Elektrotehnika_i_elektronika_2008
.pdf161 Глава 2. Электромагнитные устройства и электрические машины
N0
Теометри- |
® |
е |
._; |
Теометри- |
кеская' |
|
.:. ., . кеская |
||
нейг.гкраль е 1 |
|
|
, е нeйтрaль |
|
^►
Рис' 2.39. Модель якоря двухполюсной машины _и схема его обмотки
B результате такой установки щеток и соединения :их c внешней цепью обмотка якоря по отношению к его зажимам оказывается разделенной на параллельно соединенные ветви c одинаковыми
суммарными ЭДС Е и сопротивлениями Ro. из схематически изображен'kой на рис. 2.40' обмотки якоря. видно, что 'ЭДС якоря Е рав-
на суммарной ЭДС любой .из параллельно соединенных ветвей. Внутреннее сопротивление обмотки якоря А я вн — это эквивалент-
своими сопротивлениями Ra. Обычно это |
|
сопротивление мало (от долей Ома y круп- |
. RQ |
ных машин до единиц Ом y неболь лих) На |
|
электрических схемах за сопротивление |
|
якоря Ая принимают суммарное внутреннее |
|
сопротивление обмотки якоря, щеток и пе- |
|
реходцого сопротивления щетки коллек- |
|
тор. |
|
На эJiектрическйх схемах якорь машины |
|
постоянного тока изображают условно в виде |
= Е |
окружности c двумя. диаметрально располо- |
|
женньУми щетками (рис. 2.41, а), а обмотку . . |
"— |
возбужденйя — как индуктивный .элемент : |
рис. 2.40. Схема замеще- |
(рис. 241, б). Этими. же графическими сим |
ния обмотки якоря с |
волами изображают на схемах .в. целом и |
двумя параллельными |
электрическую машину постоянного тока . ветвями
Ь. Электротехника ♦ 1 электронака. Уч. ю.
. Электротехника u эл. ектроника, . |
162 |
а
Рис. 2.41. графическое изображение якоря и обмотки возбуждения
2.2.5.Электродвижущая сила
иэлектромагнитный момент машины
При вращении, обмотки якоря в магнитном полё главных полю– сов в активных ,сторонах ее секций, как указывалось; будут наво диться ЭДС. Среднее значение этой ЭДС для стороны секции, проходящей в зоне .одного полюса,
е^р = В^р 1 v = Ф 1v v Ф,
где Вер — среднее значение магнитной индукции в воздушном зазоре одного полюса; l -- длина якоря или стороны секции обмотки якоря; v -- линейная скорость пересечения линий магнитного поля или вращения якоря; 'г —. полюсное деление; Ф -- магнитный поток
одного полюса.
ЭДС машигны, как было показано, равна ЭДС одной параллельной ветви, поэтому, если обмотка. якоря имеет N активных сторон своих секций, .то ее ЭДС
|
,Е' — |
N v . |
|
N |
, |
(8) |
|||||
|
|
, |
= — Ф |
2 |
а |
||||||
|
|
|
е 2a |
|
ti |
|
|
- |
|||
где 2а -- число параллельных ветвей обмотки якоря: |
|||||||||||
Учитывая, что |
|
v = .тcD |
п / ба; |
|
|
|
|
. |
|||
|
|
|
|
|
|
|
: |
||||
где D |
диаметр якоря; п |
|
ti = rгD / 2р; |
|
|
|
|
|
|||
|
частота вращения якоря; 2p -- число пар |
||||||||||
полюсов, получаем |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тcD |
2р N |
Ф |
2 pN |
(9) |
||||||
|
Е = ----- п |
2 |
|
602а |
|||||||
|
|
|
icD |
а " . . |
^ : |
||||||
Для каждо^ , определенной |
электрической машины вел,пчина |
||||||||||
|
|
|
м |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 pN |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
s |
б02а |
постоянная, она зависит исключительно от известных кон— |
||||||||||
структивны х данных машины: числа полюсов 2р, числа параллельных ветвей обмотки якоря 2а, числа активных сторон секций Qбмот ки якоря N. ,Если эту величину выразить через постоянный
163 Глава 2. Электромагнитные устройства.и электрические машины
конструктивный коэффициент. ЭДС СЕ,' та окончательно будем
иметь |
. |
|
|
Е = сЕп Ф. |
(10) |
В полученном выражений для генераторного режима машины ---
это действующая ЭДС якоря, для двигательного режима -- это противодействующая ЭДС якоря. .
Пpи . протекании тока по обмотке якоря . на активные стороны ее
секций, находящиеся в магнитном поле, дёйствуют электромагнит-
ные силы. Среднее. значение такой силы,для одной стороны секции
длиной 1 за время прохождения ее через зону одного полюса
|
|
|
ЕсР - $сР Iа 1, |
('11) |
|
где IQ |
ток в. активной стороне секции,' равный току одной парал- |
||||
лельной ветви обмотки якоря. ' |
. |
||||
Электромагнитный момент, создаваемый N сторонами секций, |
|||||
|
|
|
|
D |
(12) |
Учитывая, что |
Вс Р = |
М = F^P ^F. |
|||
Ф%ti1= |
Ф/(гтD1/2p); 'IQ = Iя / 2a, |
|
|||
|
|
\ |
. |
2 |
. |
где I |
— ток якоря, получаем |
. . |
|
||
|
|
|
D |
pN |
|
|
1vI = Вс Р IQ 1. ,-- |
1v,= -- Iя Ф, |
|
||
и окончательно |
|
2 |
2т^а |
|
|
|
M= cмIяФ. |
(13) |
|||
Величина PN |
|
||||
для'кaждoй |
определенной машины является по - |
||||
|
2iа |
|
|
|
|
стоянной, зависит от её конструктивных .параметров и называется конструктивным коэффициентом момента см.
Для генераторного режима работы.машнны М -- это противодействующий или тормозящий момент,. для двигательного режима это действующий вращающий момент.
2.2.б. Реакция якоря
При холостом ходе машины .(отсутствует ток в обмотке якоря) ее основное магнитное Столе с индукцией Во создается только главны
ми полюсами. Это. поле симметрично относительно оси полюсов и
его ось совпадает c осью полюсов (рис. 2.42, a). Когда яке машина работает под нагрузкой, то пo обмотке якоря проходит ток, и вокруг обмотки : якоря создается свое магнитное поле, называемое полем • якоря (рис. 2.42, б). Ось магнитного поля якоря совпадает c линией, соединяющей щетки, т. e, с геометрической нейтралью, й пер-
Электротехника u электроника |
|
164 |
генератор |
^+^ ^ $рвв |
|
|
, |
|
^ ^^^''!►. |
|
|
^^,,*, |
. :: .: ,. :.• l ^..: |
|
/^ • ^^ ..,, |
|
|
, , • е °^, ^^ l^i^ ^ • |
|
|
|
r |
гео |
|
ыетр^и- |
|
б |
в |
УесКдЯ |
нейг- |
||
'Рис. 2.42. Реакция якоря
пендикулярна оси главных полюсов. При вращении якоря распределение'tока в проводниках якоря остается неизменным и поле якоря — неподвижным в пространстве. Магнитная индукция этого поля Ва пропорциональна току якоря. '
B работающей под нагрузкой машине магнитное поле якоря накладывается на основное магнитное поле главных полюсов, и создается результирующее магнитное поле c индукцией ВРЕЗ (рис. 2.42, в). Это явление и называется реакцией якоря.
Ось результирующего магнитного поля оказывается смещенной на некоторый угол у относительно оси основного магнитного поля главных полюсов. в результате этого нейтральная линия на поверхности якоря, на которой В = 0, поворачивается из положения гео-
метрической нейтрали 1--1 на тот же угол .у в положение 2-2, которое называется линией физичёской нейтрали. Отметим, что в
генераторе физическая нейтраль повернута в сторону вращения якоря, а в двигателе — в обратную сторону. ,
Реакция якоря оказывает негативное влияние на качество работы машины 'постоянного тока: возможно повышенное искрение под щетками .и обгорание коллекторных пластин, a также появление продольного размагничивающего магнитного поля.
Наиболее действенным и распространенным, средством уменьшения влияния реакции якоря на работу машины является примене-
. ние добавочных полюсов. Магнитное поле добавочных полюсов призвано нейтрализовать магнитное полe iкоря. Добавочные полюсы устанавливаются на геометрической нейтральной линии между главными полюсами и крепятся. болтами к ярму статора. Их; обмотка включается последовательно c .обмоткой якоря и намотана так, что создаваемое ею магнитное поле равно' по величине и направле-
но против магнитного поля якоря (рис. 2 .43) . Дополнительные полюсы выполняют свои функции во всех режимах работы машины : при
изменении нагрузки одновременно изменяются ток и магнитное поле якоря, ток и поле дополнительных полюсов; при переходе машины из режима генератора в режим двигателя одновремённо изменяется
165 Глава 2. Электромагнитные устройства и электрические машины
Рис. 2.43. Расположение и включение добавочных полюсов
напрaвление тока и поля якоря_ и направление тока и поля дополнительных полюсов и т. д.
2.2.7. Способы возбуждения мaшин
постоянного тока
Под возбуждением электрической машины постоянного тока понимают создание в ней магнитного поля, необходимого для на
ведения в обмотке якоря ЭДС заданной величиньУ (генератор) или
создания необходимого вращающегося момента якоря (двигатель). Основное магнитноe поле в машинах сtздается главными полюсами и расположенными на них катушками обмотки возбуждения.
Обмотка возбуждения. и обмотка якоря в машинах могут быть подключены к сети различными способами: независимо одна от
другой; параллельно, последовательно й параллельно-последова- тельно (смешанно). B зависимости от способа соединения этих об моток различают четыре типа машин постоянного тока:
1) машины независимого возбуждения (рис. 2.44, a), в которых . обмотка возбуждения и обмотка якоря подключаются независимо друг от друга к различным источникам; .
2)машины параллельного (шунтового) возбуждения (рис. 2.44, б),
вкоторых обмотка возбуждения подсоединяется к щеткам и полу- чает питание от ЭДС обмотки якоря;
Электротеxника и электроника |
166 |
в г
Рис. 2.44. Схемы возбуждения машин постоянного тока
3) машины последовательного (сериесного) возбуждения (рис. 2.44, в); в которым обмотка возбуждения включается последователь-
но с обмоткой якоря; 4) машины смешанного (компаундного) возбуждения (рис. 2.44,
г), в которых на каждом полюсном сердечнике имеется две обмотки -- шунтовая и сериесная: Шунтовая обмотка возбуждения соединяется параллельно якорной. обмотке, а сериесная --^ последовательно с ней. .
Способ соединения обмотки возбуждения с обмоткой якоря оказывает сильное 'влияние на электрические свойства генераторов и механические свойства двигателей постоянного тока.
2.2.8.' Основные 'параметры и характеристики генераторов .
`.Основными параметрами, характеризующими работу генераторов постоянного тока, являются: вырабатываемая мощность P, напря= жение на выводах (зажимах) U, ток возбуждения IB, ток якоря I или ток нагрузки I, частота вращения п (обычно n = const). Зависимость между. этими величинами описывается двумя уравнениями:
уравнением ЭДС (10)
Е=сЕпФ и уравнением электрического состояния цепи якоря (2)
U=E—IRя
Нагляднее эти зависимости устанавливаются графическим путем. Графические изображения зависимостей основных электрических величин, определяющих ^аботу машины, называются .хярактёрис-
тиками. .
167 Глава 2. Электромагнитные устройства и электрические машины
Основными характеристиками, определяющими свойства генераторов, являются: .
характеристика холостого хода (ХХХ) показывающая зависимость ЭДС генератора при холостом ходе от величины тока возбуждения при постоянной частоте вращeния, т. е.
E.= f(IB) при I 0 (или 1я Q) и п -= пном. = const; внешняя характеристика, показывающая зависимость напряже-
ния, на зажимах генератора от тока нагрузки при постоянном сопро -:
тивлении цепи возбуждения и постоянной частоте вращения, т..е.
U = f (1) при Rв= const и п = пном =- const;
регулировочная характёристика, показывающая зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при условии поддёржания постоян-
ного напряжения на выводах генератора и постоянной частоте вра-
щения, т. e. .
'в = f(1) при U = const и. п, = = const.
. Все. характеристики генераторов могут. быть определены как
экспериментальным, так и расчетньУм путем.
2.2.9. Характеристики генератора независимого возбуждения
Схема для снятия характерис-
тики холостого хода (ХХХ) генера-
тора независимого возбуждения представлена на рис. 2.45. Регулировочный реостат RBP должен быть
подобран так, чтобъi ток возбуждё- ния IB можно было регyлиpовать в
широких пределах. Рубильник P, c
помощью которого подключается
нагрузка -Ан к генератору, должен
быть разомкнут. Якорь генератора
приводится во вращение c номи= нальной скоростью п =пном при помощи первичного двигателя ПД. •Ползушка регулировочного _ре.оста-
та RBP должна быть установлена
вначале в положение, при котором цепь возбуждения разомкнута и',
следовательно, начальное значение
тока возбуждения IB = 0.
Рус. 2.45. Схема для снятия
характеристик генератора независимого возбуждения
Электротеxника и электрoника |
168 |
Если машина испытывается впервые, или перед данным испы
танием ее магнитная система была полностью размагничена, то при 1в = 0 и ЭДС машины Е = О. Поэтому первая точка характеристики
находится в начале координат. При измерении Е. пользуются вольт-
метром, включенным на зажимы якоря, так как при большом внут-
реннем сопротивлении самого вольтметра можно считать, что U = Е.
Затем при постепенном yвеличении тока возбуждения I $ (за счет
уменьшения величины сопротивления реостата RBP) до значения
1в М,^,У yвeличивается магнитный поток главных полюсов Ф, а следовательно, и величина ЭДС Е = Ф, ибо п = ' onst. Начальная часть этой
кривой 1 прямолинейна; далее она искривляется, склоняясь к оси абсцисс в связи c насыщением магнит-
нoй цепи машины (рис. 2.46).: Когда ЭДС Е достигает значения
|
(1,1-1,2) UH , где UH -- номинальное |
|
|
напряжение генератора, процесс ве- |
|
|
дут в обратном направлении, умень- |
|
|
шая ток возбуждения от 1в MAX до О. |
|
|
При этом ЭДС . Е уменьшается по |
|
|
нисходящей кривой 2, не совпадаю- |
|
|
щей c восходящей кривой 1, a лежа- |
|
|
щей.выше нее. Это объясняется тем, |
|
|
что по кривой 1 шло создание _маг- |
|
|
иитного потока Ф и намагннчивание |
|
Рис. 2:46. Характеристика |
железа, а по кривой 2 уже намагни- |
|
ченное железо увеличивало магнит- |
||
холостого хода генератора |
||
ный поток Ф при том же токе I. При |
||
независимого возбуждения |
||
|
токе IB = 0 в якоре машины наводит- |
ся небольшая ЭДС Е0 равная .2-3 % от номинального напряжения U, вследствие остаточной намагниченности железа полюсов и
ярма.
Восходящая 1 и нисходящая 2 кривые ХХХ образуют по форме петлю гистерезиса, характеризующую намагничивание стали машины: Здесь следует отметить, что при снятии ХХХ изменение тока возбуждения 1В можно, производить только в, одном напрaвлeнии,
так как в противном случае будет иметь . место переход на другие . кривые намагничивания:
Проведя между кривыми 1 и 2 сpеднюю линию. 3, получим так называемую расчетную характеристику холостого хода, которой часто пользуются при выборе номинальных значений IB H и U. Обыч^ но этим параметрам соответствует рабочая точка, лежащая на «коленё» ХХХ.
Внешняя характеристика 'генерцтора характеризует влияние тока
нагрузки на напряжение на его . выводах U = f (1). Внешняя характеристика снимается по схеме рис. 2.45.
169 Глава 2. Электромагнитные устройства. и элеккпрические машины
Для снятия внешней характеристики приводим генератор во вращение с номинальной скоростью которая в течение омыта
остается нёизменной. При разомкнутом рубильнике Р устанавлива-
ют с помощью реостата АВр такое значение тока возбуждения IB,
когда при I = 4 напряжение U. =_ 1,15 U. |
В дальнейшем редсТат RBp |
||||
не трогаем и в предположении, что UB = сопвн, считаем, что и ток |
|||||
I |
= UB : R = const. Затем замы- |
|
|
|
|
каем рубильник Р и; изменяя co- |
7, 2 |
|
|
|
|
противление нагрузки RH, уве- |
|
|
|
||
личиваем ток нагрузки I от о до |
|
|
|
|
|
значения 11,2 IH . При таком |
|
|
|
|
|
увеличении тока нагрузки на- |
|
|
|
|
|
Y |
РУ |
06,, |
|
|
|
пряжение на зажимах генерато _ |
------- |
||||
ра U = E IАя будет уменьшать- |
44 |
|
|
|
|
ся |
по двум причинам: из-за |
|
------- |
||
возрастания потери напряжения |
|
-.----. |
|||
на сопротивлении якоря IRя и |
0 0,2 0,4 0,6 0,8 |
10 Д2.?/4 |
|||
из -за. некоторого уменьшения |
|||||
ЭДС Ё вследствие размагнйчи- |
Рис. 2.47. Внешняя характерис- |
||||
ваюцдего влияния реакции якоря |
тика генератора независимого |
||||
(рис: 2.47). |
|
|
возбуждения |
|
|
|
Регулировочная хщактерис-- |
|
|
|
|
тика IB =,f(1) при U = const и п = п,,0 = const показывает, как нужно |
|||||
регулировать ток возбуждения, чтобы при изменении тока нагруз- |
|||||
ки напряжение генератора'не менялось. |
|
|
|||
|
Так как при IB = const напряжение |
U ту |
|
||
на зажимах генератора понижается при |
|
|
|||
увеличении тока I и наоборот (см. тВН |
|
||||
рис. 2.47), то для поддержания напря- |
тsо |
|
|||
жения U постоянным по величине нуж- |
|
||||
но увеличивать ток возбyждения при |
|
|
|||
увеличении нагрузки и уменьшать его |
|
|
|||
при уменьшении последней. Этим ком- |
|
|
|||
пенсируется влияние падения напряже- |
|
|
|||
ния на сопротивлении якоря и реакции |
|
|
|||
якоря (рис. 2.48): |
|
|
о |
Iн ^ т |
|
|
|
|
|
||
Рис. 2.48. Регулировочная характеристика генератора независимого возбуждения
Электротехника и электроника |
170 |
2.2.10. Характеристики генератора
параллельногоP возбужденияУ
Генератор параллельного возбуждения является весьма распространенным типом генератора постоянного тока, так как не требу-
ет специального источника питания для обмотки возбуждения и
дает в .пределах нормальной нагрузки устойчивое напряжение. Источником питания обмотки возбуждения является якорь са-
мой машины. Поэтому важное значение имеет процесс первоначального возникновения ЭДС в якоре, называемый процессом самовозбуждения машины. Рассмотрим несколько подробнее этот
процесс для генератора. .
Магнитная цепь машины, будучи однажды намагничена (в результате предыдущей эксплуатаций или специально после изготов- ления), даже при отключении сохраняет небольшой (2--3 % от номинaльного) поток остаточного намагничивания Фом (рис. 2.49). При вращении якоря с номинальной частотой в магнитном поле, созданном остаточным магнитным потоком Фост' в обмотке якоря
— |
U |
+: |
Рис. 2.49. К пояснению самовозбуждения генератора
будет наводится небольшая ЭДС, называемая остаточной Еост• Она создает небольшой ток в обмотке возбуждения IB (нагрузка к якорю не подключена), который создает свой магнитный поток Ф и увеличивает магнитный поток полюсов Ф = Фост + Фв^ a вместе c . ним увеличивает и ЭДС якорной обмотки: Поэтому ток возбуждення продолжает увеличиваться, магнитный поток Ф и ЭДС снова возрастают и т. д. В этом и заключается процесс самовозбуждения, ко- торый заканчивается, когда падение напряжения в обмотке возбуждения становится равным ЭДС 'якоря.
Таким образом, для самовозбуждения генератора необходимо выполнение следующих определенных условий: во-первых, наличие