Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы электротехники. Учебное пособие для СПО
.pdf
вивает максимальный вращающий момент. Если проводник пе
реходит от одного полюса к другому полюсу, то и щетки, и кол
лектор производят переключение направления тока, проходяще
го по проводнику. За счет этих переключений направление
вращающего момента сохраняется постоянным.
4. Реакция якоря
Реакция якоря — воздействие намагничивающей силы якоря
на магнитное поле машины. Реакция якоря чаще всего признает
ся нежелательным явлением, которое искажает основное магнит
ное поле и ухудшает условия работы машины. Поэтому при кон
струировании машины стремятся уменьшить влияние реакции
якоря.
При прохождении тока по обмотке возбуждения (
I
я
= 0) маг
нитное поле машины является симметричным относительно оси
сердечников полюсов и под полюсами почти равномерно. На ри
сунке 92а схематически показано поле двухполюсной (
р = 1) ма
шины.
Рис. 92. Магнитное поле машины
Геометрической нейтралью n – n′ называется линия, которая
перпендикулярна оси полюсов и разделяет на дуге якоря север
ный и южный полюсы. Геометрическая нейтраль является физи
ческой нейтралью, т. е. линией, которая проходит через такие
точки окружности якоря, где магнитная индукция равна нулю.
В момент прохождения тока по обмотке якоря он становится
электромагнитом (рис. 92б) с направлением оси по оси щеток.
Ось поля якоря направлена перпендикулярно относительно оси
131
n
n
n
n′
n′
n′
S
N
m′
m
S
S
а)
б)
поля главных полюсов. При таких условиях поле якоря является
поперечным.
Если нагрузить машину, реакция якоря воздействует на основ
ное поле и создает результирующее поле. Характер этого поля
изображен на рисунке 92в. В машине поток смещается в направ
лении ее вращения в генераторном режиме или против — в двига
тельном режиме. В этом случае поток распределен несимметрич
но относительно оси полюсов. Он ослабляется у одного края
и усиливается у другого. При этом под влиянием реакции якоря
физическая нейтраль
m – m′ сместится относительно геометриче
ской нейтрали и щетки.
Для того чтобы ослабить реакцию якоря в машинах, увеличи
вают магнитное сопротивление на пути потока якоря. Это обес
печивается созданием относительно большого воздушного зазора
между якорем и полюсными наконечниками, а также выбором
сечения зубцов якоря таким образом, чтобы увеличить их индук
цию. При дальнейшем увеличении индукции происходит воз
растание магнитного сопротивления зубцов, что соответствует
увеличению воздушного зазора на пути потока якоря. Но для под
держания необходимого полезного потока в машине нужно соот
ветственно увеличить намагничивающие силы главных полюсов,
т. е. увеличить габариты и массу машины.
Еще одним способом уменьшения смещения физической нейтрали
изза реакции якоря является снабжение машины дополнитель
ными полюсами, которые необходимы и для улучшения комму
тации. Их устанавливают на станине машины по линии геоме
трической нейтрали (рис. 93).
Обмотки этих полюсов соединяют через щетки последователь
но с обмоткой якоря. При этом направление намагничивающей
силы дополнительных полюсов должно быть противоположно
направлению намагничивающих сил
реакции якоря, т. е. дополнительные
полюсы экранируют поле реакции яко
ря в небольшой зоне коммутируемых
секций. Благодаря этому предупрежда
ется смещение физической нейтрали
относительно геометрической.
Так как намагничивающую силу до
полнительных полюсов создает ток
якоря, компенсация реакции якоря
132
Рис. 93. Устройство
дополнительных полюсов
N
S
S
N
происходит при любых нагрузках машины, при этом важно, что
бы магнитная цепь дополнительных полюсов не была насыщена.
Когда машина работает в режиме генератора, дополнительные
полюсы должны иметь полярность тех главных полюсов, на кото
рые набегает якорь, а при работе в режиме двигателя — поляр
ность тех полюсов, изпод которых якорь выбегает.
С помощью дополнительных полюсов не устраняются созда
ваемые реакцией якоря неравномерное распределение индукции
под полюсами и уменьшение полезного потока. В крупных маши
нах значительное повышение индукции под полюсами приводит
к перекрытию изоляционного промежутка между пластинами
коллектора и вызывает круговой огонь. Для предупреждения та
кой аварии нужно полностью компенсировать реакцию якоря.
Для этого применяют компенсационные обмотки К (рис. 94).
Рис. 94. Размещение компенсационной обмотки
в пазах полюсных наконечников
При вращении якоря его магнитный поток остается непо
движным относительно станины машины. Поэтому можно ком
пенсировать действие намагничивающей силы якоря действием
неподвижной обмотки, которую размещают в пазах, выполнен
ных в расширенных полюсных наконечниках главных полюсов.
Компенсационную обмотку соединяют последовательно с яко
рем, и каждый ее стержень образует со стержнем обмотки якоря,
который находится под стержнем, бифилярную систему, магнит
ное поле у которой почти отсутствует.
Компенсационную обмотку дополняют действием дополни
тельных полюсов, так как вместе они практически полностью
компенсируют реакцию якоря. Но наличие компенсационной
обмотки удорожает машину и увеличивает потери в ней.
133
K
K
5. Коммутация в машинах постоянного тока
Под щетками на коллекторе происходит искрообразование,
способное вызвать быстрое разрушение коллектора изза высокой
температуры искры, которая способна разрушить металлы и спла
вы. Поэтому для увеличения срока службы машины постоянного
тока необходимо устранить искрение под щетками, так как искры
быстро разрушают пластины коллектора и щетки.
Среди причин искрообразования
можно выделить механические и элект
рические. Среди механических причин
основной является ухудшение контак
та коллектора со щетками, что возни
кает вследствие неровности коллекто
ра, дрожания щеток и т. п.
Электрической причиной являет
ся неудовлетворительная коммута
ция. Коммутация — это совокупность
явлений при изменении направления
тока в секциях обмотки якоря в тече
ние замыкания щетками этих секций
накоротко.
Когда пластины коллектора с при
соединенными к ним концами сек
ции замкнуты щеткой накоротко,
секция переходит из одной парал
лельной ветви обмотки в другую.
Процесс коммутации можно рассмо
треть на примере обмотки кольцевого
якоря (рис. 95). Отрезок времени,
когда секция обмотки вращающегося
якоря замыкается щеткой, называет
ся периодом коммутации
Т. В тече
ние этого времени сила в секции из
меняет направление на противоположное (
с + I до – I).
С увеличением скорости вращения якоря и с уменьшением
ширины щетки
b
щ
период коммутации уменьшается:
где vК— круговая скорость коллектора.
щ
К
,
b
Tv=
134
Рис. 95. Начало, середина
и конец коммуникотироваo
ния секции обмотки
Электриче
ская дуга
2i
i
i
a
c
b
C
A
B
a
c
b
a
c
b
C
A
B
C
A
B
2i
2i
i
i
Начало коммуникации секции В
Середина коммуникации секции В
Если бы в секции коммутирования не происходило индукции,
то процесс коммутации тока в секции был бы определен только
соотношениями переходных сопротивлений контактов щетки
с двумя пластинами коллектора. Одна пластина постепенно уходит
изпод щетки, а вторая заходит под нее. Будем считать, что шири
на щетки не превышает ширины одной коллекторной пластины,
и не будем учитывать малые сопротивления проводников, кото
рые соединяют обмотку якоря с коллектором.
В процессе коммутации щетка прикасается к двум пластинам
коллектора, образуя два переходных сопротивления. Каждое из
этих сопротивлений больше сопротивления контакта щетки
R
щ
,
так как площадь соприкосновения щетки с пластиной не больше,
чем в случае, когда щетка стоит на одной пластине, а переходное
сопротивление обратно пропорционально площади контакта. По
лучаем, что переходное сопротивление
R
1
в контакте с пластиной,
которая уходит изпод щетки, возрастает в процессе коммутации
и достигает бесконечности в конце периода коммутации. Если
обозначить время, которое протекает с момента начала коммута
ции
t, получим:
При этом переходное сопротивление в контакте второй плати
ны будет уменьшаться:
Ток
I, который поступает в щетку из обмотки якоря, должен
распределяться между двумя коллекторными пластинами, учиты
вая величины их переходных сопротивлений:
По первому закону Кирхгофа ток секции, в которой происходит
процесс коммутации,
i = i
1
– I.
(
)
12
21
.
iR
Ttt
iR
==−
щ
2
.
RT
Rt=
щ
1
.
RT
R
Tt=−
135
При этом ток, который уходит через щетку в процессе коммута
ции, определяется как сумма токов, которые проходят через два
переходных контакта щетки:
2
I = i
1
+ i2.
Получаем выражение:
Ток в коммутируемой секции будет определяться выражением:
В момент времени
t = 0 получаем i = I, в момент времени t = Т
(конец коммутации) получим i = –I.
Если в обмотке якоря 2а параллельных ветвей, по каждой из
которых протекает ток I, сила тока коммутируемой секции будет
определяться выражением:
Отсюда ясно, что в рассматриваемых условиях сила тока в ком
мутируемой секции прямо пропорциональна времени (рис. 95а).
Рис. 95. Линейная и замедляющая коммутации
Такой вид коммутации называется прямолинейной, или рав
номерной, коммутацией. При таких условиях плотность тока под
всей щеткой одинакова и не изменяется во время коммутации,
вследствие чего отсутствуют коммутационные причины искрения.
я
2
.
2
ITt
i
аT
−
=×
(
)
(
)
22
.
IT t IT t
iI
TT
−−
=−=
(
)
1
2.IT t
i
T
−
=
1
2;
iT
I
Tt=−
136
Т
Т
–I
я
/ 2а
–I
я
/ 2а
+I
я
/ 2а
+I
я
/ 2а
e
r
e
k
а)
б)
При реальных условиях щетка перекрывает более двух коллек
торных пластин, однако это фактически не меняет линейного ха
рактера процесса коммутации, если в коммутируемой секции нет
индуктированных э. д. с.
Но возникновения э. д. с. самоиндукции в коммутируемых
секциях избежать невозможно. Витки секций находятся в пазах
сердечника якоря, поэтому секция обладает значительной индук
тивностью
L, следовательно, при изменении силы тока в процес
се коммутации в секции индуктируется некоторая э. д. с. самоин
дукции
e
L
. К данной э. д. с. прибавляется э. д. с. взаимной
индукции
е
М
, образовывающаяся при изменении силы тока в со
седних секциях, которые коммутируются одновременно. По пра
вилу Ленца эти э. д. с. противодействуют изменению силы тока,
т. е. задерживают это изменение. Результирующую э. д. с., которая
индуктируется при изменении силы тока, называют реактивной
э. д. с.:
e
P
= eL+ eM.
Если выразить ее как э. д. с. самоиндукции, используя некото
рую индуктивность секции
L
0
, получим выражение:
Данная э. д. с. задерживает изменение тока (рис. 94б) и замед
ляет коммутацию в течение большей части периода. Однако
в конце периода при уходе пластины изпод щетки сила тока сек
ции будет равна , т. е. в конце периода ускоренное изме
нение силы тока в секции вызывает увеличение реактивной э. д. с.
При этом плотность тока под щеткой будет сильно возрастать
у края пластины, выходящей изпод щетки, что может привести
к сильному нагреванию краев щетки и пластины коллектора.
По этим причинам могут возникнуть миниатюрные электриче
ские дуги под щеткой со стороны уходящей пластины коллектора.
Для ослабления вредного действия реактивной э. д. с. нужно
противопоставить ей другую индуктируемую э. д. с., которую на
я
2Iа
−
d
.
d
р
i
еL
t
=−
137
зывают коммутирующей э. д. с. ек, т. е. условие идеальной комму
тации выглядит так:
e
P
+ eK= 0.
Коммутирующую э. д. с. создают посредством движения вит
ков коммутируемой секции во внешнем магнитном поле. Чаще
всего
е
к
образуется магнитными полями дополнительных полю
сов машины Ф
д.п
, следовательно,
Изменение нагрузки машины приводит к изменению реак
тивной э. д. с., которая пропорциональна току якоря. Однако из
меняется и коммутирующая э. д. с., так как обмотка дополнитель
ных полюсов также соединяется с якорем, т. е. изменение
нагрузки не нарушает компенсации
е
р
и ек.
При условии
е
к
> ернаблюдается ускоренная коммутация, ко
торая возникает при усилении поля дополнительных полюсов,
при увеличении числа витков их обмоток. Такую коммутацию
применяют в машинах, которые работают в особо тяжелых усло
виях.
6. Генератор независимого возбуждения
В случае независимого возбуждения цепь
возбуждения и цепь якоря генератора являют
ся электрически разделенными (рис. 96),
поэтому ток возбуждения и напряжение ге
нератора (а следовательно, и нагрузка) неза
висимы. Это позволяет регулировать магнит
ный поток вместе с напряжением генератора
в достаточно широких пределах. Регулировку
осуществляют введением в цепь возбуждения
регулировочного реостата
R
ш
. Схему вклю
чения и конструкцию реостата выбирают
исходя из того, чтобы ток возбуждения не пре
рывался, так как обмотка возбуждения, обла
дающая большой индуктивностью, при раз
СД.П
к
dФ
.
dеt
ω
=−
138
Рис. 96. Соединение
генератора
независимого
возбуждения
I
я
I
в
Я
А
V
А
U
ω
r
ш
E
в
мыкании ее цепи тока может индуктировать большую э. д. с. само
индукции, которая опасна для целости изоляции обмотки возбуж
дения и может вызвать значительное искрообразование между
размыкаемыми контактами.
Мощность, которая необходима для цепи возбуждения, состав
ляет 1—3% от номинальной мощности генератора. Это позволяет
экономично осуществлять регулирование работы генератора.
В результате изменения силы тока возбуждения изменяется
главный магнитный поток и пропорциональная ему э. д. с.:
E
я
= СEФn.
Зависимость э. д. с. от силы тока возбуждения при условии
разомкнутой цепи якоря (
I
я
= 0) и постоянства частоты враще
ния
n = const является характеристикой холостого хода (Е
я
=
=
F
я(Iя
)). При переведении ее в другой масштаб может получить
магнитную характеристику.
Если цепь возбуждения разомкнута (
I
в
= 0) и якорь продол
жает вращение, то E
я
≠ 0 вследствие того, что в массивной станине
генератора от имеющейся ранее работы сохранилась определен
ная остаточная индукция. Когда якорь вращается в поле остаточ
ной индукции, его обмотка ин
дуктирует небольшую э. д. с.
Е
я0а
.
Для снятия характеристики
холостого хода необходимо по
дать напряжение на обмотку
возбуждения, после чего посте
пенно увеличивать силу тока
возбуждения до максимально
допустимых значений, замеряя
получившиеся значения э. д. с.
Таким образом, получим восхо
дящую ветвь характеристики
(рис. 97).
После этого постепенным понижением силы тока возбужде
ния получаем нисходящую ветвь характеристики. Ее расположе
ние немного выше расположения восходящей ветви, так как про
является возросшее влияние гистерезиса.
При выключении возбуждения остаточный магнетизм и э. д. с.,
соответствующая ей (Е
я0а
), будут намного больше, чем в предыду
139
Рис. 97. Характеристика
холостого хода
а
I
в
%
150100
50
0
Е
я
0
%
100
80
60
40
20
щих условиях. Однако данный остаточный магнетизм является
неустойчивым, и спустя определенное время после отключения
возбуждения индуктируемые им поток и э. д. с. уменьшаются до
величин, которые имели место при начальных условиях (
Е
я0а
).
Таким образом, характеристика холостого хода имеет форму
петли, что вызвано наличием стали в магнитной цепи машины.
В верхней части характеристика холостого хода значительно
загибается в сторону оси абсцисс.
Данный участок характеризует насыщение стали машины. Ча
ще всего генераторы постоянного тока работают в условиях, ко
торые соответствуют насыщенной части данной характеристики.
Изза возникающего насыщения напряжение генератора меньше
реагирует на изменения нагрузки вследствие ослабления влияния
реакции якоря на основной поток и э. д. с. машины.
Еще одной важной характеристикой генератора служит зави
симость напряжения
U от силы тока якоря I
я
при условии, что со
противление цепи возбуждения
R
в
и частота вращения n не изме
няются.
Данная зависимость имеет название внешней характеристики.
Для получения данной характеристики необходимо нагрузить ге
нератор до номинального тока
I
ном
в условии номинального на
пряжения на зажимах генератора. Для установления напряжения
применяют регулирование силы тока возбуждения
I
в
. После этого
постепенно уменьшают ток якоря до нуля без изменения сопро
тивление цепи возбуждения.
У генератора независимого возбуждения при этом ток возбуж
дения изменяться не будет.
Напряжение на зажимах цепи якоря генератора не превышает
его э. д. с., так как присутствуют потери напряжения в сопротив
лении обмотки якоря
R
я
и переходном контакте щеток и коллек
тора:
U = E
я
– I
яRя
.
Зависимость U= F (Iя) была бы прямой при постоянстве э. д. с. Ея.
Однако полезный поток машины при увеличении нагрузки уме
ньшается под действием реакции якоря, при этом пропорцио
нально уменьшается и э. д. с. Е
я
. Результатом является то, что внеш
няя характеристика изгибается в сторону оси абсцисс. По внешней
характеристике можно определить номинальное изменение на
140
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]