расчетная индукция и масса |
в килограммах |
данной части машины; |
в) электрические рэ от нагревания обмотки якоря, добавочных полюсов, а также потери на возбуждение и в щетках; электрические потери определяются по формуле
|
|
P3 |
= |
rJl |
|
+ UBIB |
+ |
AUJ, |
(17.37) |
где |
гя , |
/ я — полное |
сопротивление |
цепи якоря и |
сила |
|
|
тока |
в ней; |
|
|
|
|
|
|
^ в . |
4 — напряжение |
и сила |
тока цепи |
возбужде |
|
|
ния; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
АС7Ш — переходное |
падение |
напряжения |
на |
пару |
|
|
щеток, обычно равное 2 В; |
|
|
г) |
добавочные |
рл, обусловленные вибрацией |
вращаю |
щихся частей, неравномерным |
распределением |
индукции |
и пульсацией потока, а также неравномерным |
распреде |
лением |
плотности |
тока |
в отдельных |
элементах |
машины; |
рЛ = 0,01 Ря = 0,01 |
с/н/в. |
|
|
|
|
|
|
|
Таким образом, полные потери в машине постоянного |
тока |
могут быть выражены следующей формулой: |
|
|
|
'Ер=Рм |
|
+ Рс |
+ Р э + Р а . |
(17.38) |
Механические и магнитные потери практически не за висят от нагрузки машины, поэтому их сумму принято называть потерями холостого хода. Электрические же потери пропорциональны квадрату силы тока якоря и вызывают нагрев машины. Поскольку нагрев возможен до определенной температуры, то электрические потери определяют величину допустимой силы тока, а следова тельно, и мощность машины. Мощность машины, опре деляемая условиями допустимого нагрева, называется номинальной мощностью. За номинальную мощность ге нераторов принимается электрическая мощность на за-
жимах машины, а для электродвигателей — механиче ская мощность на валу, выраженная в электрических единицах измерения.
М о щ н о с т ь и к. п. д. г е н е р а т о р о в
Мощность, развиваемая генератором, называется
электромагнитной мощностью. Она характеризует ско
рость преобразования механической энергии в электри ческую и определяется произведением силы тока генера тора / я и его э. д. с. Е, т. е.
Р 9 М = |
£ / Я . |
|
(17.39) |
Мощность, отдаваемая |
генератором |
во |
внешнюю |
цепь, называется полезной |
мощностью. |
Эта |
мощность |
определяется произведением напряжения на зажимах ге
нератора U и силы тока во внешней |
цепи /, т. е. |
Р = 67. |
(17.40) |
Отношение полезной мощности генератора к подво димой называется коэффициентом полезного действия
генератора, т. е.
где Pi — механическая мощность, подводимая к генера тору от первичного двигателя.
К. п. д. генератора — величина непостоянная, он ме няется при изменении нагрузки, достигая максимума при нагрузках от 75 до 100% номинальной. К- п. д. генера торов малой мощности достигает 75—85%, генераторов средней мощности 85—92% и генераторов большой мощ ности 92—97%.
М о щ н о с т ь и к . п . д . |
э л е к т р о д в и г а т е л я |
Мощность, потребляемая электродвигателем из сети, |
определяется |
формулой |
|
|
|
|
Л = |
С//, |
(17.42) |
где U — напряжение |
на зажимах |
электродвигателя; |
/ — с и л а |
тока, |
потребляемая |
электродвигателем из |
сети. |
|
|
|
|
Полезная мощность Р, развиваемая электродвигате лем на валу, меньше потребляемой мощности на вели чину потерь в электродвигателе. Поэтому к. п. д. элек тродвигателя, представляющий отношение полезной мощности к потребляемой, равен
П = 4- = |
^ - |
= 1 |
(17.43) |
Р^ |
Р+ИР |
Р + ^ Р |
' |
К. п. д. современных электродвигателей постоянного тока колеблется от 75 до 95% в зависимости от мощно сти, причем с увеличением мощности электродвигателя к. п. д. увеличивается.
ГЛАВА ВОСЕМНАДЦАТАЯ
ГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
§ 18.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Электрические генераторы постоянного тока в зависи мости от способа возбуждения делятся на две группы: генераторы независимого возбуждения и генераторы с самовозбуждением. В первых обмотка возбуждения пи тается от постороннего источника, в частности от акку муляторной батареи или от генератора постоянного тока небольшой мощности — возбудителя. В генераторах с са мовозбуждением питание цепи возбуждения осущест вляется от самого генератора. У генераторов независи мого возбуждения цепь возбуждения и цепь якоря элек трической связи не имеют, а у генераторов с само возбуждением цепи электрически соединены между собой.
Генераторы с самовозбуждением по способу соеди нения обмоток возбуждения делятся на генераторы па раллельного, последовательного и смешанного возбужде ния. На рис. 18.1 изображены принципиальные схемы генераторов постоянного тока.
Очевидно, что каждый генератор рассчитан на опре деленный режим работы. Такой режим работы характе ризуется номинальной мощностью, номинальным напря жением, номинальной силой тока, номинальной частотой вращения и т. д., которые обычно указываются на щит ке генератора.
Основные величины, определяющие работу генерато ров, зависят друг от друга. Эта зависимость устанавли вается с помощью характеристик, которые обычно изо-
бражаются в виде кривых. Наиболее важные характери стики генераторов следующие.
1. Характеристика холостого хода, представляющая собой зависимость э. д. с. генератора от силы тока воз буждения при постоянной частоте вращения и разомкну
той внешней |
цепи, т. е. E — f(iB) |
при п. = |
const |
и / = 0. |
2. |
Внешняя |
характеристика, |
представляющая |
зависи |
мость |
напряжения на зажимах |
генератора |
от силы тока |
Рис. 18.1. Принципиальные схемы генераторов постоянного тока
нагрузки при постоянной частоте вращения и неизменном
сопротивлении |
цепи |
возбуждения, т. е. |
£/ = / ( / ) при |
п — const и rB |
— const. |
представляющая |
3. Регулировочная |
характеристика, |
собой зависимость силы тока возбуждения от силы тока нагрузки при постоянном напряжении и постоянной ча
стоте |
вращения, т. е. iB—f{I) |
при n==const и L/=const. |
Основные характеристики позволяют в наглядной |
форме |
производить анализ |
свойств генераторов, которые |
в основном определяются |
способом возбуждения ма |
шины. |
|
|
§ 18.2. ГЕНЕРАТОР НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
Генератор постоянного |
тока, обмотка |
возбуждения |
которого не соединена с якорем, называется |
генератором |
независимого |
возбуждения. |
На |
рис. 18.2 |
приведена |
его |
принципиальная электрическая |
схема, где |
обозначены: |
Я — якорь; |
ОВ — обмотка |
возбуждения; |
гр |
— регулиро |
вочный реостат, служащий |
для |
изменения |
силы |
тока |
возбуждения. Внешняя цепь представлена в виде г н на грузочного резистора.
Для возбуждения генератора необходимо пустить первичный двигатель в ход и развить номинальную ча стоту вращения. Затем, замкнув цепь возбуждения и из меняя силу тока в ней с помощью регулировочного рео
Рис. 18.2. Схема генератора незави
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
симого возбуждения |
|
|
|
|
|
стата, довести напряжение до U0= (1,1 |
1,25) |
Un. |
При |
этом сила тока возбуждения определяется |
формулой |
где г о в |
+ гр —сопротивление цепи возбуждения, |
вклю |
|
чающее |
сопротивление |
обмотки |
возбуж |
|
дения и |
сопротивление |
регулировочного |
|
реостата. |
|
|
|
|
|
|
При |
разомкнутой |
внешней цепи генератор |
|
работает |
вхолостую, и поэтому напряжение на его зажимах |
равно |
э. д. с , т. е. Uo = E. |
Характеристика холостого |
|
хода изо |
бражена |
на рис. 18.3. При увеличении |
силы |
тока |
воз |
буждения получим |
восходящую ветвь |
характеристики, |
а при уменьшении — нисходящую. Разница |
в |
значениях |
ординат |
восходящей |
и нисходящей ветвей |
при |
|
одинако- |
