Электрические машины конспект лекций

Рис. 21.2. Магнитная характеристика машины постоянного тока и график для определения размагничивающего действия поперечного поля реакции якоря

расходуются на компенсацию разности магнитных потенциалов в воздушном зазоре. Так как обмотка возбуждения является сосредоточенной, то кривая распределения создаваемой ею МДС Fâ f x имеет форму прямоугольника, где Fâ 0,5Fâ — ýòî

МДС, приходящаяся на один воздушный зазор. В этом случае кривая индукции Bâ f x имеет форму криволинейной трапе-

öèè (ðèñ. 21.3, à). Для построения кривой МДС Faqx f x и создаваемой ею индукции Baqx f x примем, что обмотка якоря

равномерно распределена по его окружности. Тогда на основании закона полного тока МДС якоря, действующая вдоль контура обхода через точки воздушного зазора на расстояния x от оси главных полюсов,

а МДС, приходящаяся на один зазор,

ãäå A — линейная нагрузка якоря (число ампер, приходящихся

на 1 см окружности якоря), A ia N .Da

Следовательно, МДС якоря Faqx изменяется линейно вдоль его окружности (рис. 21.3, á); под серединой главного полюса она равна нулю, а в точках, где установлены щетки, имеет макси-

241

Рис. 21.3. Кривые распределения индукции в воздушном зазоре машины постоянного тока

мальное значение. При ненасыщенной магнитной системе магнитная индукция в воздушном зазоре

ãäå x — величина воздушного зазора в точке x.

Из (21.3) следует, что под полюсом при x const индукция Baqx изменяется линейно вдоль окружности якоря. Но в междуполюсном пространстве резко возрастает длина магнитной

242

силовой линии, т. е. величина воздушного зазора x , и поэтому резко уменьшается индукция Baqx f x . В результате кривая

распределения индукции Baqx f x приобретает седлообраз-

ную форму.

Кривую распределения результирующей индукции Bðåç f x можно получить алгебраическим сложением ординат

кривых Bâ f x è Baqx f x . Как видно из рис. 21.3, â, ýòà êðè-

вая имеет пики индукции Bmax под краями главных полюсов. Таким образом, реакция якоря оказывает неблагоприятное

влияние на работу машины постоянного тока: а) физическая нейтраль 0 -0 (см. рис. 21.1, â) смещается относительно геометриче- ской нейтрали 0-0 на некоторый угол ; искажается кривая распределения индукции Bðåç f x в воздушном зазоре и возрас-

тает индукция под краями главных полюсов, что ведет к повышению напряжения в секциях, стороны которых проходят зоны с увеличенной индукцией. Кроме того, как будет показано далее, результирующий магнитный поток машины при насыщенной магнитной цепи уменьшается.

Размагничивающее действие поперечного поля реакции якоря

Если магнитная цепь машины не насыщена, то кривая результирующей индукции в воздушном зазоре под действием реакции якоря искажается (рис. 21.3, â), однако площадь ее остается равной площади кривой индукции при холостом ходе (рис. 21.3, à). Следовательно, результирующий поток Фðåç при нагрузке равен потоку Фâ при холостом ходе. Однако при насыщенной магнитной цепи реакция якоря уменьшает поток Ôðåç. Чтобы установить влияние МДС Faq на величину потока Фðåç, рассмотрим зависимость результирующей индукции Bðåç в воздушном зазоре от результирующей МДС Fðåç.õ Fâ Faqx , действующей в некоторой точке x зазора (рис. 21.3, á).

Примем, что в машине насыщены только зубцы якоря. Тогда МДС F расходуется на преодоление магнитного сопротивления одного воздушного зазора и одного зубцового слоя. В точках, ле-

243

жащих под серединой полюсов, эта МДС создает индукцию Bñð Bâ , так как в этих точках Faqx 0. По мере приближения к одному из краев полюса N, например к правому (см. рис. 21.3, â), индукция Bðåç возрастает до величины Bïð.x, так как здесь действует МДС Fâ Faqx ; при приближении к другому краю того же полюса (в данном случае к левому) индукция уменьшается до Bëåâ.x, так как здесь действует МДС Fâ Faqx . Однако из-за нелинейного характера зависимости Bðåç f x прирост индук-

öèè Bïð.x у правого края полюса меньше, чем снижение индукции Bëåâ.x у левого края, вследствие чего результирующий поток машины уменьшается (см. косую штриховку в кривой индукции на рис. 21.3, â). Снижение магнитного потока под действием МДС якоря обычно невелико и составляет всего 1–3 %, однако оно существенно сказывается на характеристиках генераторов постоянного тока и приводит к уменьшению ЭДС E машины при нагрузке по сравнению с ЭДС E0 при холостом ходе.

Если машина работает при небольших токах возбуждения, т. е. на прямолинейной части кривой намагничивания, то реакция якоря размагничивающего действия не оказывает. Аналогичный эффект получается и при значительном насыщении, когда машина снова работает на прямолинейном участке кривой намагничивания.

Реакция якоря при сдвиге щеток

ñгеометрической нейтрали

Âэтом случае окружность якоря с обмоткой можно разделить на четыре зоны (рис. 21.4). Две из них охватывают стороны секций в пределах угла 2 и образуют продольную МДС

Fad 2 A, а две другие охватывают стороны секций в пределах

Продольная МДС Fad создает продольный поток Фad, который может сильно увеличивать или уменьшать результирующий магнитный поток машины Фðåç в зависимости от того, совпадает МДС Fad ñ Fâ или направлена против нее. Направление определяется тем, в какую сторону сдвинуты щетки. Если щетки сдвину-

244

Рис. 21.4. Схемы, иллюстрирующие возникновение МДС якоря при сдвиге щеток с геометрической нейтрали: à — продольной; á — поперечной

ты по направлению вращения генератора или против направления вращения электродвигателя, то продольная МДС Fad размагничивает машину. При сдвиге щеток в обратном направлении МДС Fad подмагничивает машину. Свойство продольной МДС Fad изменять результирующий магнитный поток Фðåç используется в некоторых специальных машинах, например в электромашинных усилителях с поперечным полем. Поперечная МДС Faq создает магнитный поток Фaq; она действует на поток Фðåç так же, как и при расположении щеток на геометрической нейтрали.

Причиной возникновения кругового огня является чрезмерно высокое напряжение между смежными коллекторными пластинами. Если напряжение между смежными пластинами превышает 25 В, то между ними возможно появление короткой электрической дуги.

В мощных машинах, а также в машинах средней и малой мощностей с высокими значениями напряжения между коллекторными пластинами единичная короткая дуга перерастает в мощную дугу. Эта дуга перекрывает значительную часть коллектора или даже замыкает накоротко щеткодержатели разной полярности. Возникновение мощной дуги на коллекторе сопровождается сильным световым и звуковым эффектами (в крупных машинах это похоже на взрыв бомбы). Большой ток якоря, возникающий при перекрытии коллектора, вызывает срабатывание защиты и повреждает поверхность коллектора, изоляторы щеткодержателей и т. д., т. е. выводит машину из строя.

245

Превращение единичной вспышки в круговой огонь происходит в несколько этапов (рис. 21.5). Вначале из-за наличия мос-

çû è ïàðû ìåäè; 3 — мощная дуга

процесса носит случайный характер, но всегда сопровождается повреждением коллектора и других деталей машины. Про-

цесс перерастания единичной вспышки в мощную дугу длится 0,01–0,001 с, поэтому создать какую-либо защиту от кругового огня не удается. Реакция якоря искажает магнитное поле в воздушном зазоре машины, увеличивая магнитную индукцию под одним из краев главных полюсов (см. рис. 21.3). Вследствие этого возрастает максимальное напряжение uê.ìàêñ между смежными пластинами и увеличивается опасность кругового огня.

Для машины с петлевой и волновой обмотками соответственно

ãäå wñ — число витков в секции.

Способы предотвращения. Чтобы уменьшить вероятность возникновения кругового огня, необходимо снижать величину максимального напряжения между смежными коллекторными пластинами. Для этого в крупных машинах используют обмотки якоря с одновитковыми секциями (wc 1), снижают среднее напряжение между коллекторными пластинами до 15–18 В (при этом соответственно ограничивают активную длину якоря) и принимают меры для уменьшения искажающего действия реакции якоря,

246

Лекция 22

КОММУТАЦИЯ В МАШИНАХ ПОСТОЯННОГО ТОКА

22.1. Основное уравнение коммутации

Коммутацией называется процесс изменения направления тока в секции якорной обмотки при переходе ее из одной параллельной ветви в другую. При этом коллекторные пластины, к которым присоединены концы секции, проходят под щеткой и секция во время коммутации оказывается замкнутой щеткой накоротко.

Óæå èç ðèñ. 21.1, â видно, что при прохождении проводников через нейтраль, на которой установлены щетки, направление тока меняется. Изменение тока

в секции за время прохожодения ее под парой полюсов показано на рис. 22.1. Время Tê, в течение кото-

рого происходит изменение направления тока, называется периодом коммутации. Период коммутации весьма мал и составляет тысячные доли се-

кунды. Характер изменения тока во время коммутации не всегда является линейным, как показано на рис. 22.1. B то время именно характер изменения тока в секции при коммутации определяет собою удовлетворительное или не удовлетворительное протека-

249

ние этого процесса. Разберемся в этом поподробнее. Коммутация является чрезвычайно сложным явлением, и мы будем рассматривать его упрощенно, полагая неизменным удельное сопротивление контакта между щеткой и коллекторной пластиной. Ширину щетки примем равной ширине коллекторной пластины. Сопротивлением коммутируемой секции будем пренебрегать, так как оно мало по сравнению с сопротивлением переходного контакта щетка — коллекторная пластина. На рис. 22.2 дано три последовательных момента коммутации.

Рис. 22.2. Последовательные моменты коммутации: a — начало коммутации: t 0, i1 2ia , i2 0, i ia , секция в правой параллельной ветви; á — коммутация: 0 t Tê ; â — конец коммутации: t Tê , i1 0, i2 2ia , i ia , секция в левой параллельной ветви

Остановимся на рис. 22.2, á, показывающем секцию во время коммутации. Обозначая сопротивления контакта между щеткой и коллекторными пластинами 1 è 2 соответственно r1 è r2, напишем уравнение 2-го закона Кирхгофа для секции, замкнутой щеткой накоротко:

ãäå # e — сумма электродвижущих сил в секции во время коммутации.

Òîêè

250