Кулик Ю.А. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

Следовательно, плотность тока под набегающим и сбегающим краями щетки

пропорциональна тангенсам углов наклона α

и α

. При линейной коммутации α

= α

(рис.

2.23, а), поэтому плотности тока одинаковы (Δ

= Δ

). В результате коммутация обычно

проходит без искрения.

Замедленная коммутация. Если в области, где расположены коммутируемые секции, нет

магнитного потока, то э. д. с. вращения равна нулю, и ΣE представляет собой

нескомпенсированную реактивную э. д. с. По закону Ленца реактивная э. д. с. создает в

короткозамкнутой секции ток I

, который замедляет процесс. В результате этого

коммутация оказывается замедленной, ток I проходит через 0 при t > T

/2 (рис. 2.23, б).

При замедленной коммутации α

> α

(рис. 2.23, б), поэтому согласно (2.18) плотность

тока Δ

> Δ

. Повышенная плотность тока Δ

на сбегающем крае щетки неблагоприятно

влияет на коммутацию. Замедление процесса коммутации может вызывать искрение при

разрыве цепи секции в момент, когда коллекторная пластина 1 отходит от щетки.

В случае, когда щетки стоят на геометрической нейтрали, коммутируемые секции

вращаются в зоне потока поперечной реакции якоря. Если этот поток нескрмпенсирован,

то индуктируемая им э. д. с. вращения у

силивает ток I

, и коммутация становится еще

более замедленной.

Ускоренная коммутация. Для компенсации реактивной э. д. с. в областях, где

расположены стороны коммутируемой секции, создают поток, направленный в

противоположную сторону по отношению к потоку реакции якоря. В этом случае э. д. с.

вращения направлена встречно реактивной э. д. с. и может ее скомпенсировать. При

полной компенсации и

меет место линейная коммутация. В случае перекомпенсации, т. е.

когда э. д. с. вращения больше реактивной, добавочная составляющая тока I

ускоряет

процесс, и ток секции проходит 0 при t < T

/2 (рис. 2.23, в). Такая коммутация называется

ускоренной.

При ускоренной коммутации α

< α

(рис. 2.23, в), поэтому согласно (2.18) плотность тока

< Δ

При чрезмерной плотности тока Δ

на набегающем крае щетки может возникнуть

искрение в момент замыкания секции, когда пластина 2 подходит к щетке.

На практике стремятся иметь такое значение потока в зоне расположения секций, чтобы

коммутация была линейной или несколько ускоренной.

Причины искрения и способы улучшения коммутации. Процесс коммутации часто

сопровождается искрением на коллекторе. Искрение может быть вызвано механическими

причинами, которые имеют место из-за вибрации, изменения геометрической формы

коллек-

тора (эллиптичности), плохой стяжки пластин, шероховатости его поверхности и из-за

выступания слюдяных изолирующих прокладок над пластинами. Искрение также может

возникать из-за неправильного подбора сорта щеток, неправильной их расстановки и

слишком слабого нажатия на коллектор. Сильное искрение может перейти в круговой

огонь на коллекторе, при этом возникает электрическая дуга, охватывающая коллектор

частично ил

и полностью по его цилиндрической поверхности.

Причины искрения могут быть также связаны с коммутацией. Для их устранения

необходимо уменьшить или скомпенсировать реактивную э. д. с.

Уменьшить реактивную э. д. с. и вызванный ею ток можно следующими способами:

1) число витков в секции следует брать наименьшим. Однако, это не всегда можно

осуществить, так как при малом числе витков в секции увеличивается число последних,

что ведет к необходимости иметь слишком много коллекторных пластин, в результате

чего диаметр коллектора получается большим;

2) для того чтобы одновременно коммутировало наименьшее число секций, следует

выбирать ширину щетки близкой к ширине одной коллекторной пластины. Однако при

этом коллектор используется плохо (слишком удлиняется), поэтому на практике ширину

щетки обычно выбирают в 1,5—3 раза больше коллекторной пластины;

3) следует выбирать низкую скорость вращения, однако это нежелательно, так как

тихоходные машины имеют большой вес и габариты;

4) из уравнения (2.16, а) следует, что для уменьшения добавочного тока I

, вызванного э.

д. с. короткозамкнутой коммутируемой секции, следует выбирать более жесткие щетки,

имеющие повышенное сопротивление r

и r

. Однако жесткие щетки ведут к повышению

износа коллектора.

Таким образом, каждый из перечисленных способов может быть использован в

ограниченной степени, иначе он вызовет нежелательные побочные явления.

Скомпенсировать реактивную э. д. с. можно так:

1) сдвигают щетки за физическую нейтраль в сторону вращения в генераторном режиме и

против вращения в двигательном. Коммутируемые секции оказываются в зоне потока,

индуктирующего в них э. д. с. вращения, направленную встречно реактивной э. д. с. При

правильно подобранном угле сдвига имеет место компенсация реактивной э. д. с.

Недостатком этого способа является его непригодность для реверсивных машин и

необходимость с изменением нагрузки сдвигать щетки в новое положение. Поэтому в

настоящее время этот способ не применяется. В микромашинах щетки всегда

устанавливаются неподвижно на геометрической нейтрали;

2) для создания требуёмого компенсирующего потока в области междуполюсного

пространства, в которой располагаются коммутируемые секции, устанавливают

дополнительные полюса. Для обеспечения автоматической компенсации реактивной э. д.

с. и реакции якоря в зоне коммутации при изменении нагрузки машины поток

дополнительных полюсов должен изменяться пропорционально току якоря. Поэтому

обмотка дополнительных полюсов соединяется последовательно с обмоткой якоря (рис.

2.24). Установка дополнительных полюсов является основным средством, используемым

для улучшения коммутации промышленных машин постоянного тока. Применение

дополнительных полюсов в микромашинах весьма ограничено, так как их размещение

встречает значительные трудности;

3) дополнительные полюса компенсируют реакцию якоря только в междуполюсном

пространстве, под полюсами реакция якоря остается нескомпенсированной и искажает

поле, это приводит к резкой разнице межд

у э. д. с, наведенной в соседних секциях

обмотки, и к повышению разности потенциалов между пластинами коммутируемых

секций, что может вызвать образование на коллекторе кругового огня. Для

предотвращения этого применяют компенсационную обмотку.

Рис. 2.24. Расположение, полярность и соединение дополнительных полюсов.

Рис. 2.25. Размещение компенсационной обмотки в полюсных наконечниках

Компенсационная обмотка К (рис. 2.25) закладывается в пазы полюсных наконечников и

соединяется последовательно с обмоткой

якоря. Создаваемая дополнительными полюсами м. д. с. и м. д. с. реакции якоря должны

быть равны и направлены встречно.

Выполнение компенсационной обмотки требует большой дополнительной затраты меди,

поэтому ее применяют лишь в специальных типах электрических машин и в машинах

большой мощности, предназначенных для работы в тяжелых условиях.

В микромашинах обмотка якоря имеет относительно большое сопротивление, что

несколько облегчает комму

тацию. Кроме того, ввиду ограниченности места, размещение в

микромашинах компенсационной обмотки и дополнительных полюсов встречает

трудности и поэтому не применяется. Отсутствие компенсационной обмотки и

дополнительных полюсов осложняет коммутацию, тем более, что микромашины часто

работают при больших скоростях вращения. Для улучшения коммутации микромашин

число витков в секции делают наименьшим и выбирают щетки с повышенным

сопротивлением. Так как микромашины часто работают в ус

ловиях тряски и повышенной

вибрации, то для улучшения коммутации увеличивают давление на щетки.

Радиопомехи. Искрение, возникающее при коммутации коллекторных машин, является

интенсивным источником радиопомех. При искрении и дугообразовании создается

непрерывный спектр высокочастотных колебаний, которые наводят помехи в

радиоприемных и телевизионных устройствах.

Источником радиопомех может также явиться пульсация э. д. с., обусловленная действием

коллектора. Для анализа кривую пульсации э. д. с. разлагают в гармонический ряд.

Порядок гармоник и их амплитуды определяются числом пар полюсов и коллекторных

пластин. По мере возрастания порядка гармоники ее амплитуда быстро убывает. Частота f

основной гармоники обратно пропорциональна периоду Т

коммутации, т. е.

где ω — скорость вращения якоря, рад/сек;

К — число коллекторных пластин машины.

Частоты гармоник, вызванных коллекторной пульсацией э. д. с, являются сравнительно

небольшими, и обычно искрение под щетками является главным источником помех,

которые в радиоприемной аппаратуре вызывают треск и непрерывный шум.

Уровень радиопомех не должен превосходить уровня, установленного стандартом (табл.

2.1).

Для уменьшения радиопомех применяют электрические фильтры, экранирование машины

и симметрирование обмоток возбуждения, соединенных последовательно с якорем.

Наиболее простыми фильтрами являются конденсаторы (рис. 2.26, а), соединенные между

проводами сети (конденсатор 1) или проводом и корпусом (конденсатор 2). Наиболее

эффективными

ТАБЛИЦА 2.1

Нормы предельно допустимых радиопомех электротехнических устройств коммунального

и бытового обслуживания

являются проходные конденсаторы 2, в которых один выводной конец присоединяется к

корпусу, а другой проходит внутри конденсатора и является токоведущим проводником,

соединенным последовательно с обмоткой якоря. Емкость конденсатора обычно

составляет 0,1—1 мкф.

Наилучшие результаты дает применение Г-образных (рис. 2,26,б) и в особенности П-

образных (рис. 2.27, в) режущих фильтров, которые пропускают постоянную

составляющую напряжения и задерживают гармонические составляющие.

Рис. 2.26. Схема защиты от радиопомех: а — емкостной фильтр; б — Г-образный фильтр; в — П-образный

фильтр

Рис. 2.27. Симметрирование последовательных обмоток возбуждения

Во время испытания при повышенном напряжении конденсаторы следует отключать, так

как их испытательное напряжение обычно ниже, чем испытательное напряжение машины.

Роль поглощающего помехи экрана в электрической машине играет корпус, на который со

стороны коллектора надевают защитный колпак. Иногда для улучшения экранирования

вентиляционные отверстия в щитах закрывают густой медной или латунной сеткой, а

выступающий конец вала замыкают на корпус специальной щеткой. Проводка

выполняется экранированным проводом,

в некоторых случаях все проводники помещают в алюминиевую или медную панцирную

оплетку. Экран провода или оплетки имеет надежное электрическое соединение с

корпусом машины, который должен быть заземлен. Экранирование не защищает от

гармоник, вызванных пульсацией э. д. с. якоря.

С целью увеличения внутреннего высокочастотного сопротивления со стороны внешних

зажимов применяют симметрирование. Для этого обмотку возбуждения, соединенную

последовательно с якорем, делят на две части, которые соединяют симметрично

относительно коллектора (рис. 2.27).

ВОПРОСЫ

1. Что представляет собой процесс коммутации? Из каких элементов состоит контур коммутируемой

секции? На какую величину изменяется ток секции за время коммутации?

2. Какое различие между ускоренной, линейной и замедленной коммутацией? В каком случае имеет место

каждый из этих видов коммутации? Как при различных видах коммутации изменяется плотность тока на

сбегающем и набегающем краях щетки?

3. Почему при расположении щеток на геометрической нейтрали поток полюсов не индуктирует э. д. с.

вращения в коммутируемой секции, а поток поперечной реакции якоря индуктирует? Как расположен по

отношению полюсов виток коммутируемой секции?

4. Какое назначение имеют дополнительные полюса? Почему обмотку якоря и дополнительные полюса

соединяют последовательно? Почему сталь пакета дополнительного полюса должна быть ненасыщенной?

Какую величину и направление должна иметь м. д. с. компенсационной обмотки?

5. Что в электрической машине является источником радиопомех? Какие применяются меры для снижения

уровня радиопомех?



§ 2.5. ГЕНЕРАТОРЫ

Назначение. Микромашины постоянного тока используются в качестве генераторов в

различных установках радио- и проводной связи, на самолетах, автомашинах и др.

Большое распространение в измерительной и счетно-решающей технике получили

тахогенераторы постоянного тока.

Современные электрические станции вырабатывают энергию в форме трехфазного

переменного тока. Значительная ее часть используется без преобразования в другие виды

энергии. Однако на транспорте, в металлургической промышленности, в телефонной

связи, для сварки, в некоторых схемах автоматического регулирования и т. д. необходимо

или предпочтительнее использование постоянного тока. В этих случаях для выработки

энергии часто используют электромашинные генераторы постоянного тока. Кроме того,

генераторы постоянного тока применяют как возбудители синхронных генераторов, для

питания радиостанций, электролиза и зарядк

и аккумуляторных батарей.

Уравнения напряжений и моментов. В обмотке якоря индуктируется э. д. с. Если по

обмотке проходит ток I

, то имеет место падение напряжения в сопротивлении r

цепи

якоря, которое складывается из сопротивлений щеточного контакта и обмоток: якоря,

дополнительных полюсов и компенсационной. В переходных режимах возникает также

падение напряжения на индуктивности L

якоря. Согласно второму закону Кирхгофа

где и — напряжение на зажимах якоря.

Это выражение называют уравнением напряжения генератора. Оно показывает, что в

любой момент времени э. д. с. генератора уравновешивается напряжением и падением

напряжения в якоре.

При вращении якоря, даже в случае холостого хода, имеет место момент сопротивления

вращению, который обуславливается потерями в машине на трение, на вихревые токи

и гистерезис. Этот момент называют моментом холостого хода. При нагрузке в результате

взаимодействия тока якоря с магнитным потоком генератора возникает тормозной

электромагнитный момент М. При всяком нарушении постоянства скорости вращения

возникает динамический момент.

где J — момент инерции якоря;

ω — угловая скорость вращения, рад /сек.

В генераторном режиме эти моменты уравновешиваются механическим моментом М

мех

приводного двигателя:

Это выражение называют уравнением моментов генератора. Уравнение показывает, что в

любой момент времени в генераторном режиме механический момент приводного

двигателя уравновешивается моментами холостого хода, электромагнитным и

динамическим.

Классификация по способу возбуждения. На рис. 2.28 дана классификация

электрических машин по способу возбуждения. При электромагнитном возбуждении

поток полюсов создается обмотками возбуждения, питаемыми постоянным током. В

машинах с независимым возбуждением обмотки возбуждения питаются от постороннего

источника тока (рис. 2.29, а). В машинах с самовозбуждением обмотка возбуждения

питается током от якоря этой же машины (рис. 2.29, б, в, г).

Рис. 2.28. Схема классификации электрических машин по способу возбуждения

Самовозбуждение может осуществляться при параллельном соединении с якорем обмотки

возбуждения (рис. 2.29, б), при последовательном соединении (рис. 2.29, в) и при

смешанном (рис. 2.29, г),

Рис. 2.29. Схемы возбуждения машин постоянного тока:

а — независимое; б — параллельное; в — последовательное; г — компаундное

когда одна обмотка возбуждения соединена параллельно с якорем, а другая

последовательно. Машины с таким соединением обмоток соответственно называются

машинами параллельного, последовательного и компаундного (смешанного) возбуждения.

Ток независимой и параллельной обмоток возбуждения у машин средних и больших

мощностей имеет небольшую величину, не превышающую нескольких процентов, а у

микромашин достигает значительной величины — до 30% от тока, идущего через якорь.

В последнее время в связи с улучшением качества магнитожестких материалов, в

частности с применением алюминиево-никелевых сплавов, машины малой мощности

часто выполняют с воз

буждением от постоянных магнитов. Иногда применяется

комбинированное возбуждение: электромагнитное и от постоянных магнитов. В этом

случае на полюсы магнитной системы, имеющей вставку из постоянных магнитов,

надевают обмотки, которые питаются по одной из схем электромагнитного возбуждения.

Машины с постоянными магнитами. Большое распространение получают

микромашины с возбуждением от постоянных магнитов. Такие машины постоя

нного тока

называются магнитоэлектрическими. В ряде случаев характеристики этих машин имеют

показатели, не уступающие машинам с электромагнитным возбуждением. Машины с

постоянными магнитами надежны в работе и хорошо сохраняют первоначальные

магнитные характеристики в течение длительного времени. В связи с отсутствием

обмотки возбуждения они имеют следующие преимущества: уменьшение расхода

цветных металлов, снижение нагрева, веса и габаритов, а также увеличение к. п. д. Их

недостатком является невозможность регулировать поток возбуждения.

Важным преимуществом постоянных магнитов является постоянство создаваемого ими

магнитного потока, значение которого не зависит от изменения температуры, напряжения

и скорости вращения. Особенно большие выгоды от применения постоянных магнитов

дает их использование в микромашинах мал

ых мощностей. Например, применение

постоянных магнитов в машинах мощностью до 10 вт может в два раза увеличить их к. п.

д. и существенно уменьшить габариты. Использование постоянных магнитов в машинах

мощностью больше 1 квт нецелесообразно.

В настоящее время в Советском Союзе изготовляются высококачественные магнитные

сплавы на основе системы железо — никель — алюминий, в ряде сл

учаев с примесью

меди, кремния, кобальта и титана. Эти сплавы обладают большой хрупкостью и плохо

поддаются обработке. В последнее время часто постоянные магниты изготовляются

прессовкой порошка соответствующего сплава со связующими смолами. Этот метод

является наиболее экономичным при массовом производстве магнитов сложной формы,

но прессованные магниты имеют несколько худшие магнитные свойства.

Основной характеристикой материала постоянных магнитов служит кривая

размагничивания 1 (рис. 2.30), которая является частью петли гистерезиса. Кривая

размагничивания показывает зависимость индукции в теле магнита от размагни-