Магнитная характеристика электрических машин

Если магнитный поток машины создается обмоткой возбуждения, питаемой постоянным током, то необходимый ток возбуждения определяется по известному значению МДС величины FB на пару полюсов:

где wB — число витков обмотки возбуждения.

При создании магнитного потока многофазной обмоткой, питаемой переменным током, амплитуда намагничивающего тока в фазе

Рис. 4.34. Магнитные характеристики электрических машин

где wф и kоб.ф — число витков в фазе и обмоточный коэффициент данной обмотки; т — число фаз.

Действующее значение намагничивающего тока

где kμ — коэффициент, зависящий от степени насыщения магнитной системы (при ненасыщенной машине kμ = 0,707; по мере насыщения коэффициент уменьшается до значений kμ = 0,5...0,4).

На рис. 4.34, а приведена типичная магнитная характеристика Ф = f(FB) в относительных единицах для электрических машин с явновыраженными полюсами (синхронных машин и машин постоянного тока). Ее можно построить по результатам расчета магнитной системы машины при различных значениях магнитного потока. На магнитной характеристике резко выражен начальный прямолинейный участок, что обусловлено наличием сравнительно большого воздушного зазора, для которого характерна линейная зависимость магнитного напряжения от магнитного потока Ф. При сравнительно малых значениях магнитного потока, а следовательно, и магнитной индукции в ферромагнитных участках магнитной системы магнитными напряжениями на этих участках можно пренебречь и считать, что FB ≈ Fδ. По мере увеличения магнитного потока магнитные сопротивления стальных участков возрастают, особенно сильно зубцового слоя. При индукции в зубцах, примерно равной 1,6 Тл, зависимость Ф = f(FB) начинает отклоняться от прямолинейной.

В большинстве электрических машин точку a, соответствующую номинальному режиму, выбирают на криволинейном участке магнитной характеристики. При работе на линейном участке (т. е. при небольшой магнитной индукции) плохо используется сталь магнитной системы, а при больших насыщениях резко возрастает МДС обмотки, создающей магнитный поток, следовательно, число витков этой обмотки и поперечное сечение провода. Таким образом, ненасыщенная машина и машина с большим насыщением магнитной системы требуют повышенного расхода активных материалов.

Количественно степень насыщения магнитной системы характеризуется коэффициентом насыщения kнас, которых можно найти из магнитной характеристики (рис. 4.34, а) как отношение отрезка ab, соответствующего МДС Fв.ном, к отрезку be, отсекаемому продолжением прямолинейного участка магнитной характеристики. Для машин переменного тока kнас = 1,1...1,3; для машин постоянного тока kнac = 1,4...1,8. Применение несколько меньших коэффициентов насыщения в синхронных машинах по сравнению с машинами постоянного тока объясняется стремлением уменьшить магнитные потери в стали якоря и сократить число витков обмотки возбуждения.

Магнитные характеристики различных машин с одинаковыми коэффициентами насыщения, выраженные в относительных единицах, практически совпадают. Это означает, что все многообразие магнитных характеристик можно свести к одной кривой, выраженной в некоторых условных единицах. Такая универсальная кривая, полученная из магнитной характеристики реальной машины, изображена на рис. 4.34,б и соответствует приведенным ниже цифрам:

Если требуется построить магнитную характеристику для машины, имеющей, например, kнас = 1,5, то поступают следующим образом. На универсальной магнитной характеристике (рис. 4.34, б) из начала координат проводят вспомогательную прямую, образующую с осью ординат угол γ2, тангенс которого в 1,5 раза больше тангенса угла γ1, образуемого прямолинейной частью универсальной магнитной характеристики с той же осью. Вспомогательная прямая пересекает универсальную характеристику в точке а, которая и соответствует номинальному режиму, т. е. в данном случае Ф*ном = 12,3 (точка b) и F*в.ном = 11,85 (точка d).

В соответствии с полученными значениями Φ*ном и F*в.ном можно перестроить универсальную магнитную характеристику в характеристику, выраженную в относительных единицах с kнас = 1,5, используя формулы Ф/Фв.ном = Ф*/Фв.ном и Fв/Fв.ном = F*в/F*в.ном. Построенные таким способом расчетные кривые дают погрешность не более 3%.