<< Пред. стр. 9 (из 13) След. >>
Список литературы по разделу
, (4.7)
где
- величина воздушного зазора в точке x.
Из последнего выражения следует, что под полюсом при = const индукция Baq изменяется линейно вдоль окружности якоря. В межполюсном пространстве резко возрастает длина магнитной силовой линии, т.е. величина и индукция Baq резко уменьшается. В результате кривая распределения приобретает седлообразную форму. Кривая результирующей индукции получается алгебраическим сложением ординат кривых и (рис. 4.5в).
Реакция якоря оказывает неблагоприятное влияние на работу машины постоянного тока:
а)- физическая нейтраль смещается относительно геометрической нейтрали на некоторый угол, что ухудшает коммутацию коллекторной машины;
б)- результирующий магнитный поток машины при насыщенной магнитной цепи уменьшается, а значит, уменьшается ЭДС Е, индуктированная в обмотке якоря при нагрузке, по сравнению с ЭДС Е0 при холостом ходе;
в)- в кривой распределения индукции в воздушном зазоре под краями главных полюсов возникают пики, способствующие образованию в машине кругового огня.
4.3. Коммутация в коллекторных машинах постоянного тока
Необходимым условием долговечности коллекторной машины постоянного тока является отсутствие искрения под щетками, так как искры быстро разрушают пластины коллектора и щетки.
Причины искрения могут быть механическими и электрическими. Основная механическая причина искрения - это ухудшение контакта между коллектором и щетками.
Электрической причиной является неудовлетворительная коммутация. Коммутацией в электрических машинах называется совокупность явлений происходящих при изменении направления тока в секциях обмотки якоря во время замыкания щетками этой секции накоротко.
Время, в течение которого секция обмотки вращающегося якоря замкнута щеткой накоротко, называется периодом коммутации:
, (4.8)
где
вщ - ширина щетки;
Vk - окружная скорость коллектора.
Если бы в коммутируемой секции не индуктировалось ЭДС, то ход процесса коммутации тока в секции определялся бы только соотношением сопротивлений контактов щетки с двумя пластинами коллектора (рис.4.6).
Рис. 4.6. К расчету коммутационного процесса в коммутируемой секции якоря.
Будем считать, что ширина щетки не больше ширины одной коллекторной пластины и пренебрегать относительно небольшими сопротивлениями проводников, соединяющих обмотку якоря с коллектором, и самой секции, по сравнению с переходным сопротивлением rщ контакта щетки и коллектора.
Переходное сопротивление r1 контакта с пластиной, уходящей из-под щетки, должно возрастать во время коммутации, достигая бесконечности в конце периода коммутации:
r1=rщ,
где
T- период коммутации;
t - время, прошедшее с момента начала коммутации.
В то же время переходное сопротивление контакта со второй пластиной уменьшается:
. (4.10)
Ток I, поступающий в щетку из обмотки якоря, должен распределиться между двумя пластинами коллектора обратно пропорционально их переходным сопротивлениям:
, (4.11)
С другой стороны, согласно первому закону Кирхгофа:
(4.12)
Решив эту систему уравнений, найдем ток в коммутируемой секции:
. (4.13)
В начальный момент времени при t=0 этот ток, а в конце коммутации при t=T он будет.
Ток I является током лишь одной параллельной ветви обмотки якоря; в общем случае при 2а параллельных ветвей, ток якоря .
Следовательно, в общем случае
. (4.14)
Такая коммутация называется прямолинейной или равномерной (рис. 4.7а). В этом идеальном случае плотность тока под всей щеткой неизменна во все время коммутации, благодаря чему отсутствуют коммутационные причины искрения.
Рис. 4.7. Законы изменения тока коммутируемой секции якоря при линейной (а) и нелинейной (б) коммутации.
Мы рассмотрели идеальный случай. В реальных условиях неизбежно возникают ЭДС самоиндукции в коммутирующей секции lL и ЭДС взаимоиндукции , индуктируемая изменениями тока в соседних секциях, коммутируемых одновременно. Обе эти ЭДС согласно принципу Ленца противодействуют изменению тока в секции, задерживают это изменение. Результирующая ЭДС:
. (4.15)
Её можно выразить следующим образом:
. (4.16)
Реактивная ЭДС задерживает изменение тока (рис. 4.7б) и делает коммутацию замедленной в течение большей части периода, но к концу периода, когда уходящая пластина выйдет из-под щетки, ток в секции принудительно примет значение . Следовательно, в конце периода неизбежно ускоренное изменение величины тока в секции, что вызывает увеличение реактивной ЭДС. Одновременно плотность тока под щеткой становится неравномерной. Она сильно возрастает у края пластины, которая выходит из-под краев щетки, а это может вызвать сильное нагревание щетки и пластины коллектора. Обе эти причины могут обусловить искрение - возникновение электрических дуг под щеткой со стороны уходящей пластины коллектора.
Для того, чтобы скомпенсировать действие реактивной ЭДС, необходимо противопоставить ей вторую ЭДС, называемую коммутирующей ЭДС . Таким образом, условие идеальной коммутации:
(4.17)
Коммутирующая ЭДС создается посредством движения витков коммутируемой секции во внешнем магнитном поле. В большинстве случаев ek индуктируется магнитным полем дополнительных полюсов машины Фд.п. . Следовательно,
. (4.18)
При изменениях нагрузки изменяется реактивная ЭДС, пропорциональная току якоря, но одновременно в такой же мере меняется и коммутирующая ЭДС, т. к. обмотка дополнительных полюсов соединена последовательно с якорем.
Усилив поле дополнительных полюсов путем увеличения числа витков их обмотки, можно сделать , что обусловит ускоренную коммутацию. Она осуществляется в машинах, предназначенных для особо тяжелых условий работы, например, частого реверсирования.
В машинах малой мощности для создания коммутирующего магнитного поля вместо дополнительных полюсов применяется сдвиг щеток с геометрической нейтрали. При таком сдвиге в коммутируемой секции ЭДС индуктируется главным магнитным полем, причем в генераторе щетки должны быть сдвинуты по направлению вращения якоря, а в двигателе - против направления вращения.
Особо опасный случай неблагоприятной коммутации представляет собой круговой огонь по коллектору. Это - мощная электрическая дуга, замыкающаяся непосредственно по коллектору или даже перекидывающаяся на станину машины, при этом повреждение машины может быть весьма значительным. Круговой огонь возникает при резком броске тока якоря, что вызывает увеличение реактивной ЭДС, а она создает мощную дугу между щеткой и краем уходящей пластины. Эта дуга удерживается и растягивается вследствие вращения коллектора; в результате возникает короткое замыкание непосредственно на коллекторе машины, разрушающее коллектор и щетки.
4.4. Генераторы постоянного тока
В зависимости от способа питания обмотки возбуждения различают генераторы:
- с независимым возбуждением;
- с параллельным возбуждением;
- с последовательным возбуждением (сериесный);
- со смешанным возбуждением (компаундный); он имеет две обмотки возбуждения; одна включена параллельно обмотке якоря, а другая - последовательно с нею и нагрузкой.
Генераторы малой мощности иногда выполняются с постоянными магнитами. Свойства таких генераторов близки к свойствам генераторов с независимым возбуждением.
В генераторе с независимым возбуждением (рис. 4.8а) ток возбуждения не зависит от тока якоря Iа, который равен току нагрузки Iн. Обычно ток возбуждения невелик и составляет 1...3 % от номинального тока якоря.
Основными характеристиками генератора являются характеристики: холостого хода, внешняя, регулировочная и нагрузочная.
а) б)
Рис. 4.8. Принципиальная схема генератора с независимым возбуждением (а) и его характеристика холостого хода (б).
Характеристика холостого хода U0=f(Iв) при Iн=0 и n=const (рис. 4.8б). Расхождение входящей и нисходящей ветвей характеристики объясняется наличием гистерезиса в магнитопроводе машины. Eост составляет 2...4 % от Uном.
а) б)
Рис. 4.9. Внешняя (а) и регулировочная (б) характеристики генератора с независимым возбуждением.
Внешней характеристикой называется зависимость U=f(Iн) при n=const и Iн=const (рис. 4.9а). Под нагрузкой напряжение генератора
, (4.19)
где
?r - сумма сопротивлений всех обмоток, включенных последовательно в цепь якоря (якоря, дополнительных полюсов и компенсационной обмотки).
С увеличением нагрузки напряжение U уменьшается по двум причинам:
- из-за падения напряжения во внутреннем сопротивлении ?r машины;
- из-за уменьшения ЭДС E в результате размагничивающего действия реакции якоря.
Величина составляет 3...8 %.
В генераторе с параллельным возбуждением (рис. 4.10а) обмотка возбуждения присоединена через регулировочный реостат параллельно обмотке якоря. Для нормальной работы приемников электроэнергии необходимо поддерживать постоянство напряжения на их зажимах, несмотря на изменение общей нагрузки генератора. Это осуществляется посредством регулирования тока возбуждения.
Регулировочной характеристикой генератора (рис. 4.9б) называется зависимость тока возбуждения Iв от тока якоря Iа при постоянном напряжении U и скорости n. Такая характеристика показывает, как надо изменять ток возбуждения для того, чтобы при изменениях нагрузки поддерживать постоянство напряжения на зажимах генератора. Эта кривая сначала почти прямолинейна, но затем загибается вверх от оси абсцисс, вследствие влияния насыщения магнитопровода машины. Следовательно, в машине используется принцип самовозбуждения, при котором обмотка возбуждения получает питание непосредственно от самого генератора.
а)
б)
Рис. 4.10. Принципиальная схема генератора с параллельным возбуждением (а); характер изменения ЭДС и тока возбуждения генератора в процессе возбуждения (б).
Самовозбуждение генератора возможно только при наличии гистерезиса в магнитной цепи.
При вращении якоря в его обмотке потоком остаточного магнетизма индуктируется ЭДС Еост , и по обмотке возбуждения начинает протекать ток. Если обмотка возбуждения включена так, что ее НС Fв направлена согласно с НС остаточного магнетизма, то магнитный поток возрастает, увеличивая ЭДС Е, поток Ф и ток возбуждения Iв. Машина самовозбуждается и начинает устойчиво работать с Iв=const, E=const, зависящими от величины сопротивления Rв цепи возбуждения.
Для режима холостого хода генератора:
, (4.20)
где
L - суммарная индуктивность обмоток возбуждения и якоря.
Зависимость e=f(iв) представляет собой характеристику холостого хода генератора ОА, а прямая ОВ - ВАХ сопротивления Rв (tg?= Rв) (рис. 4.10б).
Пока имеется положительная разность (e-iвRв), член >0, т.е. происходит нарастание тока iв. Установившийся режим будет иметь место при =0, т.е. в точке С. При изменении величины сопротивления Rв прямая ОВ изменяет свой угол ?, что приводит к изменению установившегося тока возбуждения Iв0, и соответствующего ему напряжения U0=E0. Параметры цепи подбираются так, чтобы в точке С обеспечивалась устойчивость режима самовозбуждения. При случайном изменении iв возникает соответствующая положительная или отрицательная разность (e-iвRв), стремящаяся изменить ток iв так, чтобы он стал снова равен Iв0.
Степень устойчивости рассматриваемого режима будет определяться производной:
, (4.21)
где
? - угол пересечения характеристики ОА с прямой ОВ.
При увеличении Rв до критического значения Rв.кр., соответствующего ?кр , угол ??0 и режим самовозбуждения становится неустойчивым, при этом ЭДС генератора уменьшается до Еост. Таким образом, для нормальной работы генератора с параллельным возбуждением необходимо, чтобы Rв
Внешняя характеристика генератора с самовозбуждением располагается ниже внешней характеристики генератора с независимым возбуждением (рис. 4.11). Объясняется это тем, что в рассматриваемом генераторе напряжение уменьшается не только с ростом нагрузки и размагничивающего действия реакции якоря, но и вследствие уменьшения тока возбуждения , который зависит от напряжения U, т. е. от тока Iн.
Рис. 4.11. Внешние характеристики генераторов с независимым (верхняя кривая) и параллельным (нижняя кривая) возбуждением.
Ток короткого замыкания создается только ЭДС от остаточного магнетизма и составляет (0,4...0,8) Iном.
Работа на участке ab внешней характеристики неустойчива.
Регулировочная характеристика генератора с параллельным возбуждением имеет такой же вид, как и для генератора с независимым возбуждением.
В генераторе с последовательным возбуждением (рис. 4.12а) ток возбуждения Iв=Iа=Iн.
а) б)
Рис. 4.12. Схема генератора с последовательным возбуждением (а) и его внешняя характеристика (б).
Внешняя характеристика (кривая 1) и характеристика холостого хода (кривая 2) изображены на рис. 4.12б. Ввиду того, что в генераторе с последовательным возбуждением напряжение сильно изменяется при изменении нагрузки, такие генераторы практически не применяются. Их используют лишь при электрическом торможении двигателей с последовательным возбуждением, которые при этом переводятся в генераторный режим.
В генераторе со смешанным возбуждением имеются две обмотки возбуждения: основная (параллельная) и вспомогательная (последовательная). Наличие двух обмоток при их согласном включении позволяет получать приблизительно постоянное напряжение генератора при изменении нагрузки. Подбирая число витков последовательной обмотки так, чтобы при номинальной нагрузке создаваемое ею напряжение ?Uпосл компенсировало суммарное падение напряжения ?U при работе машины с одной только параллельной обмоткой, можно добиться, чтобы напряжение U при изменении тока нагрузки от нуля до Iном оставалось практически неизменным.
Генераторы постоянного тока имеют большей частью параллельное возбуждение. Обычно для улучшения внешней характеристики они снабжаются небольшой последовательной обмоткой (1-3 витка на полюс). При необходимости такие генераторы могут включаться и по схеме с независимым возбуждением.
Генераторы с независимым возбуждением используются только при большой мощности и низком напряжении. В этих машинах независимо от величины напряжения на якоре обмотка возбуждения рассчитывается на стандартное напряжение постоянного тока 110 или 220 В с целью упрощения регулирующей аппаратуры.
4.5. Двигатели постоянного тока
Так же как и генераторы, двигатели классифицируются по типу возбуждения: с параллельным (шунтовые), последовательным (сериесные) и смешанным (компаундные) возбуждением.
При работе машины постоянного тока в двигательном режиме U>E, поэтому
(4.22)
. (4.23)
В двигателе с параллельным возбуждением (рис. 4.13а) обмотка возбуждения подключена параллельно с обмоткой якоря к сети.
а) б)
0
Рис. 4.13. Схема двигателя с параллельным возбуждением (а) и его механические характеристики (б).
Если пренебречь размагничивающим действием реакции якоря, то можно считать, что магнитный поток двигателя не зависит от тока нагрузки. В этом случае механическая характеристика двигателя ?=f(M) будет линейной.
(4.24)
где
- скорость вращения при холостом ходе;
- уменьшение скорости, обусловленное суммарным падением напряжения во всех сопротивлениях, включенных в цепь якоря двигателя.
Сумма сопротивлений () определяет наклон скоростной ?=f(Ia) и механической ?=f(M) характеристик к оси абсцисс. При отсутствии в цепи якоря добавочного сопротивления rn указанные характеристики будут максимально жесткими. В этом случае они называются естественными характеристиками. При включении добавочного сопротивления rn угол наклона этих характеристик возрастает, вследствие чего можно получить семейство реостатных характеристик 2,3,4, соответствующих различным значениям rn (рис. 4.13б). Чем больше rn , тем больший угол наклона имеет реостатная характеристика, т. е. тем она мягче. Современные двигатели с параллельным возбуждением снабжаются небольшой последовательной обмоткой возбуждения, которая передает механической характеристике необходимый угол наклона. НС этой обмотки при токе Iном составляет до 10 % от НС параллельной обмотки.
Регулировочный реостат rр.в позволяет изменять ток возбуждения двигателя Iв и тем самым его магнитный поток. Согласно выражению ?=f(Ф) при этом будет изменяться и скорость вращения двигателя. В цепь обмотки возбуждения никаких выключателей и предохранителей не устанавливают, т.к. при разрыве этой цепи и небольшой нагрузке на валу скорость двигателя резко возрастает (он идет в "разнос"). При этом сильно увеличивается ток якоря и возникает круговой огонь на коллекторе машины.
В двигателе с последовательным возбуждением (рис. 4.14а) ток возбуждения равен току якоря: Iв=Iа , поэтому магнитный поток Ф является функцией тока нагрузки Iа. Характер этой функции изменяется в зависимости от величины нагрузки. При Ia<(0,8...0,9) Iном, когда магнитная система ненасыщенна, Ф=кфIа , причем коэффициент пропорциональности Кф в значительном диапазоне нагрузок остается практически постоянным. При дальнейшем возрастании нагрузки поток Ф растет медленнее, чем Ia , и при больших нагрузках (Ia>Iном) можно считать, что Ф=const. В соответствии с этим изменяются и зависимости n=f(Ia), M=f(Ia) (рис. 4.14б).
а) б)
Рис.4.14. Схема двигателя с последовательным возбуждением (а) и зависимости его момента и скорости вращения от тока якоря (б).
; (4.25)
. (4.26)
Кроме естественных характеристик 1, можно путем включения добавочных сопротивлений rn в цепь якоря получить семейство реостатных характеристик 2, 3, и 4. Чем больше величина rn, тем ниже располагается характеристика.
При малых нагрузках скорость n резко возрастает и может превысить максимально допустимое значение (двигатель идет в "разнос"). Поэтому такие двигатели нельзя применять для привода механизмов, работающих в режиме холостого хода и при небольшой нагрузке. Обычно минимально допустимая нагрузка составляет (0,2...0,25) Iном; только двигатели малой мощности (десятки ватт) используют для работы при холостом ходе. Применение ременной передачи или фрикционной муфты для включения недопустимо.
Двигатели с последовательным возбуждением применяют в тех случаях, когда имеет место изменение нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия труда.
<< Пред. стр. 9 (из 13) След. >>
Список литературы по разделу