Zagryadtskiy_elektr_mashiny_3

Обозначим переходные сопротивления и площади контакта набегающего и сбегающего сторон щетки (рис. 2.22, б) через r2 (s2 )

и r1(s1 ), а токи через контактирующие части щетки i1 и i2.

Будем считать, что переходное сопротивление контактов щеток обратно пропорционально площадям соприкосновения щеток с соответствующими коллекторными пластинами

Рис. 2.23. Форма кривой тока при переходе секции из одной параллельной ветви в другую

Запишем уравнение напряжений для короткозамкнутого контура секция – коллекторные пластины – щетка.

i1r1 − i2r2 = ∑eк. (

2.28)

В выражении (2.28) сумма ∑eк − сумма ЭДС, наведенных в секции: ЭДС самоиндукции еl , ЭДС взаимоиндукции ем(если щетка перекрывает число пластин более двух), ЭДС от внешнего поля ев(при

наличии добавочных полюсов).

Уравнение (2.28) является основным уравнением коммутации. По первому закону Кирхгофа (рис. 2.22, б) можно записать

120

Условие ∑ек = 0 является показателем безискровой работы маши-

ны. Несоблюдение этого условия может привести к искрению под щетками.

При отсутствии внешнего поля в короткозамкнутом контуре имеют место ЭДС самоиндукции еl и ЭДС взаимоиндукции eм.

Их результирующая (суммарная) ЭДС носит название реактивной ЭДС ер

ер = еl +ем.

При вращении якоря в коммутируемой секции наводится ЭДС вращения ев.

Полная ЭДС ек коммутируемой секции равна сумме реактивной

ЭДС и ЭДС вращения

ек = ер +ев.

Величина ЭДС ек зависит от соотношения ее составляющих

ЭДС. Под действием этой ЭДС в закороченной через щетки секции возникает так называемый ток коммутации. Если ев будет меньше ер

(недокомпенсация), то в секции возникает замедленное изменение

нулевое значение позднее. Такая коммутация называется замедленной. Плотность тока на сбегающей стороне щетки возрастает, по сравнению с плотностью тока на набегающей стороне щетки. В этом случае наблюдается искрение на сбегающей стороне секции.

При условии существования внешнего поля, направленного так, чтобы создаваемая им ЭДС ев действовала против направления реак-

тивной ЭДС ер, причем ев >eр, имеет место ускоренная коммутация.

При ускоренной коммутации перегружается током набегающая стороны щетки. График изменения тока (кривая 3) приведен на рис. 2.24.

Имеющее место при коммутации искрение ведет к обгоранию и выходу из строя коллектора. При повышении напряжения между двумя соседними пластинами на 35 В и более, возникает опасность возникновения на коллекторе кругового огня. Он выводит из строя как коллектор, так и щетки.

Улучшение коммутации может быть достигнуто путем смещения щеток с линии геометрической нейтрали по направлению вращения якоря у генератора, или против направления вращения якоря – у дви-

122

гателя. Более совершенным средством для улучшения коммутации

вмашинах постоянного тока, кроме машин малой мощности, является применение дополнительных полюсов. Они устанавливаются по линии геометрической нейтрали, а обмотки добавочных полюсов включаются последовательно с обмоткой якоря. Магнитное поле добавочных полюсов компенсирует поперечное магнитное поле якоря

взоне коммутации. Его величина и полярность должны быть такими, чтобы скомпенсировать реактивную ЭДС в коммутирующей секции.

Улучшение коммутации можно также осуществить выбором твердых сортов щеток, созданием необходимых условий охлаждения коллектора.

Вопросы для самоконтроля

1.Дайте определение процессу коммутации в машинах постоянного тока. Какими явлениями сопровождается коммутация?

2.Напишите уравнение напряжения, имеющее место при идеализированной коммутации.

3.Какие виды ЭДС возникают в коммутируемом контуре? Как их можно скомпенсировать?

4.В каком случае имеет место прямолинейная коммутация?

5.Какие существуют способы улучшения коммутации?

2.8. Генераторы постоянного тока

Генераторы постоянного тока предназначены для питания электродвигателей механизмов экскаваторов, морских и речных судов, самолетов и вертолетов, сварочных установок, наземного и подземного транспорта, кранов, погрузчиков и т.д.

Основными величинами, характеризующими работу генераторов постоянного тока, являются вырабатываемая мощность, выходное напряжение на зажимах генератора, ток возбуждения, ток якоря, частота вращения.

Классификация генераторов постоянного тока. Рабочие свойства генераторов постоянного тока в значительной мере определяются способом возбуждения в них магнитного поля. Генераторы, в зависимости от конструкции системы возбуждения, могут быть следующих типов:

– независимого возбуждения, в этом случае обмотка возбуждения (ОВ) получает питание от постороннего источника (полупроводнико-

123

вого выпрямителя или аккумулятора). Схема генератора приведена на рис. 2,25, а. В схеме резистор Rв служит для изменения тока возбуж-

I я равен сумме токов обмотки возбуждения Iв и тока нагрузки;

– последовательного возбуждения, обмотка возбуждения ОВ соединяется с якорем последовательно (рис. 2.25, г); ток нагрузки генератора I равен току якоря I я. и току возбуждения Iв ;

– смешанного возбуждения, генератор имеет две обмотки, одна из которых ОВ1 подключается к якорю параллельно, а другая ОВ2 – последовательно (рис. 2.25, д); ток нагрузки I равен разности тока якоря I я и тока параллельной обмотки возбуждения Iв.

Тонкие стрелки на рисунках указывают на условно положительные направления токов и ЭДС, толстые − на направление отбора мощности.

Рис. 2.25. Принципиальные схемы генераторов постоянного тока

Уравнение равновесия напряжений. Выходное напряжение U для любого типа генератора можно определить из уравнения

I я− ток якоря;

rа − сопротивление цепи якоря. Оно включает, помимо сопротив-

ления самого якоря, сопротивления обмотки добавочных полюсов, последовательной, компенсационной обмоток;

∆Uщ − падение напряжения в щеточном контакте.

Уравнение баланса мощностей. Умножив левую и правую части уравнения (2.34) на ток I я, получим уравнение для мощности гене-

ратора

дается нагрузке, в генераторах параллельного и смешанного возбуждения часть этой мощности идет на возбуждение.

Уравнение равновесия моментов. Мощность Рпд, развиваемая

приводным двигателем генератора, должна уравновесить электромагнитную мощность Рэм; мощность, идущую на покрытие механи-

ческих потерь Рмх; магнитных потерь в магнитопроводе якоря Рм и добавочных потерь Рд.

Исходя из сказанного, можно написать баланс мощностей

125

кривая имеет колено. Затем следует участок сильного насыщения, представленнный прямой линией. В генераторе независимого возбуждения имеется возможность изменения направления тока возбуждения на обратное направление. В этом случае поток возбуждения будет направлен в противоположную сторону, т.е. машина перемагничива-ется.

Характеристика короткого замыкания генератора 2, (рис. 2.26), имеет вид прямой линии.

Пользуясь начальной ветвью кривой холостого хода и характеристикой короткого замыкания, можно построить характеристический треугольник, например, для номинального тока Iн (см. рис. 2.26). Этому току по характеристике короткого замыкания соответствует точка е. Выделим на прямой ес отрезок вс, равный в масштабе кривой холостого хода падению напряжения в цепи якоря Iнrя . Из точки в проведем линию параллельно оси абсцисс до пересечения с кривой холостого хода. Получим точку а. Треугольник авс и будет характеристическим треугольником. В характеристическом треугольнике катет ав характеризует МДС, идущую на компенсацию размагничивающего действия реакции якоря.

Нагрузочная характеристика 1 (рис. 2.27) располагается ниже кривой холостого хода 2. Она может быть построена путем перемещения характеристического треугольника параллельно самому себе так, чтобы его вершина а скользила по кривой холостого хода. Вершина треугольника с опишет нагрузочную характеристику.

Уменьшение ЭДС Е до величины напряжения Uн при нагрузке произойдет под влиянием размагничивающего действия МДС якоря на поле возбуждения и падения напряжения в цепи якоря.

Внешняя характеристика генератора приведена на рис. 2.28. Она представляется кривой, которая при увеличении тока генератора отклоняется к оси абсцисс. Степень отклонения кривой от начального значения

Е0 до номинального значения Uн определяет жесткость характеристики ∆U . В процентах она равна

∆U % = E0 −Uн 100 %.

Uн

127

Эксплуатационная величина ∆U % = 5 −8 %.

При уменьшении нагрузочного сопротивления до нуля, ток якоря значительно возрастает. Это режим установившегося тока короткого замыкания Ik и при полном токе возбуждения данный режим для генератора недопустим.

Регулировочная характеристика генератора приведена на рис. 2.29. При увеличении тока нагрузки она отклоняется вверх от оси абсцисс.

Достоинством генераторов с независимым возбуждением является возможность регулирования выходного напряжения в широких пределах (практически от нуля до номинального) путем изменения тока возбуждения и малое изменение напряжения под нагрузкой.

Генератор с параллельным возбуждением. Отличием этого ге-

нератора от генератора с независимым возбуждением является то, что он выполняется с самовозбуждением. При этом его обмотка возбуждения получает питание от самого генератора. Работа генераторов с самовозбуждением становится возможной благодаря остаточному магнитному потоку.

Рассмотрим процесс самовозбуждения генератора при холостом ходе и постоянной частоте вращения. Поток остаточного намагничивания наводит в якоре генератора ЭДС, составляющую несколько процентов номинального напряжения. Так как обмотка возбуждения подключена к якорю параллельно, то в ней протекает небольшой ток возбуждения. Он создает магнитный поток возбуждения, совпадающий с потоком остаточного намагничивания. Это приводит к увеличению ЭДС в обмотке якоря и дальнейшему возрастанию тока воз-

128

буждения. Происходит лавинообразное увеличение напряжения генератора до величины Е0.

На рис. 2.30 кривая 1 является характеристикой холостого хода, а прямая 2 является зависимостью U = Iвrв. Точка а должна одновременно удовлетворять уравнению кривой холостого хода и уравнению прямой, т.е. находится на их пересечении. Из рис. 2.30 следует, что

tgα =UIв = rв.

Существует критическое сопротивление rкр обмотки возбуждения, которому соответствует критический угол αкр. Если угол α ≥ αkp, то в этом случае генератор не возбудится.

Внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением приведена на рис. 2.31. Понижение напряжения на выводах генератора с ростом тока выражено сильнее, чем у генератора с независимым возбуждением. Ее вид объясняется тем, что при увеличении нагрузки генератора, вследствие падения напряжения в якорной цепи и размагничивающего действия реакции якоря, снижается его напряжение, что приводит к снижению тока возбуждения. В связи с убыванием тока возбуждения и увеличением тока

нагрузки, ток генератора достигает некоторого предельного критического значения Ikp в точке а. После этого дальнейшее уменьшение сопротивления нагрузки сопровождается не увеличением, а лавинообразным убыванием тока якоря до значения Iкз и

напряжения генератора до U=0. Регулировочная и нагрузочная ха-

рактеристики генератора аналогичны подобным характеристикам генератора с независимым возбуждением.

Генератор с последовательным возбуждением. Так как ток возбуждения такого генератора равен току нагрузки, то при его увеличении напряжение генератора будет

129