Карточка № 9.5 (220). Реакция якоря

§9.6. Коммутация и способы ее улучшения. Дополнительные полюсы

Как отмечалось, замкнутая схема обмотки якоря разделяется щетками на две параллельные ветви или на несколько пар параллельных ветвей. При работе машины обмотка вращается относительно неподвижных щеток, поэтому секции обмотки непрерывно переходят из одной параллельной ветви в другую.

Рассмотрим этот процесс более подробно. На рис. 9.11 коллекторные пластины с

припаянной к ним секцией обмотки перемещаются слева направо относительно неподвижной щетки. При переходе с первой коллекторной пластины на вторую секция обмотки якоря

переключается из одной параллельной ветви в другую. В процессе переключения секция замыкается щеткой накоротко, а ток в секции изменяет все направления на противоположное.

Рис. 9.11. Изменение тока в секции обмотки якоря при переключении ее из одной параллельной ветви в другую

Процесс переключения секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую и связанные с ним явления в короткозамкнутых секциях называют коммутацией машины. Время, в течение которого секция обмотки накоротко замкнута щеткой, называют периодом коммутации Т.

В процессе коммутации сопротивление щеточного контакта, пропорциональное площади соприкосновения щетки с коллекторной пластиной, и ток в корот-козамкнутой секции изменяются в течение периода коммутации по линейному закону (рис. 9.12). При прямолинейной коммутации плотность тока в щеточном контакте постоянна, что обеспечивает оптимальные условия работы коллектора.

Однако влияние ЭДС самоиндукции и ЭДС, индуцируемой в короткозамкнутой секции магнитным потоком якоря, приводит к криволинейной коммутации, при которой в течение некоторой части периода плотность тока под щеткой резко возрастает. Возрастание плотности тока вызывает повышенное искрение под щетками и разрушение коллектора.

Для получения прямолинейной коммутации необходимо скомпенсировать магнитные поля, в которых находится короткозамкнутая секция обмотки якоря. Самый простой способ улучшения коммутации — сместить щетки с геометрической нейтрали. Однако он пригоден только для машин, работающих при постоянной нагрузке. Действительно, при изменении нагрузки изменится

угол а поворота физической нейтрали относительно геометрической и регулировка коммутации нарушится. Поэтому в современных машинах постоянного тока применяют другой способ компенсации магнитных полей в области вращения короткозамкнутых секций обмотки якоря. При этом щетки размещают на геометрической нейтрали, а между главными полюсами машины устанавливают дополнительные полюсы, обмотки которых включают последовательно с обмоткой якоря (рис. 9.13). Магнитный поток дополнительных полюсов пропорционален току нагрузки и

компенсация достигается при всех режимах работы машины. На рис. 9.14, а, б условно показано размещение дополнительных полюсов в генераторе и двигателе.

Помимо электрических причин на коммутацию влияют механические дефекты: неправильный выбор щеточных пружин, отклонение формы коллектора от цилиндрической, загрязнение поверхности коллектора, плохое прилегание щеток к коллектору. Поэтому в процессе эксплуатации машины необходимо тщательно следить за щеточно-коллекторным узлом и обнаруженные дефекты немедленно устранить: очистить коллектор от грязи и угольной пыли, заменить и притереть щетки, проточить коллектор на токарном станке и т. д. Кроме того, на коммутацию влияют значения сопротивлений щеток. Практически полная компенсация магнитных полей в короткозамкнутой секции невозможна, поэтому малые ЭДС в этой секции все- таки наводятся. Чтобы ограничить токи, вызываемые этими ЭДС, сопротивление щетки выбирают достаточно большим. Однако не следует забывать, что через щетку проходит ток нагрузки и увеличение ее сопротивления приводит к возрастанию потерь напряжения внутри машины. При учете этих факторов наиболее приемлемыми оказываются металлографитовые щетки.

Рис. 9.14. Схема размещения дополнительных полюсов в машине постоянного тока: а — двигатель; б — генератор

Несмотря на все предупредительные меры, полностью устранить искрение под щетками не удается. Поэтому правилами эксплуатации допускается слабое точечное искрение под небольшой частью поверхности щетки.

Особенно опасен для машины «круговой огонь» по коллектору. Увеличение искрения под щетками приводит к подгоранию коллектора. В результате возникает дуговой разряд, обмотка машины замыкается накоротко, а ток в обмотке якоря становится недопустимо большим. Возникновение «кругового огня» является аварийным режимом.

Карточка № 9.6 (293).

Коммутация и способы ее улучшения. Дополнительные полюсы

§9.7. Генераторы постоянного тока независимого возбуждения

Различают генераторы независимого возбуждения и генераторы с самовозбуждением. В

генераторах независимого возбуждения основной магнитный поток создается либо постоянным магнитом, либо электромагнитом (обмоткой возбуждения), питаемым от источника постоянного тока.

Схема генератора постоянного тока независимого возбуждения изображена на рис. 9.15. Важнейшая особенность этой схемы — независимость тока возбуждения и магнитного потока главных полюсов от нагрузки генератора.

Физические величины, характеризующие работу электрической машины, связаны между собой определенными зависимостями, которые называют характеристиками.

Рассмотрим основные характеристики генератора независимого возбуждения.

Характеристикой холостого хода называют зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения при постоянной частоте вращения якоря и отключенной нагрузке:

E=f(Iв) (I=0, п=const).

Ее обычно снимают при номинальной частоте вращения генератора.

Характеристика холостого хода (рис. 9.16) представляет собой изображенную в другом масштабе часть петли гистерезиса магнитной системы генератора. Поскольку ЭДС пропорциональна магнитной индукции, а напряженность магнитного поля — току возбуждения, зависимость E(Iв) имеет такой же вид, как зависимость В(Н).

Таким образом, характеристика холостого хода отображает свойства магнитопровода.

Поскольку после первоначального намагничивания коэрцитивная сила удерживает в магнитопроводе небольшой остаточный магнитный поток, ЭДС генератора не равна нулю при токе возбуждения, равном нулю. Эту ЭДС называют остаточной: Е0=Е при Iв=0.

Изгиб характеристики холостого хода объясняется насыщением магнитопровода. Номинальный ток возбуждения выбирают таким, чтобы он соответствовал участку перегиба характеристики холостого хода. При этом наилучшим образом используется свойство магнитопровода усиливать магнитный поток обмоток возбуждения.

Характеристика холостого хода может быть рассчитана теоретически или снята экспериментально. В последнем случае ЭДС измеряется вольтметром, подключенным к зажимам генератора.

Внешней характеристикой называют зависимость нагрузки на зажимах генератора от тока нагрузки при постоянной частоте вращения и постоянном сопротивлении цепи возбуждения:

U=f(I) (n=const, Rв=const).

При отсутствии размагничивающего действия реакции якоря внешняя характеристика описывается уравнением U=E—IRя, представляющим прямую линию в плоскости координатных осей U, I. При насыщении магнитной системы и наличии размагничивающего действия реакции якоря с увеличением нагрузки ЭДС генератора уменьшается, поэтому напряжение генератора снижается быстрее, чем по закону прямой линии (рис. 9.17).

Внешняя характеристика позволяет определить, в каких пределах изменяется напряжение генератора при изменении нагрузки.

Регулировочной характеристикой называют зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при постоянных частоте вращения и напряжении на зажимах генератора:

Iв=f(I) (n=const, U=const).

Регулировочная характеристика показывает, как нужно изменять ток возбуждения, чтобы поддерживать постоянным напряжение генератора при изменении его нагрузки.

С увеличением тока нагрузки напряжение генератора уменьшается. Чтобы поддерживать его постоянным, необходимо увеличивать ЭДС. При постоянной частоте вращения это достигается увеличением магнитного потока, а следовательно, и тока возбуждения (рис. 9.18).

Регулировочные характеристики используют при проектировании регуляторов напряжения. Генераторы независимого возбуждения находят применение в схемах автоматики, в двигатель-генераторных агрегатах, когда требуется изменять не только значение, но и полярность