4.6. Устранение вредного влияния реакции якоря

Реакция якоря неблагоприятно влияет на рабочие свойства машины постоянного тока, поэтому при проектировании машины принимают меры к устранению или ослаблению ее влияния.

Компенсационная обмотка. Наиболее эффективным средством подавления влияния реакции якоря по поперечной оси является применение в машине компенсационной обмотки. Ее обмотку укладывают в пазы полюсных наконечников и включают последовательно с обмоткой якоря таким образом, чтобы МДС компенсационной обмотки была противоположна по направлению МДС обмотки якоря.

Компенсационные обмотки применяют лишь в машинах средней и большой мощности – более 150-500 кВт при , работающих с резкими колебаниями нагрузки, т.к. она удорожает и усложняет машину.

Увеличение воздушного зазора под главными полюсами. В машинах малой и средней мощности, не имеющих компенсационной обмотки, вредное влияние реакции якоря по поперечной оси ослабляют соответствующим выбором воздушного зазора под главными полюсами. Однако увеличение воздушного зазора ведет к необходимости повышения МДС обмотки главных полюсов и к увеличению размеров полюсных катушек, полюсов и габарита машины в целом.

Использование анизотропной электротехнической стали. Сердечники главных полюсов делают из листовой анизотропной (холоднокатаной) стали (обычно марки 3411). Пластины полюсов из такой стали штампуют так, чтобы ось полюса совпадала с направлением проката листа стали.

4.7. Способы возбуждения машин постоянного тока

Свойства машин постоянного тока в значительной степени определяются способом включения обмотки возбуждения, т.е. способом возбуждения. По способам возбуждения машины постоянного тока можно классифицировать следующим образом, см. рисунок 4.12:

– машины с возбуждением от постоянных магнитов;

– машины независимого возбуждения, в которых обмотка возбуждения (ОВ) питается постоянным током от источника, электрически не связанного с обмоткой якоря;

– машины параллельного возбуждения, в которых обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены параллельно;

– машины последовательного возбуждения, в которых обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены последовательно;

– машины смешанного возбуждения, в которых имеются две обмотки возбуждения – параллельная ОВ1 и последовательная ОВ2;

– машины с возбуждением постоянными магнитами.

Рис 4.12. Способы возбуждения машин постоянного тока.

Начала и концы обмоток машин постоянного тока согласно стандарту обозначаются следующим образом

– обмотка якоря – Я1 и Я2,

– обмотка добавочных полюсов – Д1 и Д2,

– компенсационная обмотка – К1 и К2,

– обмотка возбуждения независимая – M1 и М2,

– обмотка возбуждения параллельная (шунтовая) – Ш1 и Ш2,

– обмотка возбуждения последовательная (сериесная) – С1 и С2.

4.8. Коммутация

Коммутацией называется процесс изменения тока в секции, замкнутой накоротко щеткой при переходе секции из одной ветви обмотки в другую. Визуально плохая коммутация выражается в том, что машина искрит. Безыскровая коммутация является необходимым условием длительной и надежной работы машины.

Рассмотрим якорь с простой волновой обмоткой, когда коммутирует только одна секция с током в каждой параллельной ветви.

Рис. 4.13. Коммутация тока при : щетка расположена на пластине2; щетка расположена на пластине 1; промежуточное положение щетки.

Предположим, что ширина щетки равна коллекторному делению, а толщина изоляции между пластинамимала и ей можно пренебречь:

,– ширина пластины.

В момент, когда щетка находится над пластиной 2 (рисунок 4.13) токи распределяются следующим образом: в проводнике 2 ток ; в проводнике 1 ток ; в секции между пластинами1 и 2 течет ток i от b к d (положительное направление); т.е. .

Спустя некоторое время щетка перейдет с пластины 2 и расположится над пластиной 1 (рисунок 4.13). В этот момент

,,.

За время ток в рассматриваемой коммутируемой секции изменяется отдо, т.е. на. Этот процесс называется коммутацией тока якоря и составляет сущность явлений, которые образуют коммутационный процесс. Время , за которое происходит коммутация тока, называется периодом коммутации.

Положение щетки над пластиной 2 соответствует начальному моменту коммутации тока , а положение щетки над пластиной1 – конечному моменту коммутации . В промежуточные моменты щетка будет находиться частично над пластиной1, а частично над пластиной 2 (рисунок 4.13). В этом случае имеем замкнутую цепь, образованную щеткой, пластинами 1 и 2 и присоединенной к ним секцией.

При бесконечно малой скорости на окружности коллектора в комутируемой секции не индукцируется ЭДС. Ток встречает на своем пути только сопротивление коммутирующей секции , соединительных проводникови сопротивление контакта между коллектором и щеткой. Сопротивлениями коллекторных пластин и щетки можно пренебречь. Коммутацию, определяемую только активными сопротивлениями, называют коммутацией сопротивлением. Как правило, преобладающее значение имеет сопротивление контакта щетки, а сопротивлением секции можно пренебречь.

Прямолинейная коммутация. При коммутации сопротивлением (, ,) не индукцируется ЭДС в коммутируемой секции. Для замкнутой цепи, образованной коммутирующей секцией и щеткой (см. рис. 4.14), имеем

, гдеи– сопротивления контакта тех частей щетки, которые в данный момент перекрывают пластины1 и 2. При прочих равных условиях сопротивления иобратно пропорциональны площадям и соответствующих частей щетки:

,, где– ширина щетки по оси коллектора;– скорость на окружности коллектора;– время, истекшее с начала коммутационного процесса.

Тогда

.

Следовательно, с учетом соотношения

.

Поскольку от якоря к щетке подводится ток , то независимо от момента времени

.

Решая совместно последние уравнения, получаем:

и. Тогда

.

Следовательно, коммутирующий ток изменяется от времени линейно, поэтому коммутация называется прямолинейной. Площадь набегающего края щетки , сбегающего. Следовательно, плотность тока

и, гдеи– углы, образованные с осью времени касательными к кривойв начальной и конечной ее точках. При прямолинейной коммутации эти углы равнына всем протяжении кривойнезависимо от момента времени, поэтому плотности тока во всех точках контакта под набегающим и сбегающим краями щетки одинаковы .

Рис. 4.14. Коммутация сопротивлением: прямолинейная коммутация; общий случай коммутации сопротивлением.

Коммутация сопротивлением при , , . Для замкнутой цепи, образованной коммутирующей секцией и щеткой,

. Сопротивление щеточного контакта обратно пропорционально плошали щетки , тогда

и , отсюда

и. В коллекторной пластине1 и 2 (см. рисунок 4.14)

и. Тогда уравнение коммутируемой секции

, или.Решая это уравнение относительно , получим

. Криваяпоказана на рисунке 4.14, пунктиром изображен ток при прямолинейной коммутации.

Коммутация при скорости на окружности коллектора , . При вращении якоря с определенной частотой вращения в коммутирующей секции возникают две ЭДС:

– ЭДС самоиндукции вследствие изменения сцепленного с этой секцией магнитного потока от некоторого значения определяемого токомв начальный момент коммутации, до значения, определяемого токомв конечный момент коммутации)

– ЭДС внешнего поля , индуцируемая в коммутирующей секции внешним полем, находящимся в зоне коммутации.

ЭДС самоиндукции создает в коммутирующей цепи добавочный ток коммутации , который стремится скомпенсировать происходящие в этой цепи изменения тока. Поскольку по мере набегания щетки на пластину1 (рисунок 4.15) ток растет, а токуменьшается, то направление токапоказано на рисунке 4.15.

Рис. 4.15. Ток , создаваемый ЭДС.

ЭДС внешнего поля меняет знак в зависимости от направления внешнего поля. Для коммутирующей цепи (см. рисунке 4.15) уравнение ЭДС коммутации имеет следующий вид:

. Считая чтои, имеем

. Учитывая соотношения

,и,, получим

. Выразим ток:

.

Таким образом, коммутирующий ток представляет собой сумму двух токов – тока прямолинейной коммутациии налагающегося на него добавочного тока коммутации, обусловленного суммой ЭДС .

Замедленная коммутация при . Предположим, что , тогда добавочный ток коммутации:

. Считают, что, тогда приисопротивление; присопротивление.

Зависимость имеет видU-образной кривой.

Рис. 4.16. Зависимости от времени в процессе коммутации: тока ; сопротивления ;тока .

Если наложить ток на ток прямолинейной коммутации, то получим кривую коммутирующего тока, проходящую выше графика прямолинейной коммутации. При действии ЭДС , ток достигает определенного значения позже, чем при прямолинейной коммутации. Поэтому такая коммутация называется замедленной.

Ускоренная коммутация при возникает при , когда ЭДС внешнего поля действует навстречу ЭДС самоиндукции . Ток меняет знак на противололожный относительно замедленной коммутации. При этом

. где индекс1 – набегающий край; 2 – сбегающий край.

При резко ускоренной коммутации и.