Принцип действия электрической машины постоянного тока

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Электромеханика»

Содержание:

1.1.Принципы действия электрической машины постоянного тока……3

1.2.Классификация обмоток якоря………………………………………..7

1.3.Реакция якоря………………………………………………………….22

2.1.Регулирование активной мощности СГ………………………………31

2.2.Угловые характеристики активной мощности……………………….33

Литература………………………………………………………………….39

1.1. Принцип действия электрической машины постоянного тока

Характерным признаком машин постоянного тока является наличие у них коллектора — механического преобразователя переменного тока в постоянный и наоборот. Необходимость в таком преобразователе объясняется тем, что в обмотке якоря коллекторной машины должен протекать переменный ток, так как только в этом случае в машине происходит непрерывный процесс электромеханического преобразования энергии.

Рассмотрим принцип действия коллекторного генератора постоянного тока. На рис. 1 изображена упрощенная модель такого генератора: между полюсами N и S постоянного магнита находится вращающаяся часть генератора — якорь, вал которого посредством шкива и ременной передачи механически связан с приводным двигателем (на рисунке не показан) — источником механической энергии. В двух продольных пазах на сердечнике якоря расположена обмотка в виде одного витка a,b,c,d, концы которого присоединены к двум медным изолированным друг от друга полукольцам, образующим простейший коллектор. На поверхность коллектора наложены щетки А и В, осуществляющие скользящий контакт с коллектором и связывающие генератор с внешней цепью, куда включена нагрузка сопротивлением R.

Предположим, что приводной двигатель вращает якорь генератора против часовой стрелки, тогда в витке на якоре, вращающемся в магнитном поле постоянного магнита, наводится ЭДС, мгновенное значение которой , а направление для положения якоря, изображенного на рисунке, указано стрелками.

Рис. 1. Упрощенная модель коллекторной машины

В процессе работы генератора якорь вращается и виток a,b,c,d, занимает разное пространственное положение, поэтому в обмотке якоря наводится переменная ЭДС. Если бы в машине не было коллектора, то ток во внешней цепи (в нагрузке R) был бы переменным, но посредством коллектора и щеток переменный ток обмотки якоря преобразуется в пульсирующий ток во внешней цепи генератора, т. е. ток, неизменный по направлению. При положении витка якоря, показанном на рис. 24.1, ток во внешней цепи (в нагрузке) направлен от щетки А к щетке В; следовательно, щетка А является положительной, а щетка В -- отрицательной. После поворота якоря на 1800 (рис. 2, а) направление тока в витке якоря изменится на обратное, однако полярность щеток, а следовательно, и направление не тока во внешней цепи (в нагрузке) останутся неизменными (рис. 2, б). Объясняется это тем, что в тот момент, когда ток в витке якоря меняет свое направление, происходит смена коллекторных пластин под щетками. Таким образом, под щеткой А всегда находится пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным магнитным полюсом, а под щеткой В -пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. Благодаря этому полярность щеток генератора остается неизменной независимо от положения витка якоря. Что же касается пульсаций тока во внешней цепи, то они намного ослабится при увеличении числа витков в обмотке якоря при их равномерном распределении по поверхности якоря и соответствующем увеличении числа пластин в коллекторе.

Рис. 2. К принципу действия генератора постоянного тока:

___________ ЭДС и ток в обмотке якоря;

_ _ _ _ _ _ _ ЭДС и ток во внешней цепи генератора

В соответствии с принципом обратимости электрических машин упрощенная модель машины постоянного тока может быть использована в качестве двигателя постоянного тока. Для этого необходимо отключить нагрузку генератора R и подвести к щеткам машины напряжение от источника постоянного тока. Например, если к щетке А подключить зажим «плюс», а к щетке В «минус», то в обмотке якоря появится ток , направление которого показано на рис. 3. В результате взаимодействия этого тока с магнитным полем постоянного магнита (полем возбуждения) появятся электромагнитные силы , создающие на якоре электромагнитный момент М и вращающие его против часовой стрелки. После поворота якоря на 1800 электромагнитные силы не изменят своего направления, так как одновременно с переходом каждого проводника

Рис. 3. К принципу действия двигателя постоянного тока

обмотки якоря из зоны одного магнитного полюса в зону другого полюса в этих проводниках меняется направление тока.

Таким образом, назначение коллектора и щеток в двигателе постоянного тока — изменять направление тока в проводниках обмотки якоря при их переходе из зоны магнитного полюса одной полярности в зону полюса другой полярности.

Рассмотренная упрощенная модель машины постоянного тока не обеспечивает двигателю устойчивой работы, так как при прохождении проводниками обмотки якоря геометрической нейтрали (рис.3) электромагнитные силы = 0 (магнитная индукция в середине межполосного пространства равна нулю). Однако с увеличением числа проводников в обмотке якоря (при равномерном их распределении на поверхности якоря) и числа пластин коллектора вращение якоря двигателя становится устойчивым и равномерным.

1.2 Классификация обмоток якоря.

а) Общие определения.

Кольцевой якорь со спиральной обмоткой в настоящее время не применяется, так как более выгодным и надежным является барабанный якорь с обмоткой, все проводники которой укладываются на его внешней поверхности.

При барабанном якоре обмотка состоит из витков, имеющих ширину, равную (или почти равную) полюсному делению. Здесь виток охватывает весь поток Ф, вступающий в якорь, и э.д.с. в нем получается в 2 раза больше, чем в витке спиральной обмотки, где максимальный поток, охватываемый витком, равен половине потока, вступающего в якорь. Поэтому для получения одной и той же э.д.с. при барабанной обмотке требуется витков в 2 раза меньше, чем при кольцевой. К тому же изготовление кольцевой обмотки гораздо сложнее и условия ее охлаждения хуже, чем барабанной обмотки.

Проводники барабанной обмотки укладываются в пазы. Они называются активными проводниками. Два активных проводника, соединенных друг с другом, образуют виток. Витки соединяются между собой и с коллекторными пластинами и образуют замкнутый контур.

Часть обмотки, находящаяся при ее обходе между следующими друг за другом коллекторными пластинами, называется секцией. Секция может состоять из одного или нескольких витков (рис. 4). Ширину секции следует выбирать или равной полюсному делению (расстояние по окружности якоря между осями соседних полюсов), или близкой к нему. Секционные стороны в пазах обычно размещают в два слоя. На рис. 10 показаны пазы якоря с размещенными в них секционными сторонами. Здесь прямоугольниками изображены секционные стороны, которые могут состоять из одного или нескольких активных проводников.

Рис. 4. Одновитковая секция, заложенная в пазы (а), и трехвитковая секция (б).

Для того чтобы правильно соединить секции обмотки между собой и с коллекторными пластинами, нужно найти шаги обмотки. Их целесообразно измерять числом элементарных пазов, причем под последними понимаются условные пазы с двумя секционными сторонами, расположенными одна над другой. На рис. 5,а показаны реальные пазы, которые в то же время являются и элементарными. На рис. 5,6 и в показаны пазы, из которых каждый состоит соответственно из двух и трех элементарных пазов. Нумерация элементарных пазов производится так, как показано на рис. 5.

Рис. 5. Пазы якоря

Секция обмотки укладывается в пазы таким образом, чтобы одна ее сторона находилась в верхнем слое паза, а другая сторона в нижнем слое. На рис. 6 изображены секции обмоток. Здесь часть секции, находящаяся в верхнем слое, изображена сплошной линией, а часть секции, находящаяся в нижнем слое, — пунктирной линией.

Рис. 6. Секции якорных обмоток.

Барабанные обмотки делятся на петлевые и волновые. Секции петлевой обмотки показаны на рис. 6,а и волновой обмотки — на рис. 6,б.

Различают следующие шаги обмоток (рис. 6):
у1 — первый шаг, равный ширине секции или расстоянию между начальной и конечной сторонами секции;
у2 — второй шаг, равный расстоянию между конечной стороной одной секции и начальной стороной следующей секции;
у — результирующий шаг, равный расстоянию между начальными сторонами следующих друг за другом секций;
ук — шаг по коллектору, равный расстоянию между началом и коном секции по окружности коллектора (измеряется числом коллекторных делений, т. е. расстояний между серединами соседних коллекторных пластин).

Если у измеряется числом делений элементарных пазов, то у и ук выражаются одним и тем же числом, т. е.

y = yк. (1)

Если обозначить: S — число секций, K — число коллекторных пластин, Zэ— число элементарных пазов, то

S = K = Zэ. (2)

Минимальное число параллельных ветвей 2а замкнутой обмотки равно двум, т. е.

2a 2. (3)

Для обеспечения симметрии обмотки общее число секций выбирается таким образом, чтобы на каждую пару параллельных ветвей приходилось целое число секций. В этом случае имеем:

целому числу. (4)

б) Петлевая обмотка.

При петлевой обмотке первый шаг делается по окружности якоря в одну сторону, второй шаг — в противоположную (рис. 6,а), поэтому шаги петлевой обмотки связаны соотношением

y1 – y2 = y = yк. (5)

Обычно у1>y2 и y>0. Такая обмотка называется неперекрещенной или правой. Здесь при обходе секций мы будем все время смещаться вправо. При у1< у2 и у<0 получается перекрещенная или левая петлевая обмотка. В этом случае при обходе обмотки будем все время смещаться влево. Левая обмотка на практике почти не встречается.

Число параллельных ветвей петлевой обмотки определяется числом полюсов 2р и значением результирующего шага у. В общем случае число параллельных ветвей петлевой обмотки равно:

2a = 2py. (6)

На рис. 6,а показаны две секции петлевой обмотки с шагом у = ук=1. Такая обмотка называется простои петлевой. Она имеет число параллельных ветвей, равное числу полюсов: 2а = 2р. Простые петлевые обмотки применяются для машин средней и большой мощности.

Если у>1, то получается сложная петлевая обмотка. Петлевую обмотку называют также параллельной, и соответственно различают простую и сложную параллельные обмотки.

На рис. 7 приведена схема — развертка простой петлевой обмотки при Zэ = S = K = 24, 2p = 2a = 4.

Рис. 7. Схема-развертка простой петлевой обмотки.
Zэ = S = K = 24; 2p = 2a = 4; y = yк = 1; y1 = 6; y2 = 5.

Шаги обмотки взяты равными:

y = yк = 1; ;

y1 = 6; y2 = y1 – y; y2 = 5.

Если схему начертить на полосе бумаги и обернуть ею цилиндр подходящих размеров, то мы получим наглядное представление о соединении секций между собой и с коллекторными пластинами.

Для той же самой обмотки на рис. 7а представлена так называемая радиальная схема.

Рис. 7а. Радиальная схема простой петлевой обмотки (кривые вне якоря условно показывают лобовые соединения на задней стороне машины, кривые внутри якоря — лобовые соединения на ее передней стороне( см. рис. 7).

На рис. 7 показаны полюсы и э.д.с, наведенные в секционных сторонах. Мы приняли, что полюсы расположены над обмоткой и что якорь относительно полюсов и щеток движется вправо.

При выбранном положении якоря относительно полюсов получаются четыре параллельные ветви (2а = 2р = 4); они показаны на рис. 8, где цифрами без штриха обозначены верхние секционные стороны, а цифрами со штрихом — нижние.

Рис. 8. Параллельные ветви простой петлевой обмотки (см. рис. 7).

При перемещении якоря некоторые секции замыкаются щетками. Они в это время не участвуют в создании э.д.с. параллельной ветви. Для рассматриваемого случая мы будем иметь то 6, то 5 секций в каждой параллельной ветви. В соответствии с этим напряжение на щетках будет несколько изменяться по величине, оставаясь постоянным по направлению. В практических случаях, когда взято на параллельную ветвь обмотки 15—20 и больше секций, коллекторные пульсации напряжения на щетках получаются меньше 1%.

Щетки на рис. 7 и 7а соприкасаются с коллекторными пластинами, соединенными с секционными сторонами, находящимися приблизительно посередине между главными полюсами, т. е. вблизи геометрической нейтрали. В этом случае считают, что щетки находятся приблизительно на геометрической нейтрали, имея в виду положение щеток не относительно полюсов, а относительно секционных сторон, с которыми они соединены. Щетки устанавливаются на геометрической нейтрали не только для того, чтобы иметь наибольшую э.д.с. в параллельной ветви, но и для того, чтобы в секциях, замыкаемых щетками почти накоротко, не могли образоваться большие токи.

Из сложных петлевых обмоток применяются иногда обмотки при у = 2 для машин на большие токи, для которых увеличение числа параллельных ветвей за счет увеличения числа полюсов невозможно или невыгодно.

Сложную петлевую обмотку можно представить себе, как две простые петлевые обмотки, уложенные на один и тот же якорь и смещенные одна относительно другой (рис. 9).

Рис. 9. Секции сложной петлевой обмотки (у = ук = 2).

При исследовании якорных обмоток машин постоянного тока, так же как якорных обмоток машин переменного тока, применяются векторные диаграммы э.д.с. обмоток. Такие диаграммы можно построить, приняв, что кривая распределения индукции вдоль окружности якоря (кривая поля машины) синусоидальна. Тогда мы можем э.д.с., наведенные в секционных сторонах, изобразить временными векторами. Следовательно, э.д.с. одной какой-либо секции также изобразится вектором, равным разности векторов э.д.с., наведенных в сторонах этой секции.

Электродвижущие силы секций, следующих одна за другой, сдвинуты по фазе в соответствии с их сдвигом в магнитном поле. Этот сдвиг легко найти, так как сдвигу в магнитном поле на полюсное деление т соответствует сдвиг по фазе на 180°.

Для петлевой обмотки сдвиг между следующими одна за другой секциями равен у делений элементарных пазов, чему соответствует

Для обмотки, схема которой показана на рис. 12, имеем (y = 1, = Zэ/2р = 24/4 = 6, следовательно, .

Складывая при обходе обмотки векторы э.д.с. отдельных секций, мы получим многоугольники э.д.с., каждый из которых соответствует одной паре параллельных ветвей обмотки. Они называются многоугольниками э.д.с. секций обмотки (или потенциальными многоугольниками обмотки).

Для обмотки рис. 7 мы получим два равных друг другу многоугольника э.д.с. обмотки (а = 2) с числом сторон , показанных на рис. 10. Здесь цифрами обозначены номера секций, соответствующие номерам коллекторных пластин.

Рис. 10. Многоугольник э.д.с. обмотки (см. рис. 7).

При помощи рис. 10 можно найти пульсацию э.д.с. на щетках. Она равна:

где ;

для данного случая E% 1,2%

Очевидно, что при K/a, равном нечетному числу, которое обычно и выбирается, пульсация э.д.с. на щетках будет относительно меньше.

При увеличении числа секций в параллельной ветви многоугольник приближается к окружности.

Из схем обмоток и соответствующих многоугольников э.д.с. следует, что если мы при обходе некоторого числа секций обмотки смещаемся в магнитном поле на , то получаем при этом одну параллельную ветвь. Таким образом, число параллельных ветвей равно общему сдвигу в магнитном поле при обходе всех секций обмотки, поделенному на . Для петлевой обмотки общий сдвиг в магнитном поле равен yS, а число параллельных ветвей

в) Волновая обмотка.

При волновой обмотке второй шаг y2 делается в ту же сторону, что и первый шаг y1 (рис. 6,б), поэтому шаги обмотки связаны соотношением

y1 + y2 = y = yк. (7)

Результирующий шаг у должен быть больше или меньше, чем двойное полюсное деление 2, чтобы при обходе секций все они были включены в обмотку. Поэтому, делая один обход по окружности якоря, мы попадаем в элементарный паз, сдвинутый вправо или влево от начала обхода на х делений элементарных пазов (рис. 6,б). Так как мы должны при этом сделать столько результирующих шагов у, сколько имеется пар полюсов, то yp±x = Zэ = S. Отсюда получаем:

(8)

Число параллельных ветвей волновой обмотки зависит только от х, оно равно 2а = 2х. В этом можно убедиться, рассматривая схемы обмоток.

Формула для результирующего шага пишется следующим образом

. (9)

Верхний знак соответствует неперекрещенной обмотке, нижний знак — перекрещенной.

При а = 1 получается простая волновая обмотка или простая последовательная обмотка. При а > 1 получается сложная волновая или сложная последовательная обмотка.

На рис. 11 приведена схема-развертка простой волновой обмотки:

2p = 4; Zэ = S = K = 19; 2a = 2;

y2 = y – y1 = 4.

Рис. 11. Схема-развертка простой волновой обмотки
Zэ = S = K = 19; 2р = 4; у = yк = 9; y1 = 5; y2 = 4; а = 1.

Радиальная схема той же обмотки приведена на рис. 11а.

Рис. 11а. Радиальная схема простой волновой обмотки (кривые линии вне якоря условно показывают лобовые соединения на задней стороне машины, кривые внутри якоря — лобовые соединения на ее передней стороне ).

На рис. 12 представлены параллельные ветви обмотки, соответствующие положению якоря и коллектора относительно полюсов и щеток, показанному на рис. 16. Получаются две параллельные ветви. Для любой волновой обмотки можно взять только две щетки (заштрихованные на рис. 11 и 12). Однако в обычных случаях берут число щеток равным числу полюсов, так как в этом случае поверхность коллектора лучше используется и его размеры можно сократить. Выключаемые при этом секции (замкнутые щетками) практически не изменяют (при большом числе секций в параллельной ветви) ее э.д.с.

Рис. 12. Параллельные ветви простой волновой обмотки (см. рис. 11) при двух щетках и при четырех щетках.

Сложную волновую обмотку можно представить себе, как а простых волновых обмоток, уложенных на якоре, имеющем число пазов и число коллекторных пластин в а раз больше, чем это нужно для одной простой волновой обмотки. Сложные волновые обмотки на практике встречаются сравнительно редко.

Простая волновая обмотка находит себе самое широкое применение для нормальных машин небольшой и средней мощности при 2р=4 и 6. Ее преимущество перед простой петлевой обмоткой заключается в том, что она при любом числе полюсов имеет только две параллельные ветви и, следовательно, при 2р>2 требует меньше проводников. При этом сечение проводников должно быть взято больше, чем при петлевой обмотке, но при меньшем числе проводников изготовление обмотки облегчается. Другим важным преимуществом простой волновой обмотки является то, что она не требует уравнительных соединений, тогда как петлевая обмотка при 2р>2 должна быть снабжена уравнительными соединениями.

Число параллельных ветвей волновой обмотки, как отмечалось, зависит только от х коллекторных делений между началом и концом одного обхода по окружности коллектора. Это можно доказать, пользуясь теми же рассуждениями, что и в отношении петлевой обмотки. Для волновой обмотки можно также построить векторные диаграммы э.д.с. — многоугольники э.д.с. обмотки. Здесь сдвиг по фазе э.д.с. секций, следующих одна за другой при обходе обмотки, соответствует их сдвигу в магнитном поле, равному 2-у (см. рис. 16,б). Так как число параллельных ветвей 2а равно общему сдвигу в магнитном поле при обходе всех секций обмотки, т. е. (2-y)S, поделенному на , то получим: 2а = (2-y)S:. Подставляя сюда (8) и =S/2р, будем иметь:

(здесь знак минус опускаем, так как 2а — число существенно положительное).

г) Уравнительные соединения.

Обратимся к рис. 7, 7а и 8, где приведены схемы простой петлевой обмотки и ее параллельных ветвей. При различных потоках отдельных магнитных цепей э.д.с. параллельных ветвей будут неодинаковы. Различие потоков может быть вызвано эксцентричным положением якоря относительно полюсов, раковинами, получающимися при отливке станины. Допустим, например, что э.д.с. верхней ветви на рис. 8 больше э.д.с. третьей (сверху) ветви. Тогда в контуре, состоящем из этих ветвей, правых и левых щеток и соединительных проводников между ними, будет проходить уравнительный (постоянный) ток, причем он будет иметь большое значение, даже при небольшом различии э.д.с. ветвей обмотки. В результате верхние щетки будут иметь чрезмерную нагрузку, что может вызвать искрение под этими щетками.

Для того чтобы уменьшить уравнительные токи, проходящие через щетки, устраивают уравнительные соединения. Они представляют собой проводники, соединяющие друг с другом точки обмотки с теоретически равными потенциалами, т. е. те точки обмотки, которые имели бы равные потенциалы, если бы были соблюдены все условия симметрии. На рис. 7 и 8 показаны пунктиром четыре группы уравнительных соединений (каждая группа представляет собой соединение а "равнопотенциальных" точек). Для реальных обмоток делают обычно 6—12 групп уравнительных соединений. Только для обмоток быстроходных машин, таких, например, как возбудители к мощным турбогенераторам, часто делают полное возможное число групп уравнительных соединений, равное К/а.

При наличии уравнительных соединений уравнительные токи будут проходить главным образом по этим соединениям. Токи будут переменными. Они образуют многофазную систему и, следовательно, создадут н.с., вращающуюся с такой же скоростью, с какой вращается якорь, но в противоположную сторону. Эта н.с. относительно полюсов будет неподвижной и согласно закону Ленца будет выравнивать потоки под полюсами. Тем самым будет почти полностью устраняться причина, вызывающая уравнительные токи через щетки.

При простой волновой обмотке нельзя выполнить уравнительные соединения, но они здесь не требуются, так как секции любой параллельной ветви этой обмотки располагаются под всеми полюсами и неравенство отдельных потоков в одинаковой степени сказывается на э.д.с. обеих параллельных ветвей.

д) Равносекционные и ступенчатые обмотки.

При выполнении обмотки из проводников небольшого сечения, когда секция состоит из нескольких витков, следует так выбирать шаг y1, чтобы все секции были одинаковыми по ширине. В этом случае секции могут быть объединены в катушки, хорошо изолированы вне машины и в готовом виде заложены в пазы якоря.

Обмотка с секциями, одинаковыми по ширине, называется равносекционной. Секции этой обмотки представлены на рис. 13. Здесь катушка состоит из трех секций; следовательно, она имеет по три конца с каждой стороны, которые присоединяются к коллекторным пластинам в соответствии с шагом по коллектору ук. Таких катушек должно быть заготовлено столько, сколько пазов имеет якорь.

Рис. 13. Равносекционная обмотка.

Для равносекционной обмотки ширина секции (шаг у1) выбирается таким образом, чтобы при положении одной ее стороны в верхнем слое одного паза, например в крайнем левом положении, другая сторона находилась в нижнем слое другого паза, также в крайнем левом положении (рис. 13). Следовательно, для равносекционной обмотки y1/u должно быть равно целому числу (u — число секционных сторон в одном слое паза).

Если y1/u не равно целому числу, то получается ступенчатая обмотка (рис. 14). Такая обмотка применяется при секциях, состоящих из одного витка. Обычно секции ступенчатой обмотки образуются из полусекций (стержней), закладываемых в пазы, путем соединения при помощи хомутиков их концов на стороне, противоположной коллектору. Она применяется для машин большой мощности, так как создает лучшие условия коммутации .

Рис. 14. Ступенчатая обмотка.

1.3. Реакция якоря

При холостом ходе машины магнитное поле в ней создается только обмоткой возбуждения, так как только по этой обмотке будет проходить ток. При нагрузке ток проходит и по обмотке якоря, н.с. которой изменяет поле машины, на что впервые была указано Э. X. Ленцем.

Воздействие н.с. якоря на поле машины называется реакцией якоря. При помощи рис. 15 мы можем выяснить, как изменяется поле машины в результате этого воздействия. На рис. 15,а изображено поле машины при ее холостом ходе, когда оно создается только н.с. обмотки возбуждения. На рис. 15,б показано поле якоря. Такое поле получается в машине при наличии тока только в обмотке якоря. При этом сам якорь превращается в электромагнит. Его н.с. имеет ось, всегда совпадающую с линией щеток.

Рис. 15. Реакция якоря при положении щеток на геометрической нейтрали.
а — поле при холостом ходе; б — поле якоря, в — поле при нагрузке (nn' — геометрическая нейтраль, mm'—физическая нейтраль)

Мы расположили щетки на геометрической нейтрали, т. е. на линии, перпендикулярной оси полюсов. В этом случае токи в проводниках якоря верхней и нижней его частей имеют противоположные направления. Намагничивающая сила якоря, действующая по линии щеток, будет наибольшей, так как соответствующая магнитная линия охватывает наибольший полный ток. Далее н.с. убывает и под серединой полюса становится равной нулю. Можно приближенно считать, что она убывает по закону прямой линии, как это показано на рис. 16, где кривая 2 представляет собой кривую н.с. якоря, ординаты которой равны соответствующей н.с. якоря на половину обхода (на один полюс).

Рис. 16. Реакция якоря при положении щеток на геометрической нейтрали.
1 — кривая поля при холостом ходе, 2 — кривая н.с, якоря, 3 — кривая поля якоря, 4 — кривая результирующего поля без учета изменения насыщения, 5 — кривая действительного поля машины при нагрузке (nn' — геометрическая нейтраль, mm' —физическая нейтраль).

На рис. 15,в показано поле машины при ее нагрузке. Мы видим, что в результате реакции якоря поле машины, работающей генератором, изменилось: произошло усиление поля под сбегающей половиной полюса и ослабление его под набегающей половиной полюса. Другим следствием реакции якоря является смещение физической нейтрали, т. е. линии, проходящей через точки окружности якоря, где индукция равна нулю.

При холостом ходе физическая нейтраль совпадает с геометрической. При нагрузке она смещается относительно геометрической нейтрали: при работе генератором — в сторону вращения, при работе двигателем — против вращения (при принятых на рис. 15,в направлениях поля и токов в обмотке якоря машина при работе двигателем будет вращаться в обратную сторону).

На рис. 16 показаны кривые поля машины при холостом ходе и при нагрузке: здесь также приведена кривая поля якоря. Если кривую поля машины при ее нагрузке будем определять, исходя из принципа наложения, т. е. складывая ординаты кривой поля при холостом ходе 1 и кривой поля якоря 3, то получим кривую результирующего поля 4. Однако принцип наложения здесь не может дать точных результатов, так как поле в ферромагнитных телах не является линейной функцией тока. Кривая действительного поля машины при нагрузке 5 отличается от кривой результирующего поля 4. Кривая 5 показывает, что ослабление поля под набегающей половиной полюса будет больше, чем усиление поля под сбегающей половиной полюса (вследствие насыщения главным образом зубцов якоря). В результате получается ослабление общего поля и, следовательно, уменьшение полезного потока Ф, определяющего значение э.д.с. якоря.

Уменьшение э.д.с. якоря при положении щеток на геометрической нейтрали также вызвано смещением физической нейтрали, так как при этом и параллельные ветви будут входить проводники с обратными э.д.с. (см. рис. 15,в, где крестами и черточками внутри якоря показаны направления э.д.с., наведенных в проводниках).

В машинах мощностью от 0,3 кВт и выше обычно применяются дополнительные полюсы. Они помещаются между главными полюсами (рис. 1), оси их совпадают с геометрическими нейтралями машины. Их обмотка соединяется последовательно с обмоткой якоря таким образом, чтобы ее н.с. действовала против н.с. обмотки якоря. Действие н.с. дополнительных полюсов ограничивается сравнительно неширокой зоной поверхности якоря, где находятся проводники замыкаемых щетками секций. Щетки при наличии дополнительных полюсов должны стоять на геометрической нейтрали.

В небольших машинах, не имеющих дополнительных полюсов, щетки нужно сдвинуть вслед за физической нейтралью: в генераторе — по вращению, в двигателе — против вращения.

В этом случае для определения влияния реакции якоря его н.с. Fa, действующую по линии щеток, заменяют двумя н.с. Fq и Fd, действующими по продольной и поперечной осям машины и в сумме равным Fa (рис. 17,а и б; на рис. 17,а стрелки показывают направления н.с.).

Рис. 17. Разложение н.с. якоря Fа на поперечную Fq и продольную Fd н.с.

Поперечная н.с. Fq реакции якоря практически действует так же, как н.с. якоря Fa при положении щеток на геометрической нейтрали, т. е. искажает поле под главными полюсами и несколько уменьшает полезный поток Ф (рис. 16).

Продольная н.с. Fd реакции якоря действует против н.с. обмотки возбуждения и, следовательно, уменьшает полезный поток Ф. При сдвиге щеток в обратную сторону от геометрической нейтрали мы получили бы продольную н. с. Fd, действующую согласно с н.с. обмотки возбуждения и, следовательно, увеличивающую полезный поток Ф. Однако такой сдвиг для нормальных машин недопустим из-за возникающего при этом искрения под щетками.

Поперечная н.с. якоря, как мы видели искажает поле под главными полюсами и вместе с этим уменьшает полезный поток Ф, которым определяется э.д.с. якоря Еа при данной скорости вращения. Мы можем пренебречь действием н.с. якоря вне полюсной дуги и считать, что поле под полюсами искажается вследствие действия н.с. якоря, равной на полюс bА; здесь b — длина полюсной дуги (обычно b 0,68 [см]), А/см;

, (10)

есть линейная нагрузка, условно показывающая нагрузку в амперах, приходящуюся на 1 см длины окружности якоря (Iа/2а — ток в проводнике обмотки).

Рассматриваемая н.с. bА действует по обходу, включающему воздушные зазоры, зубцы якоря, пути по ярму якоря и поперек полюса. Последними двумя магнитными сопротивлениями можно пренебречь и считать, что поперечная н.с. якоря изменяет лишь магнитные напряжения воздушных зазоров и зубцов. Поэтому используется "переходная" характеристика (рис. 18), представляющая собой зависимость

B = f [0,5(F + Fz)], (11)

где B = Ф/ b l — индукция в воздушном зазоре (расчетная длина по оси , где lm — длина полюса; l — длина якоря за вычетом радиальных вентиляционных каналов).

Под каждой половиной полюса действует н.с. якоря 0,5bA. Отложим 0,5bA вправо и влево от н.с., соответствующей индукции BE. Последняя определяется по э.д.с. якоря

. (12)

Здесь обозначают: U — напряжение на зажимах машины, Ia — ток якоря;rx — сумму сопротивлений внутренней цепи якоря; 2Uщ —падение напряжения в переходных контактах щеток, которое практически можно принять постоянным при изменении тока якоря в пределах 0,2—1,5 Iн и приближенно равным 2 В при угольных и графитных щетках. В формуле (12) нужно взять знак плюс для генератора, знак минус для двигателя.

Из рис видим, что поток, который при холостом ходе можно принять пропорциональным площади прямоугольника ACHF, при нагрузке уменьшается, так как теперь он будет определяться площадью криволинейного четырехугольника ABGF. Уменьшение потока под одной половиной полюса будет больше, чем увеличение потока под другой половиной полюса. При этом мы принимаем, что при холостом ходе машины индукция в воздушном зазоре по длине дуги якоря b (практически равной длине дуги полюсного наконечника) распределена равномерно, а при нагрузке она распределена соответственно кривой BEG.

Рис. 18. Переходная характеристика (к определению размагничивающей н.с. Fqd обусловленной поперечной реакцией якоря).

Для того чтобы поток при нагрузке остался неизменным, необходимо н.с. обмотки возбуждения увеличить на некоторую величину Fqd, которая находится следующим образом.

Передвинем отрезок вправо настолько, чтобы заштрихованные площади были равны между собой. При этом мы получаем площадь криволинейного четырехугольника A1B1G1F1 равной площади прямоугольника ACHF. Найденная указанным способом Fqd и представляет собою ту н.с., которую должна добавочно создать обмотка возбуждения, чтобы скомпенсировать размагничивающее действие поперечной н.с. якоря.

Значение нс. Fqd будет, очевидно, зависеть от насыщения машины, т. е. от положения точки Е на переходной характеристике, и от тока якоря Iа. Обе эти зависимости имеют сложный характер и не могут быть точно выражены аналитически. Если принять, что машина (как это обычно бывает) работает при насыщении, соответствующем точке E на переходной характеристике, то можно допустить, что при небольшом отклонении от этой точки, вызванном изменением Еа из-за изменения внутреннего падения напряжения, н.с Fqd зависит только от Ia. Как показывают опыт и расчеты, для машин, у которых поперечная реакция якоря резко проявляется, зависимость Fqd от Iа может быть приближенно представлена следующим уравнением:

, (13)

где k — постоянный коэффициент; 1,5 2 для тока якоря Iа = (0,6 1,5) Iн.

Величина Fqd будет относительно тем больше, чем меньше воздушный зазор машины Действительно, при уменьшении воздушного зазора будет уменьшаться F и, следовательно, будет уменьшаться масштаб mа (A/мм) для н.с. на оси абсцисс рис 18. Тогда отрезки и , равные 0,5bA/ma [мм], будут увеличиваться, что приведет к возрастанию Fqd.

Для небольших машин (до 30 40 кВт) иногда при Iа = Iн отрезок получается несколько больше отрезка . В этом случае под одним краем полюсного наконечника будет иметь место "опрокидывание" поля, т. е. изменение его направления. Для машин средней и большой мощности (примерно свыше 50 кВт) воздушный зазор обычно выбирается таким образом, чтобы при номинальной нагрузке не было опрокидывания поля под одним из краев полюсного наконечника ( < ).

При отсутствии дополнительных полюсов, когда для улучшения коммутации приходится щетки смешать с геометрической нейтрали, необходимо учесть размагничивающую продольную н.с. якоря Fd, которая равна (на один полюс)

Fd = cA, (14)

где с (см) — сдвиг щеток относительно геометрической нейтрали (рис 17,а). Для малых машин (< 0,5 кВт) можно принять:

c 0,4 (-b).

Таким образом, размагничивающая реакция якоря (на пару полюсов)

Fр.я. = 2 (Fqd + Fd) (15)

и н.с. обмотки возбуждения при нагрузке

Fв = FE + Fр.я. (16)

где FE — н.с , соответствующая э.д.с. Еа при нагрузке (определяется по характеристике холостого хода)

2.1 Регулирование активной мощности СГ.

После включения генератора в сеть его напряжение U равно напряжению сети U . Относительно внешней нагрузки напряжения U и U совпадают по фазе, а по контуру генератор – сеть находится в противофазе, т. е. U= -U (рис 1). При точном выполнение указанных трех условий, необходимых для синхронизации генератора, его ток I после подключения машины к сети равняется нулю, т. е. U = E.

Рассмотрим, какими способами можно регулировать ток I при работе генератора параллельно с сетью на примере неявнополюсного генератора. Ток, проходящий по обмотке якоря неявнополюсного генератора, можно определить из уравнения (1), пренебрегая падением напряжения в малом активном сопротивлении фазы якоря,

Поскольку U = U =const, то ток I можно изменять только двумя способами – изменяя ЭДС E по величине или по фазе.

Рис.1.Регулирование активной мощности:

а – векторная диаграмма синхронного генератора при работе без нагрузки;

б и в – то же, при ускорении и торможении ротора соответственно.

Если к валу генератора приложить внешний момент, превышающий момент, необходимый для компенсации магнитных потерь мощности в стали и механических потерь, то ротор приобретает ускорение (т. е. > ), вследствие чего вектор E в комплексной плоскости начнет соответственно перемещаться быстрее вектора U и опередит его на некоторый угол в направлении вращения векторов (см. рис.1б ). При этом в контуре каждой фазы возникает некоторая ЭДС Е = Е + U ,приводящая к появлению тока I . С увеличением приложенного внешнего момента будут увеличиваться угол , Е , и I . Вектор тока I отстает от вектора Е на 90 , поскольку его величина и направление определяются индуктивным сопротивлением X . Угол между векторами Е и I (угол ) будет небольшим, и генератор начнет отдавать в сеть активную мощность P = mЕ I cos . При этом на валу генератора возникнет электромагнитный тормозной момент, который будет препятствовать дальнейшему ускорению вращения ротора, вследствие чего частота вращения ротора вернется к синхронной (т. е. = ). Чем больше внешний момент, приложенный к валу генератора, тем больше угол ,а следовательно, ток и мощность, отдаваемые генератором в сеть.

Если произойдет торможение ротора, то вектор Е будет отставать от вектора напряжения U на угол (рис. 1в). При этом ЭДС Е изменит свою фазу и ток I , вектор которого отстает от вектора Е на 90 ,будет сдвинут относительно ЭДС на угол , близкий к 180 . Поскольку угол > 90 (cos <0), активная мощность генератора станет отрицательной. Следовательно, в рассматриваемом режиме активная мощность P забирается из сети и машина работает двигателем, создавая электромагнитный вращающий момент, который уравновешивает внешний тормозной момент; частота вращения ротора при этом снова остается неизменной. Причем с увеличением торможения ротора увеличивается угол , Е и I . Отсюда следует, что синхронная машина, работая параллельно с сетью бесконечно большой мощности, автоматически стремиться поддержать синхронную частоту своего вращения.

Таким образом, для увеличения нагрузки генератора необходимо увеличить приложенный к его валу внешний момент (т.е. вращающий момент первичного двигателя), а для уменьшения нагрузки – уменьшать этот момент. При изменении направления внешнего момента (если вал ротора не вращать, а тормозить) машина автоматически переходит из генераторного режима в двигательный.

2.2 Угловые характеристики активной мощности синхронного генератора.

Рассмотрим схему рис. 1. Предположим, что у генератора отсутствует система регулирования напряжения. Построим векторную диаграмму рассматриваемой системы, выделив в ней напряжение на шинах генератора UG (рис.2.) Оно зависит от падения напряжения во внешнем сопротивлении системы:

UG= U+Ixвн,

где xвн – внешнее сопротивление, определяемое как сумма сопротивлений трансформаторов и линий (xвн= xт1+xL1//xL2+xт2).

Вектор напряжения на шинах генератора делит вектор падения напряжения Ixd на две части, пропорциональные индуктивным сопротивлением xd и xвн. Увеличиваем передаваемую активную мощность на Р и тем самым угол на . Это вызовет изменение реактивной мощности, передаваемой в систему. Для получения получения зависимости реактивной мощности от угла запишем выражение, следующее из векторной диаграммы, показанной на рис.2,в:

U+Ipxd=Ecos .

Умножая левую и правую части этого выражения на U, получим U2+Qxd=EUcos. Выражая отсюда Q, запишем зависимость реактивной мощности, выдаваемой генератором, от угла

Этому выражению соответствует кривая, изображенная на рис.2,б.

Увеличение угла (рис.2,а) вызовет уменьшение реактивной мощности, а следовательно, поворот вектора тока IC в сторону уменьшения угла . Новое положение вектора тока показано на диаграмме пунктирной линией (предполагая, что мощность Q изменила знак и ток стал опережать напряжение U). Этому току соответствует новое положение вектора ЭДС Е, показанное также пунктирной линией. Новое значение напряжения на шинах генератора найдем, поделив падение напряжения в сопротивлении xd в той же пропорции, как и в предыдущем случае.

Из диаграммы следует, что увеличение угла вызывает уменьшение напряжения на шинах генератора.

Предположим, что генератор снабжен автоматическим регулятором возбуждения, который контролирует напряжение UG. Значение же ЭДС Е до тех пор, пока не восстановит прежнее значение напряжения.

Рассматривая установившиеся режимы работы генератора с АРВ при различных значениях угла , часто исходят из постоянства напряжения UG. Значение же ЭДС генератора при этом будет возрастать с увеличением угла . На рис.2,в. показано семейство характеристик Р=f(), построенных для различных значений ЭДС. Если принять за исходную точку нормального режима точку а , то при увеличении мощности Р0 (сопровождающемся увеличением угла ) точки новых установившихся режимов будут определяться переходом с одной характеристики на другую в соответствии с секторной диаграммой (рис.2,а). Соединив м/у собой точки установившихся режимов при разных уровнях возбуждения, получим внешнюю характеристику генератора. Она возрастает даже в области углов >900, и ее максимум достигается при угле G=900, где G – угол вектора напряжения на шинах генератора UG. Но возможность работы в области углов больше 900 зависит от типа регулятора возбуждения.

Регуляторы пропорционального типа (РТП) при коэффициентах усиления (коэффициент усиления определяется как соотношение чисел единиц возбуждения и единиц напряжения генератора) К0у=50..100 позволяют поддерживать напряжение на шинах генератора почти постоянным (UG0). Но предельная мощность генератора, снабженного АРВ с такими высокими коэффициентами усиления, ненамного выше предельной мощности нерегулируемого генератора. Это связано с тем, что при увеличении выдаваемой мощности в некоторой точке характеристики мощности начинается самораскачивание генератора, т.е. периодические колебания ротора с увеличивающейся амплитудой приводят к выпадению генератора из синхронизма. Поэтому регуляторами пропорционального типа не стараются поддерживать UG=const, допуская некоторое его снижение с ротором нагрузки. В этом случае предельная мощность Рmax, которой удается достигнуть, значительно выше мощности Рз. Характеристика мощности при коэффициентах усиления порядка К0у=(20..40) имеет примерно такой же максимум, что и характеристика генератора при Еq=const. Следовательно, генератор, снабженный регулятором пропорционального типа, может быть представлен в схемах замещения переходным сопротивлением xd и ЭДС за ним Eq.

Характеристика мощности генератора, замещаемого ЭДС Eq, может быть получена так же, как и характеристика явнополюсного генератора, если предположить, что

После некоторых преобразований, получим

Характеристика мощности, соответствующая этому выражению, показана на рис.3.

Если РТП имеет зону нечувствительности, то критерием считается режим при =900. Если же генератор, имеющий РТП с зоной нечувствительности, работает в области углов >900, то регулятор начнет работать лишь после того, как отклонение напряжения в ту или иную сторону достигнет определенного значения. При меньших отклонениях, лежащих в зоне нечувствительности, регулятор не работает. Границам зоны нечувствительности соответствуют две внешние характеристики (рис.4).

Допуская, что исходному режиму соответствует точка а. При небольшом возмущении, вызывающем увеличение угла, уменьшается напряжение на шинах генератора. Но регулятор не работает до тех пор, пока отклонение угла лежит в зоне нечувствительности. При увеличении угла на валу генератора возникает ускоряющий избыточный момент, вызывающий дальнейшее его увеличение. Когда траектория движения пересекает границу зоны нечувствительности (точка b), регулятор начинает работать.

Увеличение тока возбуждения, а следовательно ЭДС генератора, замедляет снижение мощности, перемещая рабочую точку на характеристики мощности, соответствующие большим ЭДС (точки c,d). В точке e избыток мощности исчезает, но инерция ротора вызывает дальнейшее увеличение угла. В точке f угол становится максимальным, после чего начинает уменьшаться. После того как будет пройдена точка g, лежащая на верхней характеристике, регулятор начнет уменьшать напряжение возбудителя и кривая изменения мощности в обратном направлении. Таким образом, в силу внутренней неустойчивости возникают незатухающие колебания угла . Амплитуда этих колебаний зависит от ширины зоны нечувствительности регулятора, вместе с углом колеблются напряжение, мощность и ток генератора. Эти колебания затрудняют контроль за работой генератора и заставляют от его эксплуатации в подобных режимах.

Обеспечить устойчивую работу генератора во всех точках, соответствующим углам >900, позволяет усложнение системы регулирования возбуждения, которая должна реагировать не только на изменение напряжения, но и на скорость и даже ускорение изменения напряжения. Такие регуляторы называются регуляторами сильного действия.

Регуляторы сильного действия обеспечивают постоянство напряжения на шинах генератора (без риска самораскачивания), поэтому генератор, снабженный такими регуляторами, может быть представлен в расчетах статической устойчивости напряжением на своих зажимах (UG=const) и xG=0.

Литература:

1. О. Д. Гольдберг, С. П. Хелемска - “Электромеханика”(Москва, издательский центр “Аадемия”),2007г.

2. Кацман М.М.,”Электрические машины”,М., 1990г.

Принцип действия электрической машины постоянного тока