Вольдек А.И. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

положения геометрической нейтрали 1—1 на некоторый угол Р

в положение 2—2 (рис. 5-2), которое называется линией фи-

зической нейтрали. В генераторе физическая нейтраль

повернута в сторону вращения якоря, а в двигателе — в обратную

сторону.

Из рис. 5-1, б следует, что при вращении якоря в проводниках,

показанных в левой части рис. 5-1, б, поле поперечной реакции

на геометрической нейтрали

якоря индуктирует э. д. с. одного направления, а в правой — дру-

гого, В результате этого при установке щеток на геометрической

нейтрали суммарная э. д. с. от поля реакции якоря в каждой па-

раллельной ветви обмотки и на щетках равна нулю.

Продольная реакция якоря. Если щетки сдвинуты с геометри-

ческой нейтрали на 90° эл. (рис. 5-3), то поле якоря действует вдоль

оси полюсов и называется полем продольной реак-

ции якоря. Это поле в зависимости от направления тока в якоре

оказывает на поле полюсов намагничивающее или размагничивающее

действие, и в результате его взаимодействия с полем полюсов

электромагнитный момент не возникает. Индуктируемая при вра-

щении якоря э. д. с. на щетках будет в этом случае также равна

нулю.

Общий случай реакции якоря. Обычно щетки устанавливаются

на геометрической нейтрали. Однако в результате неточной уста-

новки щеток, а также сознательных действий персонала щетки мо-

гут быть сдвинуты с геометрической нейтрали на некоторый угол а

(рис. 5-4, а), причем 0<а<90° эл. В таком общем случае по-

верхность якоря на протяжении двойного полюсного деления можно

Рис. 5-2. Результирующее магнит-

ное поле при установке щеток

разбить на две пары симметричных секторов: 1) аб и гв, 2) аг и бв.

Токи первой пары секторов (рис. 5-4, б) создают поле поперечной

реакции якоря, а токи второй пары (рис. 5-4, в) — поле продольной

реакции якоря.

Указанные на рис. 5-4, а полярности полюсов и направления

токов якоря соответствуют вращению якоря в режиме генератора (Г)

по часовой стрелке, а в режиме двигателя (Д) — против часовой

стрелки.

Рис. 5-4. Разложение н. с. реакции якоря при сдвиге щеток с ней-

трали (а) на поперечную (б) и продольную (в)

Как следует из рис. 5-4, при повороте щеток генератора в на-

правлении вращения и щеток двигателя против направления

вращения возникает размагничивающая продольная реакция

якоря, вызывающая уменьшение потока полюсов. При сдвиге

щеток в обратном направлении возникает намагничивающая про-

дольная реакция якоря, вызывающая увеличение потока полю-

сов.

§ 5-2. Влияние реакции якоря на магнитный поток машины

Н. с. поперечной реакции якоря. Рассмотрим вопросы количе-

ственного учета влияния реакции якоря на магнитный поток ма-

шины. При этом для простоты примем следующие допущения:

1) якорь не имеет пазов, однако влияние пазов на магнитное сопро-

тивление зазора учитывается введением в рассмотрение эквивалент-

ного воздушного зазора 6' = £

6 (см. § 2-2); 2) проводники якоря

распределены равномерно по окружности якоря. Получаемые при

этом результаты достаточно точны для практических целей.

На рис. 5-5, а изображена машина в развернутом виде на протя-

жении двойного полюсного деления, причем щетки установлены на

геометрической нейтрали. Характер возникающего поля попереч-

ной реакции якоря также показан на рисунке, Величины, относя-

щиеся к поперечной реакции якоря, будем обозначать индексами aq,

а к продольной реакции — индексами ad.

Применим закон полного тока

к линии магнитной индукции, пересекающей зазор в пределах по-

люсного наконечника на расстоянии х от центра полюса, и предпо-

ложим сначала, что в сталь-

ных участках магнитной

цепи (г

= оо и поэтому в

стали Н = 0. Можно при-

нять также, что вдоль маг-

нитной линии в воздушном

зазоре H

aqx

— const. Тогда

вместо указанного инте-

грального соотношения по-

лучим

2Н

адх

Ь'=2А

х,

где А

— линейная нагруз-

ка якоря.

Таким образом,

В aqx — aqx— АаХ'

Это соотношение можно

представить в виде

aqx

= h

, (5-1)

„ - Рис 5-5 Магнитное поле машины в воздуш-

ном зазоре при наличии поперечной реакции

= Цо/6' (5-2) якоря

представляет собой магнитную проводимость зазора на единицу

площади, а

qx = A

x (5-3)

— н. с. поперечной реакции якоря в точке с координатой х.

На основании соотношения (5-3) можно построить зависимость

Faqx = f (*). причем надо учесть, что при изменении направления

тока в проводниках якоря А

меняет знак (рис. 5-5, б). Максималь-

ное значение F

aqx

достигается на линии геометрической нейтрали:

(5-4)

а возле края полюсного наконечника

Faqb— g "

Размагничивающее действие поперечной реакции якоря. При

— const .Кривая индукции B

uqx

повторяла бы кривую F

aqx

. Од-

нако в тлеждуполюсном пространстве %

уменьшается, и B

aqx

—

= / (х) принимает форму кривой 1 на рис. 5-5, в. На этом же рисунке

кривая 2 представляет собой распределение индукции поля возбу-

ждения в зазоре. Кривая индукции результирующего поля 3 полу-

чается при отсутствии насыщения путем сложения ординат кривых 1

и 2. В действительности вследствие насыщения магнитной цепи ре-

зультирующая индукция на тех участках, где поля складываются,

будет меньше арифметической суммы ординат кривых 1 и 2, а на

участках, где поля вычитаются, — больше арифметической раз-

ности ординат кривых 1 к 2. Поэтому с учетом насыщения кривая

индукции результирующего поля примет вид штриховой кривой 4.

При отсутствии насыщения поперечная реакция якоря вызы-

вает лишь искажение кривой поля в зазоре, однако поток одного

полюса остается неизменным. Но при наличии насыщения уменьше-

ние потока на том краю полюса, где поля складываются, будет

больше, чем увеличение на томжраю полюса, где поля вычитаются.

Это объясняется тем, что насыщение сильнее там, где сильнее ре-

зультирующее поле.

Вследствие этого под влиянием насыщения поперечная ре-

акция якоря всегда вызывает некоторое уменьшение потока по-

люсов, и в этом смысле говорят, что поперечная реакция якоря

действует размагничивающим образом.

Следует отметить, что в некоторых случаях в машинах мощностью

до 30—40 кет при номинальной нагрузке, а также в других маши-

нах в таких режимах работы, когда поток возбуждения ослаблен,

под воздействием реакции якоря возможно изменение направления

(«опрокидывание») поля под одним краем полюса. При Р

> 50 кет

величину б обычно выбирают такой, чтобы при номинальной нагрузке

не происходило «опрокидывания» поля. С этой же целью в мощных

машинах зазор под краями полюсных наконечников делают больше,

чем под центром полюса. Это приводит также к улучшению условий

коммутации сложных обмоток, так как распределение индукции

поля возбуждения приближается к синусоидальному и э. д. с.

от высших гармоник поля, которые могут вызвать большие разности

напряжений между соседними коллекторными пластинами много-

ходовых петлевых обмоток, уменьшается.

Количественный учет влияния поперечной реакции якоря. На-

сыщение полюсных наконечников и тела якоря невелико, и поэтому

при количественном учете влияния поперечной реакции якоря до-

статочно учесть лишь насыщение зубцов. Для такого учета по дан-

ным расчета магнитной цепи при холостом ходе (см. гл. 2) строят

так называемую переходную магнитную характеристику машины

(рис. 5-6), представляющую собой зависимость индукции в воздуш-

ном зазоре В

при холостом ходе от суммы н. с. зазора и зубцов:

р&г

= + Fz-

Пусть при холостом ходе B

определяется ординатой аб на

рис. 5-6. Тогда н. с. воздушного зазора и зубцового слоя F

созда-

ваемая обмоткой возбуждения,

будет равна абсциссе Оа. Со-

гласно изложенному выше (см.

рис. 5-5), при нагрузке по цен-

тральной осевой линии полюс-

ного наконечника (координата

х — 0 на рис. 5-5). действует

такая же н. е., однако в других

точках воздушного зазора будет

действовать н. с.

Fqz -f-

—

= F

; + A

x. (5-6)

Если отложить на рис. 5-6

от точки а вправо и влево н. с.

gb, вычисленную по форму-

ле (5-5), то действующая в раз-

ных точках на протяжении по-

люсного наконечника н. с. F

Рис. 5-6. Определение размагничи-

будет равна абсциссам точек вающего действия поперечной реакции

отрезка ваг, а индукция ре- якоря

зультирующего поля в зазоре

в этих точках на протяжении полюсного наконечника опреде-

лится ординатами участка кривой дбе.

Отрезок вг на рис. 5-6 пропорционален ширине полюсного на-

конечника, и поэтому площадь фигуры вдбегав пропорциональна

потоку полюса при нагрузке. В то же время площадь прямоуголь-

ника вжзг пропорциональна потоку полюса при холостом ходе.

Поэтому площадь криволинейного треугольника без характеризует

увеличение потока под одной половиной полюса, а площадь треу-

гольника джб — его уменьшение под другой половиной полюса.

Таким образом, разность площадей этих треугольников определяет

уменьшение потока полюса под влиянием поперечной реакции якоря.

Заменим на рис. 5-6 фигуру вдбегав равновеликим ей по площади

прямоугольником вилг. Тогда ордината ак представляет собой сред-

нюю индукцию В

6н

в воздушном зазоре при нагрузке, а отрезок

бк = Д£а — уменьшение средней индукции при нагрузке. По

данным расчета магнитной цепи при холостом ходе можно отложить

по оси ординат вместо В

пропорциональную ей величину потока Ф

в воздушном зазоре. Тогда отрезок бк = ДФ

непосредственно опре-

деляет уменьшение потока полюса под воздействием поперечной

реакции якоря.

Отрезок ма = AF

b на рис. 5-6 представляет собой величину

н. с. возбуждения, эквивалентную размагничивающему действию

поперечной реакции якоря. Соответствующим увеличением н. с.

возбуждения размагничивающее действие реакции якоря может

быть скомпенсировано.

Если перемещать точку а на рис. 5-6 при F

b = const вдоль оси

абсцисс, т. е. рассматривать влияние поперечной реакции при

разных условиях насыщения, то величина ДФв будет изменяться

так, как показано в нижней части рис. 5-6. Величина ДФ

макси-

мальна для точки, соответствующей колену переходной характери-

стики, и уменьшается от этой точки в обе стороны. Таким образом,

влияние поперечной реакции якоря при 1

= const зависит от по-

ложения рабочей точки на магнитной характеристике машины.

При неизменной н. с. возбуждения зависимость ДF

и ДФв от

является сложной функцией. Однако при изменении 1

в неболь-

ших пределах в области номинальной нагрузки можно без особой

погрешности принять, что ДF

~ 1

Подсчет площадей криволинейных треугольников вида джб

и без на рис. 5-6 трудоемок. Поэтому различными авторами предло-

жены более удобные методы определения ДФ

и ДF

Метод В. Т. Касьянова предусматривает проведение (рис. 5-7, а) прямых

д'б и бе' таким образом, чтобы были соответственно равны площади треуголь-

ников джб и д'окб и площади треугольников без и бе'з. Достаточно точное проведе-

ние таких прямых возможно по глазомерной оценке. Затем прямая бе' продолжает-

ся до пересечения с линией вж в точке и. Тогда ДФв определяется площадью

треугольника д'иб и

откуда нетрудно найти ДФв и затем соответствующую величину h.F

Метод Г. Н. -Петрова исходит из определения площади фигур, ограниченных

кривыми параболического характера, по формуле Симпсона. При этом поток при

нагрузке (рис. 5-7, б)

2аб X жб 4аб'

вд+4 аб-\-ге

вг

и уменьшение потока

Bi-Bi

С другой стороны, еслн увеличить и. с. возбуждения на &F

t, (рис. 5-7, б),

чтобы скомпенсировать таким образом влияние реакции якоря, это будет соответ-

ствовать увеличению потока на сумму площадей криволинейных прямоугольни-

ков джж д' и зее'з', которая приближенно равна

ДФ

=жд Д/>+еэД (Be + Be) Д F

Приравнивая два выражения для ДФ

, имеем

(5-7)

Более точные результаты можно получить, если вычислить сначала ДF

по

формуле (5-7), отложить это значение &Fq

иа рис. 5-7, б от точек виг вправо и вы-

Рис 5-7. Определение размагничивающего действия поперечной реакции якоря:

а — по методу В. Т Касьянова; б—по методу Г. Н. Петрова

числить затем &F

снова, подставив в выражение (5-7) вместо и В'^ полусум-

мы (дж + д'ж'): 2 и (зе + з'е') : 2.

Учет реакции якоря при сдвиге щеток. Сдвиг щеток с геометри-

ческой нейтрали, измеряемый длиной дуги

—

clDJ2

по окружности якоря (см. рис. 5-4), обычно невелик, так что т —

— 2с > Ь

. При этом намагничивающая сила продольной реакции

якоря на один полюс

аЛ

= сА

(5-8)

в зависимости от ее направления непосредственно складывается

с н. с. возбуждения или вычитается из нее. В результате получается

н. с. по продольной оси

±F

. (5-9)

Для компенсации продольной реакции якоря в этом случае

достаточно увеличить или уменьшить F

на величину F

в зависи-

мости от того, является ли действие F

размагничивающим или на-

магничивающим. При таком

методе не учитывается по-

грешность, связанная с тем,

что поток рассеяния полюсов

создается не н. с. F

, а н. с. F

Однако эта погрешлость не-

велика.

Учет размагничивающего

действия поперечной реакции

якоря в рассматриваемом

случае производится так же,

как при с — 0. Диаграмма

н. с. якоря для этого случая

показана на рис. 5-8, где

кривые 1, 2 и 3 представляют собой соответственно полную, попе-

речную и продольную н. с. реакции якоря.

Если т — 2с> Ь

йу

то учет влияния реакции якоря несколько

усложняется. Этот случай в нормальных машинах на практике

не встречается и поэтому здесь подробнее не рассматривается.

§ 5-3. Напряжения между коллекторными пластинами

и компенсационная обмотка

Напряжения между коллекторными пластинами. Реакция якоря

в определенных условиях может вызвать нежелательные по своим

последствиям явления.

К числу таких явлений относится прежде всего увеличение

напряжения между коллекторными пластинами вследствие иска-

жения поля под воздействием поперечной реакции якоря.

При холостом ходе максимальное напряжение между соседними

пластинами в случае, например, применения простой петлевой об-

мотки

= 2BbW

где w

— число витков секции.

При нагрузке максимальная индукция под одним из краев по-

люса (см. рис. 5-5, в) достигает некоторого значения В

макс

"к.макс = 2Ва

а kc

Следовательно,

"к. макс _ В 6 M0KC /Г

1 АЧ

~ В

• \ ~ /

Рис. 5-8. Н. с. реакции якоря при сдвиге

щеток с нейтрали

Среднее напряжение между соседними коллекторными пласти-

нами

"к.ср =

ZB&cpWj&Va

= 2a

и поэтому

«к.макс В&ыакс (5-11)

«к.ср aflBfl '

' 1

При расчете машин постоянного тока число коллекторных пла-

стин К выбирается таким, чтобы среднее напряжение между сосед-

ними коллекторными пластинами

и..ср = -^ (5-12)

не превышало 18—22 в.

Согласно выражениям (5-11) и (5-12),

(5-13)

Предельное значение ы

к-макс

ограничивается возможностью воз-

никновения электрической дуги между смежными пластинами.

Поэтому обычно требуется, чтобы «

к макс

sc 30 -ь 50 в.

Недопустимое повышение «

к макс

может произойти либо вслед-

ствие увеличения В

6яак1

. под воздействием реакции якоря (напри-

мер, значительная перегрузка машины), либо вследствие уменьше-

ния В

(двигатели с регулированием скорости в широких пределах,

см. гл. 10).

Искажение кривой поля тем значительнее, чем меньше воздуш-

ный зазор. Величину зазора в машинах средней и большой мощности

выбирают обычно такой, чтобы при номинальном режиме индукция

под краем полюса (х = Ь

/2) не меняла своего направления («опро-

кидывание» поля). Согласно выражению (5-6), для этого необхо-

димо, чтобы

При D

= 10 -5- 50 см обычно б « 0,009 D

Компенсационная обмотка.

Эффективным средством борьбы с искажением кривой поля

и увеличением напряжения между коллекторными пластинами

является применение компенсационной обмотки.

Она размещается в пазах, выштампованных в полюсных нако-

нечниках (рис. 5-9, а), так, чтобы направления токов в этой обмотке

и обмотке якоря в пределах каждого полюсного деления были про-

тивоположны. Если линейные нагрузки обеих обмоток равны

(.А

— /4

К 0

), то влияние поперечной реакции якоря в пределах по-

люсного наконечника устраняется полностью (рис. 5-9, б). После-

довательное соединение этих

N | обмоток обеспечивает такую

компенсацию при всех на-

грузках. Однако соблюдение

условия А

— Л

к. о

в точности

не всегда возможно. В таких

случаях в пределах полюсно-

го наконечника сохраняется

некоторое влияние попереч-

ной реакции якоря и макси-

мальное значение

н.

с. реакции

якоря в нейтральной зоне

= (5-14)

также увеличивается (рис.

5-9, в).

При наличии компенса-

ционной обмотки величину

воздушного зазора можно

брать минимально допустимой

по механическим условиям.

Компенсационная обмотка

обычно применяется в мощных

и быстроходных машинах, когда U

> 400 -т- 450 в, PJ2p > 80

100 кет, машина подвергается перегрузкам более 20% и комму-

тация затруднена (реактивная э. д. с. е

> 5 7 в — см. § 6-4 и 6-5).

Рнс. 5-9. Расположение компенсационной

обмотки (а) и диаграммы н. с. якоря (F

компенсационной обмотки (F

) и резуль-

тирующей н. с. о)

равен-

стве (б) и неравенстве (в) линейных на-

грузок якоря и компенсационной обмотки

Глава шестая

КОММУТАЦИЯ

§ 6-1. Природа щеточного контакта

Природа проводимости в щеточном контакте.

Как уже указывалось (см. § 3-3), коммутацией называется

процесс переключения секций обмотки из одной параллельной

ветви в другую и изменения направления тока в них на обратное.