Расположение щеток на геометрической нейтрали в генераторном режиме. При вращении якоря в активных проводниках обмотки

Магнитный поток в электрических машинах возникает из-за наличия тока в обмотках: в машинах постоянного тока и синхронных по обмоткам возбуждения проходит постоянный ток, по обмоткам якоря — переменный; в асинхронных машинах и трансформаторах по всем обмоткам проходит переменный ток. В малых машинах постоянного тока и синхронных иногда применяются постоянные магниты.

Для улучшения магнитной связи между обмотками и увеличения магнитного потока магнитная система машин выполняется из ферромагнитных материалов, обладающих хорошей магнитной проницаемостью. В большинстве случаев применяется электротехническая сталь, легированная кремнием (1...5,0%) и другими присадками, уменьшающими потери в переменном магнитном поле. Иногда применяется литая сталь, чугун, а иногда, в очень малых машинах, пермаллой и феррит.

Основной магнитный поток замыкается по стали (рис. 2.1) и через воздушный зазор между статором и ротором; потоки рассеяния замыкаются в междуполюсном пространстве и вокруг проводников, лежащих в пазах.

Цель расчета магнитной системы — установление связи между магнитным потоком и токами в обмотках машины. Кроме того, представляет интерес плотность магнитного потока — магнитная

Индукция — в воздушном зазоре машины и других частях магнито-провода.

Основные положения расчета магнитной системы. Методы расчета базируются на уравнениях Максвелла.

Магнитный поток, пронизывающий замкнутую поверхность, всегда равен нулю:

6.Потери энергии в электрических машинах

Классификация потерь. При работе электрической машины в ее активных материалах возникают потери энергии. К ним относятся магнитные потери в стали магнитопровода и электрические потери в проводниках обмоток. При вращении машины возникают механические потери, вызываемые трением. Кроме того, имеют место добавочные потери в обмотках и в стали магнитопровода.

Магнитные потери. Явление электромагнитной индукции связано с изменением магнитного потока, вследствие чего на участках магнитопровода возникают потери на перемагничивание и вихревые токи. Потери на перемагничивание зависят от характера перемагничивания, которое может быть вращательным (возникающим при вращении стального магнитопровода в магнитном поле), циклическим (производимое переменным током) и статическим (при медленном изменении намагничивающего тока в определенных пределах). Потери на вихревые токи в листах стали зависят от свойств материала и толщины листов. Для снижения этих потерь уменьшают толщину листов и изолируют их друг от друга.

При расчете потери на перемагничивание и вихревые токи обычно не разделяют. Потери в стали рассчитывают отдельно для каждого участка магнитопровода, имеющего одинаковую магнитную индук-

Механические потери. Механические потери Рмех складываются из потерь на трение в подшипниках и на трение в скользящих контактах между щетками и коллектором или контактными кольцами, а также из потерь на вентиляцию. Потери на трение зависят от материала трущихся деталей, механического давления на поверхность трения, состояния этой поверхности и скорости вращения вала машины. Потери в скользящих контактах зависят от сорта щеток и давления на щетки. Потери в шариковых и роликовых подшипниках составляют около 10% от потерь в подшипниках скольжения.

Добавочные потери. Добавочные потери Рд вызываются неравномерным распределением тока по сечению меди в обмотках и потока в магнитопроводе. Кроме того, добавочные потери возникают в поверхностных слоях магнитопровода при различных пульсациях потока которые могут быть вызваны зубчатостью ротора или статора. Добавочные потери возникают также в стяжных болтах гайках, скобах и других деталях и конструктивных элементах машины, по которым могут замыкаться какие-либо пульсирующие потоки.

7.Простая петлевая обмотка. Ее расчетные соотношения

Простой петлевой обмоткой называют такую обмотку, концы каждой секции которой присоединены к двум рядом лежащим коллекторным пластинам (рис. 1.2.). При этом обмотка может быть правоходовой с неперекрещивающимися лобовыми частями (смотри рис. 1.2, а) или левоходовой с перекрещивающимися лобовыми частями (смотри рис. 1.2, б). Для выполнения развернутой схемы обмотки необходимо определить её шаги.

Первичный частичный шаг определяется по формуле

Результирующий шаг простой обмотки y, который представляет собой расстояние между одноименными активными сторонами двух сле-дующих друг за другом по схеме обмотки секций, равен (+) – для правоходой обмотки, а знак (-) – для левоходой.

Вторым частичным шагом обмотки называют расстояние между правой активной стороной секции и левой активной стороной последующей по схеме обмотки секции. Он равен Шаг по коллектору для простой петлевой обмотки равен

Отсюда видно, что

С помощью щеток обмотка якоря делится на параллельные ветви. Для простой петлевой обмотки каждая параллельная ветвь, заключенная между соседними щетками разной полярности, соответствует одному полюсному делению, поэтому число параллельных ветвей 2а равно числу полюсов:

 

8. Простая волновая обмотка

Простая волновая обмотка получается при последовательном со-единении секций, расположенных под разными парами полюсов. Точки соединения секций припаиваются к коллекторным пластинам. За каждый обход укладывается р секций (рис. 1.4.).

Каждый следующий обход начинается с коллекторной пластины, расположенной рядом с исходной пластиной предыдущего обхода. Если повторный обход начинается с пластины, находящейся слева от исходной, то обмотка получается левоходовой с неперекрещивающимися лобовыми частями (рис. 1.4, а). В противном случае – правоходовой с перекрещивающимися лобовыми частями (рис. 1.4, б).

В соответствии с этим шаг по коллектору и результирующий шаг будут равны

где знак (-) – для левоходой обмотки, а знак (+) – для правоходовой.Первый частичный шаг определяется по обычной формуле

Второй частичный шаг определяется по формуле

Поскольку цепь простой волновой обмотки за один обход по якорю проходит все полюсные деления, то число параллельных ветвей обмотки 2а всегда равно двум: 2а = 2.

 

9. Сложные обмотки

Сложная петлевая обмотка состоит из m простых петлевых обмоток. В такой обмотке между двумя секциями каждой простой обмотки должно быть предусмотрено место для m-1 секций других простых обмоток, составляющих сложную (рис. 1.3). Поэтому результирующий шаг y и шаг по коллектору сложной обмотки должны быть равны

Остальные шаги определяются соответственно по формулам:

Число параллельных ветвей сложной петлевой обмотки равно

Здесь m – показатель кратности обмотки.

Сложная волновая обмотка состоит из m простых волновых обмоток, следовательно, число параллельных ветвей для неё равно 2а = 2m.В соответствии с вышеизложенным шаги сложной обмотки можно определить с помощью выражений:

Сложные обмотки могут быть однократно или многократно замкнутыми. В последнем случае простые обмотки, составляющие сложную, не имеют между собой электрических связей помимо щеток и уравнительных соединений, то есть каждая простая обмотка замкнута сама на себя.В сложных обмотках каждая простая обмотка должна иметь контакт со щетками, поэтому ширина щеток должна иметь не менее m коллекторных делений.

В сложной волновой обмотке

2а=2m,

 

10. Параллельные ветви обмоток машин постоянного тока

Параллельные ветви обмотки якоря. Замкнутая якорная обмотка разделяется щетками на несколько параллельных ветвей минимум на две.

1. Колличеством параллельных ветвей в обмотке якоря зависит от типа обмотки его. В простой обмотке число параллельных ветвей число щеток равно числу главных полюсов.

2.В простой волновой обмотки число параллельных ветвей не зависит от числа полюсов ровно всегда двум.

Уравнительные соединения. При петлевых обмотках индуктированная ЭДС в каждой параллельной ветви создаются магнитными потоками определенной парой главных полюсов. Так как магнитными потоками каждой пары полюсов могут, несколько отличатся по величине (неточное расположении полюсов, различное сопротивление магнитной цепи: различное электрическое сопротивление обмоток и т.д.). То эдс наводимой в каждой параллельной цепи так же будут, не одинаковыми в этом случаи они будут создавать уравнительные токи, которые будут, циркулировать по обмотке якоря через параллельно соединенные щетки этих токи будут, перегружать, щетки ухудшая работу машины (повышенное искрение). Для того что уменьшить уравнительные токи приходящие через щетки отдельные секции связывают между собой. Особыми соединениями, по которым замыкаются уравнительные токи, минуя щетки их, называют — уравнительными соединениями. Уравнительные соединения представляют собой изолированные проводники, связывающие точки якорной обмотки с теоретически одинаковыми потенциалами обычно они располагаются с не рабочей стороны коллектора и припаиваются к петушкам.

11. Реакция якоря машин постоянного тока при щетках расположенных на геометрической нейтрали

Поле машины при холостом ходе. При холостом ходе (I _а = 0) магнитный поток машины создается м. д. с. возбуждения. Направление потока в якоре на рис. 2.17, а показано стрелкой. Поток жестко связан с полюсами и направлен по оси полюсов, независимо ни от скорости вращения якоря, ни от положения щеток. На рис. 2.3, а представлено распределение индукции В потока полюсов в воздушном зазоре, кривая 1 на рис. 2.18, в повторяет это распределение.

Точки, в которых кривая распределения индукции проходит через нуль, определяют положение так называемой нейтрали. Кривая 1 индукции B_ох, обусловленной потоком, создаваемым полюсами, проходит через нуль в точке г (рис. 2.18, в), которая находится посередине между полюсами. Определяемая этой точкой нейтраль гг' (рис. 2.17, б) называется геометрической, ее положение связано с геометрией машины и не изменяется при работе.

Расположение щеток на геометрической нейтрали в генераторном режиме. При вращении якоря в активных проводниках обмотки

Рис. 2.17. Реакция якоря при положении щеток на геометрической нейтрали: а — направление потока полюсов; б — направление потока реакции якоря; в — направление потока машины при нагрузке (гг' —геометрическая нейтраль, фф' — физическая нейтраль)

индуктируется э. д. с. Если щетки замкнуты на нагрузочное сопротивление, то по обмотке якоря проходит ток, направление которого в проводниках (рис. 2.17, б) совпадает с направлением индуктируемых в них э. д. с. Такой режим работы называется генераторным. Определяя направление линий магнитной индукции, видим, что поток, вызываемый м. д. с. якоря, направлен по оси щеток (поле якоря напоминает поле электромагнита с осью, совпадающей с линией щеток). Если щетки расположены на геометрической нейтрали, то ось потока якоря сдвинута на 90° относительно оси полюсов. Такой поток называют поперечным.

 

12).
Влияние магнитного потока якоря на основной магнитный поток называется реакцией якоря. В генераторе постоянного тока под «сбегающим» краем полюса магнитные потоки складываются, под «набегающим» — вычитаются. У двигателя — наоборот. Таким образом под одним краем полюса результирующий магнитный поток Ф увеличивается по сравнению с основным магнитным потоком, под другим краем полюса — уменьшается. В результате он становится несимметричным по отношению к осевой линии полюсов (рис. 1, в).

Физическая нейтраль — линия, проходящая через центр якоря и проводники обмотки якоря, в которых индуцируемая результирующим магнитным потоком э. д. с. равна нулю, поворачивается на угол а по отношению к геометрической нейтрали (в сторону опережения у генераторов, в сторону отставания — у двигателей). При холостом ходе физическая нейтраль совпадает с геометрической.

В результате реакции якоря магнитная индукция в зазоре машины становится еще более неравномерной. В проводниках якоря, находящихся в точках повышенной магнитной индукции, индуцируется большая э. д. с, что приводит к увеличению разности потенциалов между соседними пластинами коллектора и к возникновению искрения на коллекторе. Иногда электрическая дуга перекрывает весь коллектор, образуя «круговой огонь».

Кроме того, реакция якоря приводит к уменьшению э. д. с. якоря, если машина работает в области, близкой к насыщению. Это связано с тем, что когда основной магнитный поток Ф0 создает насыщенное состояние магнитопровода, то увеличение магнитного потока на +ΔФ под одним краем полюса будет меньшим, чем уменьшение на —ΔФ под другим (рис. 2). Это приводит к уменьшению суммарного потока полюса и э. д. с. якоря, так как

Отрицательное влияние реакции якоря можно уменьшить, сдвигая щетки на физическую нейтраль. При этом поток якоря поворачивается на угол α и встречный поток под набегающим краем полюса генератора уменьшается. Сдвиг щеток осуществляют у генератора по направлению вращения якоря, а у двигателя — против направления вращения якоря. Угол α меняется с изменением тока якоря Iя. На практике щетки обычно устанавливают на угол, соответствующий средней нагрузке.

Рис. 2. Влияние степени намагничивания на результирующий магнитный поток (Iв•wв – м.д.с обмотки возбуждения; Iя•wя – м.д.с обмотки якоря).

В машинах средней и большой мощностей применяют компенсационную обмотку, расположенную в пазах главных полюсов и включаемую последовательно с обмоткой якоря так, чтобы ее магнитный поток Фк был противоположен магнитному потоку Фя. Если при этом Фк = Фя, то магнитный поток в воздушном зазоре из-за реакции якоря практически не искажается.

12(2)
Смещение магнитного поля генератора. Под реакцией якоря понимают явление воздействия магнитного поля, создаваемого током якоря, на магнитное поле главных полюсов.

При холостом ходе генератора магнитное поле машины образовано только главными полюсами (рис. 1.10, а). Оно симметрично относительно оси полюсов и его ось совпадает с осью полюсов. Когда генератор работает с нагрузкой, по обмотке якоря протекает ток, который создает свое магнитное поле (рис. 1.10.б), называемое полем якоря. Ось магнитного поля якоря совпадает с линией, соединяющей щетки, т.е. с геометрической нейтралью, и перпендикулярна оси главных полюсов. При вращении якоря распределение тока в проводниках якоря остается неизменным и поле якоря — неподвижным в пространстве. Индукция этого поля пропорциональна току в якоре.

Рис. 1.10

При работе генератора с нагрузкой поле якоря накла­дывается на поле полюсов. В генераторе создаётся результирующее поле (рис 1.10, В), повернутое по направлению вращения якоря на некоторый угол у относительно поля главных полюсов. Физическая нейтральная линия оказывается повернутой на тот же угол относительно геометрической нейтральной линии. При изменении нагрузки индукция поля якоря изменяется, изменяется и угол .

13).

Если якорь машины постоянного тока приводится во вращение каким-либо двигателем (режим генератора) или собственным вращающим моментом (режим двигателя), его обмотка, будет пересекаться магнитным потоком индуктора и в каждом ее стержне будет наводиться э. д. с. e. По закону электромагнитной индукции величина этой э. д. с. будет равна потоку, пересекающему стержень за 1 сек.

Каждая пара полюсов индуктора создает в машине магнитный поток Ф, который замыкается через сталь барабана якоря, дважды преодолевая воздушный зазор между индуктором и якорем. Магнитные линии этого потока за один оборот якоря дважды пересекают все проводники обмотки якоря. Следовательно, в машине с числом полюсов 2 p каждый проводник (активная сторона секции) обмотки якоря за один оборот пересечет 2 p Ф магнитных силовых линий. Если якорь совершает n оборотов в минуту, то э. д. с. в одном стержне

Если через а обозначить число пар параллельных ветвей в обмотке якоря, а через N – общее число стержней (активных сторон секций) обмотки, то в каждой из ветвей будет соединено последовательно стержней.

Следовательно, э. д. с. на щетках машины представится выражением:

или

где постоянный коэффициент

Таким образом, э. д. с. машины постоянного тока пропорциональна магнитному потоку индуктора и скорости вращения якоря.

Для изменения направления (знака) э. д. с. на щетках, необходимо изменить знак магнитного потока индуктора или направление вращения якоря. Обычно меняют направление потока Ф, для чего изменяют направление тока в обмотке возбуждения индуктора.

Реакция якоря – это воздействие потока якоря Ф_я на основной поток машины (индуктора) Ф ₀.

Поток якоря создается током в обмотке якоря и, следовательно, при холостом ходе почти отсутствует (I_я = i_в ≈ 0).

Магнитные силовые линии основного потока машины располагаются симметрично относительно оси полюсов, тогда как силовые линии потока якоря (при нормальном расположении щеток на геометрической нейтрали) действуют перпендикулярно к оси полюсов.

Поток индуктора и поток якоря складываются геометрически, образуя один результирующий поток машины Ф, который в ненасыщенной машине почти не изменяется по величине, но в насыщенной машине с увеличением нагрузки несколько уменьшается и все больше смещается с геометрической нейтрали на угол а.

Таким образом, реакция якоря искажает основное магнитное поле машины, создаваемое в индукторе, благодаря чему физическая нейтраль смещается относительно геометрической нейтрали: в генераторе – в сторону вращения якоря, а в двигателе – против вращения.

Сдвиг физической нейтрали вызывает искрение щеток, следствием чего является обгорание пластин коллектора. Причиной искрения является то, что щетки замыкают в этом случае накоротко секции обмотки якоря (при их переходе из одной параллельной ветви в другую) со значительной э. д. с. e (а не с э. д. с. e = 0, как это имеет место при отсутствии реакции якоря).

Для компенсации реакции якоря в машине постоянного тока менаду основными полюсами устанавливаются дополнительные полюсы, обмотки которых включаются последовательно с якорем. Потоки якоря и дополнительных полюсов направлены встречно, а взаимно компенсируются при любой нагрузке, так как оба эти потока пропорциональны току якоря.

При отсутствии дополнительных полюсов в машине для устранения искрения щеток, вызванного реакцией якоря, щетки сдвигают с геометрической нейтрали в сторону физической нейтрали на угол β (немного больше угла а) до исчезновения искрения: в г

14). Формула электромагнитного момента машины. При протекании тока по обмотке якоря сила взаимодействия тока в проводнике с магнитным полем определяется по закону Ампера выражением

Среднее значение этой силы за время прохождения проводника через зону одного полюса

,

где – ток в проводнике, равный току одной параллельной ветви.

Электромагнитный момент, создаваемый N проводниками, определяется как

.

Учитывая, что

,

где – ток якоря, получаем

и окончательно

. (1.2)

Таким образом, электромагнитный момент пропорционален току якоря и магнитному потоку. Постоянная для данной машины величина называется конструктивным коэффициентом момента. Он связан с конструктивным коэффициентом ЭДС постоянным соотношением:

15). Ток, протекающий в обмотке возбуждения основных полюсов, создает магнитный поток. Электрические машины постоянного тока следует различать по способу возбуждения и схеме включения обмотки возбуждения.

Генераторы постоянного тока могут выполняться с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением. Следует заметить, что теперь применение в качестве источников энергии генераторов постоянного тока очень ограничено.

Обмотка возбуждения генератора постоянного тока с независимым возбуждением получает питание от независимого источника — сети постоянного тока, специального возбудителя, преобразователя и др. (рис. 1, а). Эти генераторы применяются в мощных системах, когда напряжение возбуждения должно быть выбрано отличным от напряжения генератора, в системах регулирования скорости вращения двигателей, которые питаются от генераторов и других источников.

Значение тока возбуждения мощных генераторов составляет 1,0—1,5% от тока генераторов и до десятков процентов для машин мощностью порядка десятков ватт.

Рис. 1. Схемы генераторов постоянного тока: а — с независимым возбуждением; б — с параллельным возбуждением; в — с последовательным возбуждением; г — со смешанным возбуждением П — потребители

У генератора с параллельным возбуждением обмотка возбуждения включается на напряжение самого генератора (смотрите рис. 1,б). Ток якоря Iя равен сумме токов нагрузки Iп и тока возбуждения Iв: Iя = Iп + Iв

Генераторы выполняются обычно для средних мощностей.

Обмотка возбуждения генератора с последовательным возбуждением включена последовательно в цепь якоря и обтекается током якоря (рис. 1, в). Процесс самовозбуждения генератора протекает очень бурно. Такие генераторы практически не используются. В самом начале развития энергетики применялась система передачи энергии с последовательно включенными генераторами и двигателями последовательного возбуждения.

Генератор со смешанным возбуждением имеет две обмотки возбуждения — параллельную ОВП и последовательную ОВС обычно с согласным включением (рис. 1, г). Параллельная обмотка может быть включена до последовательной («короткий шунт») или после нее («длинный шунт»). МДС последовательной обмотки обычно невелика и рассчитана только на компенсацию падения напряжения в якоре при нагрузке. Такие генераторы теперь также практически не применяются.

Схемы возбуждения двигателей постоянного тока подобны схемам для генераторов. Двигатели постоянного тока большой мощности выполняются обычно с независимым возбуждением. У двигателей параллельного возбуждения обмотка возбуждения получает питание от того же источника энергии, что и двигатель. Обмотка возбуждения включается непосредственно на напряжение источника энергии, чтобы не сказывалось влияние падения напряжения в пусковом сопротивлении (рис. 2).

Рис. 2. Схема двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением

Ток сети Ic составляется из тока якоря Iя и тока возбуждения Iв.

Схема двигателя последовательного возбуждения подобна схеме на рис. 1, в. Благодаря последовательной обмотке вращающий момент при нагрузке возрастает больше, чем у двигателей параллельного возбуждения, при этом скорость вращения уменьшается. Это свойство двигателей определяет их широкое применение в приводах электровозной тяги: в магистральных электровозах, городском транспорте и др. Падение напряжения в обмотке возбуждения при номинальном токе составляет единицы процентов от номинального напряжения.

Двигатели смешанного возбуждения из-за наличия последовательной обмотки в некоторой мере имеют свойства двигателей последовательного возбуждения. В настоящее время они практически не применяются. Двигатели параллельного возбуждения иногда выполняются со стабилизирующей (последовательной) обмоткой, включаемой согласно с параллельной обмоткой возбуждения, для обеспечения более спокойной работы при пиках нагрузки. МДС такой стабилизирующей обмотки невелика — единицы процентов от основной МДС.

 

16). Под коммутацией в машинах постоянного тока понимают явления, вызванные изменением направления тока в проводниках обмотки якоря при переходе их из одной параллельной ветви в другую, т. е. при пересечении линии, по которой расположены щетки (от лат. commulatio — изменение).

Основные явления. Коммутацией в электрических машинах называется процесс переключения секций обмотки из одной параллельной ветви в другую и связанные с этим явления. На рис. 1.13, а показана секция перед коммутацией на рис. 1.13,б – секция в процессе коммутации (замкнутая накоротко через щетки 1, 2), на рис. 1.13,в – секция после коммутации.

Процесс переключения секции протекает достаточно быстро: время коммутации одной секции, называемое периодом коммутации Тк, составляет примерно 0,001 – 0,0003 с. Явления, происходящие при коммутации, существенно влияют на надежность и долговечность работы машины постоянного тока.

При плохой коммутации появляется значительное искрение под щетками и связанное с ним обгорание коллектора.

Пути улучшения коммутации. В предыдущем параграфе были рассмотрены электромагнитные причины плохой коммутации. Однако к искрению под щетками могут приводить и механические причины: неравномерный износ коллектора и его вибрация, чрезмерный износ щеток, выступание отдельных коллекторных пластин и изоляции и т.д. С учетом этого улучшение коммутации возможно несколькими путями.
полюсы. Магнитное поле дополнительных полюсов подбирается таким образом, чтобы е_L + = 0 или было несколько больше нуля.

Дополнительные полюсы устанавливаются у всех машин постоянного тока мощностью свыше 1 кВт. В крупных машинах применение дополнительных полюсов сочетается с установкой компенсационной обмотки. В машинах малой мощности (менее 1 кВт) коммутацию настраивают поворотом щеток по направлению вращения у генераторов, а у двигателей – против направления вращения за положение физической нейтральной линии. Практически это положение определяется на глаз по наименьшему искрению под щетками. Улучшение коммутации поворотом щеток – малоэффективный метод, так как при изменении нагрузки положение физической нейтральной линии изменяется, а положение щеток остается фиксированным.

17).
Способы улучшения коммутации 1

Это объясняется тем, что реактивная э. д. с. препятствует изменению тока в коммутируемой секции, который при коммутации сначала уменьшается, а затем увеличивается в противоположном направлении, поэтому реактивная э. д. с.

Рис. 47: Улучшение коммутации сдвигом щеток с физической нейтрали.

аправлена в ту же сторону, что и ток в коммутируемой секции до начала коммутации. Но нам необходимо добиться создания коммутирующей э. д. с. е_к в коммутируемой секции, равной и противоположной по знаку реактивной э. д. с. е_р. Для этого нужно сдвинуть щетки с физической нейтрали по направлению вращения якоря генератора, т.е. поместить коммутируемую секцию в магнитное поле противоположной полярности, под южный полюс. Однако равенство е_р = - е_к достигается только при какой-то определенной нагрузке, так как при изменении нагрузки физическая нейтраль смещается и это равенство нарушается. Поэтому при каждом изменении нагрузки для того, чтобы коммутация была безыскровой, нужно передвигать щетки, что практически трудно осуществить.

Этот способ улучшения коммутации может быть применен при постоянной нагрузке или у машин небольшой мощности. В современных машинах для улучшения коммутации применяют дополнительные полюса. Их делают меньшего сечения и располагают между главными полюсами (рис. 48).

Рис. 48: Схема включения дополнительных полюсов

Обмотки дополнительных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря, и через них проходит весь ток нагрузки. Основное назначение дополнительных полюсов - компенсировать магнитное поле якоря.

Магнитный поток дополнительных полюсов направлен навстречу магнитному потоку якоря, а так как оба они пропорциональны току нагрузки, то получается автоматическая компенсация магнитного поля якоря при любой нагрузке. Для этого дополнительные полюса выполняются такого сечения, чтобы сталь полюсов не была насыщена, т.е. чтобы магнитный поток был пропорционален току нагрузки. Но число витков обмотки дополнительных полюсов рассчитывают так, чтобы магнитный поток, создаваемый ими, был на 15-30% больше магнитного потока якоря, как раз на такую величину Ф_к, чтобы индуктировать в короткозамкнутой секции коммутирующую э. д. с. е_к, равную по величине реактивной э. д. с. е_р и противоположную ей по направлению. А так как величины э. д. с. е_к и е_р пропорциональны току якоря, то достигается автоматичность действия дополнительных полюсов.

Необходимо отметить, что для хорошей коммутации нужно, чтобы коллектор был цилиндрическим и гладким, щетки хорошо притерты к коллектору и легко передвигались в обоймах щеткодержателей, пружины щеткодержателей были нормально натянуты, щетки стояли на физической нейтрали, а электрическая машина не была перегружена.

При наличии дополнительных полюсов щетки с геометрической нейтрали не сдвигают. Порядок чередования полярности главных и дополнительных полюсов по направлению вращения якоря следующий:

у генератора N - s - S- n;

у двигателя N - n - S — s

Рис. 49: Станина машины постоянного тока с компенсационной обмоткой

(заглавными буквами обозначены главные полюса, прописными - дополнительные полюса).

В машинах большой мощности для компенсации магнитного поля якоря применяют компенсационную обмотку. Ее укладывают в пазы наконечников полюсов и включают последовательно с обмоткой якоря так, чтобы магнитный поток компенсационной обмотки был направлен против магнитного потока якоря (рис. 49). Так как оба магнитных потока пропорциональны току нагрузки, то обеспечивается автоматичность компенсации

при любой нагрузке. Компенсационная обмотка усложняет конструкцию машины и удорожает ее.

18).
В машинах большой мощности для компенсации магнитного поля якоря применяют компенсационную обмотку. Ее укладывают в пазы наконечников полюсов и включают последовательно с обмоткой якоря так, чтобы магнитный поток компенсационной обмотки был направлен против магнитного потока якоря (рис. 49). Так как оба магнитных потока пропорциональны току нагрузки, то обеспечивается автоматичность компенсации

при любой нагрузке. Компенсационная обмотка усложняет конструкцию машины и удорожает ее.

Для этого дополнительные полюса выполняются такого сечения, чтобы сталь полюсов не была насыщена, т.е. чтобы магнитный поток был пропорционален току нагрузки. Но число витков обмотки дополнительных полюсов рассчитывают так, чтобы магнитный поток, создаваемый ими, был на 15-30% больше магнитного потока якоря, как раз на такую величину Ф_к, чтобы индуктировать в короткозамкнутой секции коммутирующую э. д. с. е_к, равную по величине реактивной э. д. с. е_р и противоположную ей по направлению. А так как величины э. д. с. е_к и е_р пропорциональны току якоря, то достигается автоматичность действия дополнительных полюсов.

Необходимо отметить, что для хорошей коммутации нужно, чтобы коллектор был цилиндрическим и гладким, щетки хорошо притерты к коллектору и легко передвигались в обоймах щеткодержателей, пружины щеткодержателей были нормально натянуты, щетки стояли на физической нейтрали, а электрическая машина не была перегружена.

При наличии дополнительных полюсов щетки с геометрической нейтрали не сдвигают. Порядок чередования полярности главных и дополнительных полюсов по направлению вращения якоря следующий:

у генератора N - s - S- n;

у двигателя N - n - S — s

Улучшение коммутации сдвигом щеток с физической нейтрали.

• Интересует лестницы в коттеджах от производителя? Компания SBV. Доставка и гарантия

направлена в ту же сторону, что и ток в коммутируемой секции до начала коммутации. Но нам необходимо добиться создания коммутирующей э. д. с. е_к в коммутируемой секции, равной и противоположной по знаку реактивной э. д. с. е_р. Для этого нужно сдвинуть щетки с физической нейтрали по направлению вращения якоря генератора, т.е. поместить коммутируемую секцию в магнитное поле противоположной полярности, под южный полюс. Однако равенство е_р = - е_к достигается только при какой-то определенной нагрузке, так как при изменении нагрузки физическая нейтраль смещается и это равенство нарушается. Поэтому при каждом изменении нагрузки для того, чтобы коммутация была безыскровой, нужно передвигать щетки, что практически трудно осуществить.

Этот способ улучшения коммутации может быть применен при постоянной нагрузке или у машин небольшой мощности. В современных машинах для улучшения коммутации применяют дополнительные полюса. Их делают меньшего сечения и располагают между главными полюсами

19).
Генераторы независимого возбуждения

Определение. Генераторами независимого возбуждения называются генераторы постоянного тока, обмотка возбуждения которых питается постоянным током от постороннего источника электрической энергии (сеть постоянного тока, выпрямитель, аккумулятор и др.) или у которых магнитный поток создается постоянными магнитами.

Схема генератора. Схема генератора независимого возбуждения изображена на рис. 1.16. Якорь генератора приводится во вращение от приводного двигателя ПД.

Цепь якоря электрически не соединена с цепью воз­буждения, поэтому ток нагрузки I и ток якоря Iя – это один и тот же ток (I=Iя). Цепь возбуждения питается от постороннего источника постоянного тока. В нее включают регулировочный реостат R p, предназначенный для регулирования тока возбуждения Iв, магнитного потока возбуждения и в конечном счете ЭДС и напряжения генератора.

Характеристика холостого хода (рис. 1.17). Характеристика снимается при плавном увеличении тока возбуждения, а затем при его плавном уменьшении при n = n_ном = const. Вторая ветвь характеристики идет несколько выше первой и при токе Iв = 0 в машине есть некоторая ЭДС E₀, называемая остаточной. Вид характеристики холостого хода объясняется тем, что при n = const E =C_enФ пропорциональна магнитному потоку Ф, а последний – индукции В, т.е. ее форма такая же, как у кривой гистерезиса. За расчетную обычно принимают характеристику, проходящую между ветвями экспериментальной кривой (штриховая кривая на рис. 1.17). Остаточная ЭДС E₀ создается за счет индукции, остающейся в магнитной цепи статора после отключения тока возбуждения. Машина рассчитывается таким образом, чтобы в номинальном режиме рабочая точка (I в.ном, Е ном ) находилась на «колене» характеристики холостого хода, этим обеспечивается получение достаточно высокой ЭДС при относительно небольшом токе возбуждения.

Внешняя характеристика. Внешняя характеристика генератора U =f(I) при I_B = const и n = n_ном = const (рис. 1.18) характеризует влияние тока нагрузки генератора на напряжение на его выводах. Напряжение U=E–R_Я I при увеличении нагрузки от нуля до номинальной плавно уменьшается на 5 – 15% по двум причинам: из-за падения напряжения на сопротивлении якоря R_ЯI и уменьшения ЭДС Е из-за размагничивающего влияния реакции якоря (кривые 1 и 1 а). При перегрузке машины ток в якоре становится недопустимо большим и напряжение сильно падает (кривая 1а).

При коротком замыкании ток в якоре Iк примерно в 10 раз больше номинального (он ограничивается только сопротивлением цепи якоря 1к = Е /R_Я) и если быстро не отключить генератор, то его коллектор и обмотка выйдут из строя.

Регулировочная характеристика. Регулировочная характеристика Iв = f(I) при U = const и n = n_ном = const изображена на рис. 1.19 (кривая 1). Для поддержания постоянства напряжения на выводах якоря в цепь возбуждения включен регулировочный реостат с сопротивлением Rp (рис. 1.16).

20).

Генераторы параллельного возбуждения

Определение. Генераторами параллельного возбуждения называют генераторы, обмотка возбуждения которых питается от ЭДС обмотки якоря и подключена к выводам якоря машины параллельно цепи нагрузки.

Схема генератора параллельного возбуждения. Схема изображена на рис. 1.20. Ток якоря I_Я = I+ I_В у щеток разветвляется на ток нагрузки I и ток возбуждения I_В. Обычно ток возбуждения невелик и составляет (0,01-0,05) I_Я.НОМ. Последовательно с обмоткой возбуждения включается реостат R_P для регулирования возбуждения. Реостат позволяет изменять ток возбуждения и, следовательно, напряжение генератора.

Характеристика холостого хода генератора с самовозбуждением всегда снимается при независимом возбуждении (обмотка возбуждения отключается от якоря и запитывается от постороннего источника) и поэтому аналогична характеристике холостого хода генератора с независимым возбуждением.

Самовозбуждение генератора. Так как обмотка возбуждения подключена к выводам якоря, то важное значение имеет процесс первоначального возникновения ЭДС, называемый процессом самовозбуждения.

Рассмотрим процесс самовозбуждения при отключенной нагрузке генератора, т.е. при холостом ходе.

Магнитная цепь машины имеет небольшой остаточный магнитный поток (примерно 2-3% номинального). При вращении якоря в поле остаточного потока в нем наводится небольшая ЭДС, вызывающая некоторый ток в обмотке возбуждения. При соответствующем направлении он увеличивает остаточный магнитный поток, ЭДС в якоре возрастает и процесс развивается лавинообразно до тех пор, пока не будет ограничен насыщением магнитной цепи.

Однако процесс самовозбуждения может развиваться только при определенных условиях, называемых условиями самовозбуждения. Выясним эти условия. Уравнение второго закона Кирхгофа для цепи возбуждения имеет вид: Е + е_L= (R_в + R_я)i_в, где е_L = – d (Li_в) /dt – ЭДС самоиндукции цепи возбуждения, возникающая при нарастании тока возбуждения;

L – суммарная индуктивность обмоток возбуждения и якоря; R_в - сумма сопротивлений обмотки возбуждения и регулировочного реостата.

Так как R_я «R_в, то уравнение принимает вид:

E_я=R_в i_в +

Покажем на графике характеристику холостого хода Е = f (I_в) и характеристику цепи возбуждения – прямую U_в = R_в I_в

(рис. 1.21). Отрезок аб, равный Е – R_в I_в = d (Li_в) /dt, пропорционален ЭДС самоиндукции цепи возбуждения. Из графика следует, что в точке в пересечения характеристик d (Li_в) /dt = 0 рост тока возбуждения прекращается U_в = E и процесс самовозбуждения заканчивается. Положение точки в, называемой рабочейточкой, зависит от сопротивления цепи возбуждения R_в » tgα. Чем оно больше, тем прямая U_в = f (I_в) идет круче и рабочая точка перемещается влево. При некотором сопротивлении цепи возбуждения R_{в, кр} = tg α_кр, называемом критическим, напряжение на выводах генератора близко к остаточной ЭДС Е_о и генератор не возбуждается.

Из сказанного вытекают условия, при которых генератор должен возбуждаться:

Ø наличие остаточной намагниченности;

Ø совпадение по направлению остаточного магнитного поля и поля, создаваемого обмоткой возбуждения (несовпадение полей может быть при неправильном подключении выводов обмотки возбуждения или при несоответствующем направлении вращения якоря);

Ø сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического;

Ø скорость вращения якоря должна быть выше критической скорости.

Внешняя характеристика. Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения U = f (I) при R_в = const и n = n_ном = const (рис. 1.18, кривые 2 и 2а) отличается от внешней характеристики генератора независимого возбуждения более резким снижением напряжения при увеличении нагрузки. Это объясняется следующим образом: уменьшение напряжения по тем же причинам, что и у генератора независимого возбуждения, приводит к уменьшению тока возбуждения, дополнительному уменьшению ЭДС генератора. При номинальной нагрузке снижение напряжения относительно напряжения холостого хода составляет 10-18%.

Регулировочная характеристика. Регулировочная характеристика генератора I_в = f (I) при U = U_ном = const и n = n_ном = const аналогична регулировочной характеристике генератора независимого возбуждения (рис. 1.19, кривая 2), но идет несколько круче, что объясняется более значительным уменьшением напряжения генератора.

 

21).
СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАТОРОВ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

9.8.1. Характеристика холостого хода и процесс самовозбуждения. Как видно из рис. 9.16, от якоря генератора параллельного возбуждения получают питание приемник электрической энергии и обмотка возбуждения Ш ₁ = Ш ₂. Согласно первому закону Кирхгофа

I _я = I + I _в.

Мощность Р _в и ток I _в обмотки возбуждения невелики. Обычно Р _в,ном ≈ (0,02÷0,05) Р _ном и I _в,ном ≈ (0,02÷0,05) х I _ном, где Р _ном и I _ном— номинальные мощность и ток генератора; Р _в,ном и I _в,ном — мощность и ток возбуждения при номинальном режиме работы генератора.

При холостом ходе I = 0 и в обмотке якоря возникает весьма небольшой ток I _я = I _в. На основании второго закона Кирхгофа при холостом ходе U = Е — I _я r _я = Е — I _в r _я.

Падением напряжения I в r я ввиду его малости можно прене­бречь и считать, что при холостом ходе U = Е. Так как при хо­лостом ходе ток I _я = I _в невелик, реакцию якоря можно не учитывать. В этом случае, как и для генератора независимого возбуждения,

Ф = f ₂(I _в w _в) = f ₁(I _в);

Е = k _e nf ₁(I _в).

Очевидно, связь между Ф и I _в, а также между Е и I _в зависит от параметров генератора и совершенно не зависит от того, откуда получает питание обмотка возбуждения. Поэтому генератор параллельного возбуждения имеет характеристику холостого хода Е (I _в) (рис. 9.17), подобную характеристике генератора независимого возбуждения.

Особенностью генератора параллельного возбуждения является то, что он работает по принципу самовозбуждения. Для того чтобы генератор возбудился, должны быть выполнены два условия:

1) генератор должен иметь магнитный поток остаточного намагничивания Ф₀;

2) обмотка возбуждения должна быть подключена к якорю так, чтобы ею создавался магнитный поток, совпадающий по направлению с потоком остаточного намагничивания.

Рис. 9.16. Схема включения генератора параллельного возбуждения

Рис. 9.16. К пояснению процесса самовозбуждения генератора параллельного возбуждения

Процесс самовозбуждения можно пояснить следующим образом. Магнитным потоком Ф₀ в обмотке якоря индуктируется ЭДС Е ₀, под действием которой в обмотке возбуждения возникает ток I _в0, возбуждаюший магнитный поток Ф₁ > Ф₀. Потоком Ф₁ > Ф₀ в обмотке якоря индуктируется ЭДС Е ₁ > Е ₀, под действием которой в обмотке возбуждения возникает ток I _в1 > I _в0, вызывающий магнитный поток Ф₂ > Ф₁, и т. д.

Чтоб решить вопрос о том, до каких установившихся значений ЭДС Е и тока I _в возбудится генератор, запишем по второму закону Кирхгофа уравнение для переходного процесса самовозбуждения

(9.13)

е = i в(r я + r п + r р) + L я	di я	+ L в	di в	.
dt	dt

где L _я и L _в — индуктивность обмоток якоря и возбуждения; L _я di _я/ dt и L _в di _в/ dt — ЭДС самоиндукции, возникающие в обмотках якоря и возбуждения вследствие изменения тока i _в.

Когда процесс самовозбуждения закончится, di _в/ dt = 0,
i _в = I _в, e = E и вместо (9.13) можно написать

Е = I _в (r _я + r _п + r _р) = I _в Σ r

Таким образом, процесс самовозбуждения закончится тогда, когда ЭДС станет равной падению напряжения в сопротивлениях цепи якоря и обмотки возбуждения.

Установившиеся значения Е и I _в при заданном сопротивлении r _р нетрудно найти графическим путем, для чего необходимо знать характеристику холостого хода Е (I _в) и вольт-амперную характеристику I _в Σ r = f (I _в) (рис. 9.17). При равных значениях Σ r получим соответственно несколько вольт-амперных характеристик I _в Σ r = f (I _в). Устано­вившиеся значения Е и I _в определяются точками пересечения хaрактеристики холостого хода и вольт-амперных характеристик.

9.8.2.Внешняя характеристика. На основании второго закона Кирхгофа (рис. 9.16)
U = Е - I _я r _я. Но I _я = I + I _в, поэтому U = Е - Ir _я - I _в r _я.

Падением напряжения I _в r _я можно пренебречь. Тогда

U = E - Ir _я.

После замены в последнем уравнении напряжения согласно выражению U = Ir _п и решения относительно тока получим

(9.14)

I =	Е	.
r я + r п

Как видно, уравнение внешней характеристики и формула для определения тока нагрузки имеют такой же вид, как для генератора независимого возбуждения. Однако напряжение U и ток I генератора параллельного возбуждения будут изменяться по-иному при изменении сопротивления r _п. Объясняется это тем, что у генератора параллельного возбуждения ЭДС не остается постоянной. Действительно, изменение сопротивления r _п будет приводить к изменению тока I и напряжения U. Но так как

I в =	U	.
r в + r p

а Е =f (I _в), то при этом будет изменяться также ЭДС Е. При холостом ходе генератора (r _п = ∞, I = 0)

U = U x = E; I в =	U	.
r в + r p

Предположим, что при холостом ходе значения Е и I _в определяются точкой А (см. рис. 9.17). Поскольку ферромагнитный материал магнитной цепи насыщен, сначала при уменьшении сопротивления r _п числитель в (9.14) уменьшается медленнее знаменателя и ток I возрастает до I _max (рис. 9.18); напряжение U снижается как из-за увеличения падения напряжения Ir _я, так и вследствие уменьшения ЭДС. При некотором сопротивлении r _п ток возбуждения уменьшится до значения I _в3 и ферромагнитный материал окажется ненасыщенным. Поэтому при дальнейшем уменьшении r _п числитель в (9.14) будет уменьшаться быстрее знаменателя и ток I будет спадать. Несмотря на уменьшение падения напряжения Ir _я напряжение будет продолжать снижаться из-за значительного уменьшения ЭДС Е. Таким образом, при уменьшении сопротивления приемника r _п напряжение U непрерывно снижается, ток I сначала возрастает, при некотором сопротивлении r _п достигает максимального значения I _max, а при дальнейшем уменьшении r _п уменьшается. Максимальный ток I _max составляет I _max = (2 ÷ 3) I _ном. Внешняя характеристика 1 генератора параллельного возбуждения приведена на рис. 9.18. Там же дана для сравнения характеристика 2 генератора независимого возбуждения.

Рис. 9.18 Внешние характеристики генераторов параллельного (1) и независимого (2) возбуждения

Из-за снижения ЭДС напряжение генератора параллельного возбуждения уменьшается при увеличении нагрузки в большей степени, чем у генератора независимого возбуждения. Это является одним из его недостатков. Обычно

Δ u ном =	U х - U ном	100 = 10 ÷ 15%.
U м

При коротком замыкании (r _п = 0) U = 0 и I _в = 0; в якоре будет индуктироваться небольшая ЭДС Е ₀ от потока остаточного намагничивания, поэтому ток короткого замыкания I = I _к = Е ₀/ r _я не может быть большим. Обычно I _к < I _ном. Следует, однако, обратить внимание на то, что при внезапном коротком замыкании в течение некоторого времени может существовать ток, во много раз превышающий номинальный. Это объясняется инерционностью, вносимой обмоткой возбуждения, из-за которой магнитный поток и ЭДС якоря не могут мгновенно уменьшиться до значений, определяемых остаточным намагничиванием

9.8.3. Регулировочная характеристика. Регулировочная характеристика генератора параллельного возбуждения не отличается по виду от характеристик генератора независимого возбуждения (см. рис. 9.15). Однако поскольку у генератора параллельного возбуждения напряжение U меняется в больших пределах, необходимо в больших пределах изменять и ток возбуждения с помощью реостата r _р.

22).
В генераторе смешанного возбуждения, который в практике называют компаундным, имеются две обмотки возбуждения, одна из них включена последовательно, а другая параллельно обмотке якоря (рис. 57, а).

Количество витков каждой обмотки рассчитывают так, чтобы номинальное напряжение на зажимах генератора при холостом ходе обеспечивалось параллельной обмоткой возбуждения.

Рис. 57: Генератор смешанного возбуждения:

а - схема, б - внешняя характеристика, 1 - для генератора смешанного возбуждения, 2 - при включенной только одной обмотке параллельного возбуждения, 3 - при включенной только одной обмотке последовательного возбуждения

Последовательная обмотка возбуждения создает м. д. с, индуктирующую в якоре э. д. с. такой величины, чтобы компенсировать падение напряжения в якоре и действие реакции якоря. На рисунке 57, б изображена внешняя характеристика генератора смешанного возбуждения. Кривая 3 показывает внешнюю характеристику этого генератора при отключенной обмотке параллельного возбуждения, а кривая 2 - ту же характеристику с одной только обмоткой параллельного возбуждения. Если сложить ординаты кривых 3 и 2, то получится кривая 1, представляющая собой внешнюю характеристику генератора смешанного возбуждения. Как видно из кривой 1, напряжение генератора при изменении нагрузки остается почти постоянным. Приведенную на рисунке 58, в внешнюю характеристику 1 получают в том случае, когда обмотки возбуждения включены согласно, т.е. так, что магнитные потоки обеих обмоток складываются.

При встречном включении магнитные потоки обмоток возбуждения вычитаются, а напряжение генератора при увеличении нагрузки резко понижается (кривая 2, рис. 58, в). Встречное включение генератора может применяться в том случае, когда нужно получить круто падающую внешнюю характеристику, например, для сварочного генератора.

Рис. 58: Внешние характеристики генератора смешанного возбуждения:

а - согласное включение обмоток, б - встречное включение обмоток, в - внешние характеристики.

Иногда может быть поставлено задание поддерживать постоянное напряжение у потребителя, подключенного в конце какой-нибудь линии, для чего нужно скомпенсировать падение напряжения в линии. В этом случае увеличивают число витков последовательной обмотки возбуждения с таким расчетом, чтобы с ростом нагрузки напряжение на зажимах генератора возрастало на величину падения напряжения в линии. Такие генераторы называют перекомпаундированными. Внешняя характеристика этого генератора изображена на рисунке 59.

Напряжение на зажимах генератора с ростом нагрузки увеличивается пропорционально величине падения напряжения в линии. В результате этого напряжение у удаленного от станции потребителя при любой нагрузке остается номинальным.

У генераторов смешанного возбуждения обмотка параллельного возбуждения подключена к щеткам машины, такую схему называют схемой с «коротким шунтом» (рис. 60, а).

Рис. 59: Внешняя характеристика перекомпаундированного генератора.

Рис. 60: Схемы включения обмоток при смешанном возбуждении:

а - «короткий шунт»; б - «длинный шунт»

При «коротком шунте» к обмотке возбуждения подведено наибольшее напряжение, что обеспечивает максимальный ток возбуждения. Для двигателей смешанного возбуждения применяют «длинный шунт» (рис. 60, б). При этом к параллельной обмотке возбуждения подведено также наибольшее напряжение из сети.

Напряжение на зажимах генератора смешанного возбуждения при соединении с «коротким шунтом» определяют по формуле

где Е - э. д. с. якоря (в);

I_я - ток якоря (а);

I_нг - ток нагрузки (а);

R_я - сопротивление обмотки якоря (ом);

R_{с. о.} - сопротивление сериесной обмотки (ом).

Регулировочные характеристики генераторов смешанного возбуждения представлены на рисунке 61. Здесь кривая 1 изображает регулировочную характеристику обычного генератора смешанного возбуждения, а кривая 2 - перекомпаундированного генератора.

Регулировочные характеристики снимают при согласном включении обмоток. Регулировочные характеристики всегда представляют собой зеркальное изображение соответствующих внешних характеристик генератора

Рис. 61: Регулировочные характеристики генераторов смешанного возбуждения.

 

Рис. 62: Схема