Вольдек А.И. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

полюсы выполняют с ненасыщенной магнитной системой. Поэтому

при номинальной нагрузке в них допускается индукция не больше

0,8—1,0 гпл. Так как на отдельных участках ярма индуктора магнит-

ные поля главных и добавочных полюсов складываются, то во избе-

жание насыщения этих участков индукция главного поля в ярме

должна быть не больше 1,3 тл. Сердечники добавочных полюсов из-

готовляются массивными из стальной поковки или из листовой стали.

Рис. 6-13. Добавочные полюсы с неподразделенным (о)

и подразделенным (б) немагнитным зазором

При таком устройстве добавочных полюсов индуктируемая ими

коммутирующая э. д. с.

С другой стороны, реактивная э. д. с. также пропорциональна

IaPa-

~ IaPa-

Поэтому соблюдение условия е

= е

при изменении нагрузки и

скорости вращения достигается автоматически.

При относительно малом полезном магнитном потоке добавоч-

ных полюсов их н. с. F

„ приходится брать большой, так как зна-

чительная часть F

(75—85%) расходуется на компенсацию F

По этой причине коэффициент рассеяния добавочных полюсов

велик: <т

= 3 -¥• 5 при отсутствии компенсационной обмотки и

огд = 2 3 при наличии ее. Если обмотка добавочных полюсов

располагается далеко от якоря (рис. 6-13, а), то возникает большой

поток рассеяния. Для уменьшения рассеяния обмотку добавочных

полюсов-размещают ближе к якорю (рис. 6-13, б), а в крупных

машинах, кроме того, подразделяют воздушный зазор на две части

путем создания второго немагнитного зазора между ярмом и сер-

дечником добавочного полюса (рис. 6-13, б) с помощью немагнит-

пых прокладок н. п., например, из меди или дюралюминия.

Добавочные полюсы применяются в машинах с Р

> 0,3 кет.

Обычно число добавочных полюсов берется равным числу главных,

однако в машинах мощностью до 2—2,5 кет иногда делают поло-

винное число добавочных полюсов. Применение добавочных полю-

сов позволяет увеличить линейную нагрузку машины и тем самым

уменьшить ее размеры и стоимость.

Коммутация создает электромагнитные колебания частотой

1000—3000 гц, которые распространяются по электрической сети,

присоединенной к машине. Эти колебания вызывают радиопомехи,

затрудняющие работу радиоприемной и другой радиотехнической

аппаратуры. Для борьбы с этими помехами производят симметри-

рование цепи якоря машины, т. е. обмотки, включенные после-

довательно с якорем, в том числе и обмотку добавочных полюсов,

разбивают на две части, которые присоединяют к щеткам про-

тивоположной полярности (рис. 6-14).

Кроме того, между щетками разйых

полярностей и корпусом машины при-

соединяют конденсаторы для шунти-

рования высокочастотных колебаний

Рис 6-14 Подавление радио- на зажимах машины.

помех Н. с. добавочного полюса. При-

равняв равенства (6-22) и (6-28), най-

дем величину В

= В'

, необходимую для осуществления прямо-

линейной коммутации:

BL = Ua- (6-32)

Если А

= (3 ч- 5) -10

а!м и | = (5 -4- 8) -Ю"

гн!м, то В'

= 0,15-4- 0,40 тл.

Для обеспечения несколько ускоренной коммутации необходима

определенная дополнительная составляющая В'к, так что

= В^ + Вк. (6-33)

Ускоренная коммутация характеризуется тем, что плотность

тока /щ н и соответственно падение напряжения в скользящем кон-

такте Л{/

щ н

у набегающего края щетки больше, чем соответствую-

щие величины /

щ с

и Л£/

щ с

у сбегающего края щетки. Для осу-

ществления ускоренной коммутации берут при графитных щет-

ках А(/

„ — А(/

щ с

= 1,0 -+- 1,5 е и при медных щетках AU

m н

—

— Аи

= 0,35 0,65 е. Соответственно на такую же величину не-

обходимо увеличить коммутирующую э. д. с. в контуре, замыкае-

мом накоротко краями щетки.

В общем случае щетка перекрывает |J

пластин и при простой

петлевой обмотке замыкает столько же секций. Однако в общем

случае m-ходовой сложной петлевой обмотки число последова-

тельно соединенных секций одного хода обмотки, накоротко замы-

каемых щеткой, равно

К!т =

Кр№~

Следовательно, необходимо создать добавочную составляющую

коммутирующей э. д. с. с одной секции

(Ли

—Аи

ЩшС

)

ек

Ж •

для чего, согласно выражению (6-22), нужна добавочная составляю-

щая индукции коммутирующего поля

(АЦц. ц Д^Лц. с) ta о/I \

При этом имеется в виду, что длина добавочного полюса равна

длине якоря. Эта же формула справедлива и для волновой обмотки.

Если пренебречь насыщением магнитной цепи добавочных полю-

сов, то для создания В

потребуется н. с. на один добавочный полюс,

равная

= (6-35)

Цо

где б

— зазор под добавочным полюсом и &в

— коэффициент воз-

душного зазора добавочного полюса.

Для компенсации реакции якоря в зоне добавочного полюса

требуется н. с.

тДд ЬрАк.

Faqn = F<lq—Fb.

—2 3— •

(6-36)

Необходимая полная н. с. добавочного полюса

Ж. п

^ F

~\~ F

согласно соотношениям (6-32) — (6-36), будет равна

__ l.lfeaA Г .

(АЕДц. н—А^Лц. с)1

гАа ЬрА*

Но L 2 p$

J + 2 ~ 2

(6-37)

При отсутствии компенсационной обмотки А

— 0. При поло-

винном числе добавочных полюсов значение F„.

, вычисленное по

формуле (6-37), надо удвоить. Множитель 1,1 в формуле (6-37)

учитывает н. е., приводящуюся на ферромагнитные участки магнит-

ной цепи.

Необходимое число витков добавочного полюса

r»i = F

._ (6-38)

Добавочный полюс должен создавать коммутирующее поле на

протяжении всей ширины зоны коммутации, причем к краям этой

зоны величина В

должна спадать в соответствии с формой кривой

паза (см. рис. 6-11, ж)- Зазор 6

обычно в 1,5—2,0 раза больше

зазора S под главными полюсами. Ширина наконечника добавоч-

ного полюса при этом составляет

Ьрл

= (0,4

-т-

0,80) Ь

3- к

Улучшение коммутации путем сдвига щеток. В машинах мощ-

ностью до нескольких сотен ватт добавочных полюсов не ставят.

Коммутирующее поле при этом можно создать

путем сдвига щеток с геометрической-нейтра-

ли, благодаря чему в зоне коммутации на-

чинает действовать поле главных полюсов

(рис. 6-15). Чтобы индуктируемая этим полем

в коммутируемой секции э. д. с. е

имела

правильное направление, поле главных полю-

сов в зоне коммутации должно быть напра-

влено против поля реакции якоря. Для этого

в генераторе щетки необходимо повернуть

в сторону вращения, а в двигателе — наобо-

рот (рис. 6-15).

Если поток главных полюсов Фв изме-

няется пропорционально току якоря (машины

с последовательным возбуждением, см. § 9-5

и 10-5), то при определенном, фиксирован-

ном положении щеток можно достичь хороших

условий коммутации в широком диапазоне изменения нагрузки.

Если же Фа — const, то наилучшие условия коммутации дости-

гаются только при одной, определенной нагрузке.

Установку щеток производят на глаз, наблюдая за их искрением.

Уменьшение реактивной э. д. с. Как уже указывалось выше,

для обеспечения хорошей коммутации необходимо, чтобы е;

< 7 12 е.

Зависимость е

от различных величин очевидна из равенства

(6-28). При этом надо отметить, что уменьшение А

нецелесообразно

с точки зрения использования материалов, а величины v

= nD

и /

определяются номинальной мощностью машины. Следовательно,

ограничение е

зависит от возможностей уменьшения w

В машинах мощностью более 50 кет всегда до

= 1.

Уменьшение | возможно за счет ослабления взаимной индукции

мея<цу коммутируемыми секциями, что достигается укорочением

шага на величину не более одного зубцового деления и применением

ступенчатой обмотки (см. § 3-1). В последнем случае взаимоиндук-

тивная связь между секциями ослабляется вследствие того, что если

Рис. 6-15. Улучше-

ние коммутации путем

сдвига щеток с геомет-

рической нейтрали

верхние стороны и

секций находятся в одном пазу, то их нижние

стороны располагаются в разных пазах (см. рис. 3-5, б).

Для уменьшения е

в петлевых обмотках выбирают также отно-

шение К1р равным нечетному числу, так как при этом секции,

охватывающие соседние полюсы, коммутируются со сдвигом на

время поворота коллектора на половину коллекторного деления

и взаимная индукция соответственно ослабляется. К уменьшению £

приводит также уменьшение отношения глубины паза к его ширине

и увеличение коэффициента щеточного перекрытия Р

, поскольку

в последнем случае знаменатель (6-27) растет быстрее числителя.

Определенное снижение £ получается также, если увеличивать

высоту сечения проводника в пазу якоря. В этом случае вследст-

вие эффекта вытеснения тока во время коммутации уменьшается

индуктивность проводника и секции.

В петлевых обмотках при отсутствии уравнителей первого

рода токй отдельных параллельных ветвей различны и поэтому

различны также реактивные э. д. с. секций, коммутируемых раз-

личными щетками, и н. с. реакции якоря в зонах различных доба-

вочных полюсов. Однако н. с. всех добавочных полюсов равны, так

как они определяются полным током якоря. Вследствие сказанного

равновесие меяеду реактивной и коммутирующей э. д. с. нарушается

и наступает расстройство коммутации. При наличии уравнителей

первого рода указанные неблагоприятные обстоятельства устра-

няются.

Перспективно применение машин постоянного тока с беспазовым

якорем, в которых обмотка якоря укладывается и укрепляется на

поверхности цилиндрического якоря. В этом случае потоки рас-

сеяния (см. рис. 6-9) ослабляются, и поэтому реактивная э. д. с. зна-

чительно уменьшается. Уменьшается также реакция якоря. Такие

машины имеют тот недостаток, что величина немагнитного зазора

между полюсами и якорем увеличивается и требуется значительно

более сильная обмотка возбуждения.

Увеличение сопротивления цепи коммутируемой секции в прин-

ципе возможно за счет выполнения «петушков» с повышенным сопро-

тивлением. Однако это приводит к уменьшению к. п. д. машины,

а также к увеличению плотности тока у сбегающего края щетки

(см. рис. 6-5, б). Кроме того, такие «петушки» ненадежны в работе.

Существенным является подбор щеток с надлежащими характе-

ристиками. При тяжелых условиях коммутации лучше работают

твердые графитные щетки с повышенным переходным сопротивле-

нием переходного контакта, однако при этом электрические потери

в переходном контакте и механические потери на трение также

больше. Щетки с круто поднимающейся вольт-амперной характе-

ристикой благоприятны с точки зрения уменьшения плотности

тока на сбегающем краю щетки и способствуют улучшению

коммутации. Медно-графитные щетки, обладающие малым переход-

ным сопротивлением, применяются только в машинах на напряже-

ние до 25—30 в.

Для улучшения коммутации предложен также ряд других

мер, которые, однако, не находят широкого применения.

Улучшение коммутации при переходных режимах и пульсирую-

щем токе. Выше основное внимание уделялось коммутации при

нормальных установившихся режимах работы. При резких пере-

ходных режимах (толчкообразная и пульсирующая нагрузка, силь-

ные перегрузки, короткие замыкания и т. п.), а также при пита-

нии машин постоянного тока через выпрямители от сети перемен-

ного тока, в особенности от однофазной сети (например, железные

дороги, электрифицированные на переменном токе), условия ком-

мутации ухудшаются.

Одной из причин ухудшения коммутации при указанных усло-

виях может являться наличие трансформаторной э. д. с. е

тр

(см.

§ 6-4), которая возникает при изменении магнитного потока глав-

ных полюсов. Компенсация этой э. д. с. с помощью добавочных

полюсов практически невозможна, так как закономерности изме-

нения е

тр

и е

различны. В частности, е

тр

вовсе не зависит от ско-

рости вращения. Поэтому в необходимых случаях принимают меры

к уменьшению е

тр

. Например, в тяговЫх двигателях постоянного

тока, устанавливаемых на электровозах переменного тока с вы-

прямителями, обмотки возбуждения главных полюсов шунтируются

активными сопротивлениями. Вследствие большой индуктивности

обмотки возбуждения пульсирующая составляющая выпрямлен-

ного тока при этом будет ответвляться в шунтирующее сопротив-

ление и поток главных полюсов не будет содержать этой составляю-

щей.

При быстрых изменениях тока в цепи якоря поток добавочных

полюсов вследствие возникновения вихревых токов в массивной

магнитной цепи и создаваемых ими магнитных потоков не будет

изменяться пропорционально току якоря и компенсация реактив-

ной э. д. с. нарушится. Улучшить коммутацию при этом можно

с помощью индуктивной катушки, присоединяемой параллельно

обмотке добавочных полюсов. Если постоянная времени

Тя. к ~ ^-н. Jн

индуктивной катушки значительно больше постоянной времени

обмотки добавочных полюсов, то ток в этой катушке будет ме-

няться весьма медленно по сравнению с током в обмотке добавоч-

ных полюсов. Поэтому резкие изменения тока якоря Д/ воспри-

нимаются этой обмоткой, и так как через нее проходит только часть

полного тока якоря, то относительное изменение тока в обмотке

добавочных полюсов будет больше, чем в обмотке якоря. Такая

«форсировка» тока обмотки добавочного полюса позволяет добиться

более быстрого изменения его магнитного потока и тем самым ком-

пенсировать в определенной мере влияние вихревых токов в маг-

нитопроводе. Однако наиболее эффективной мерой улучшения

коммутации в машинах с резко изменяющейся нагрузкой или при

сильных пульсациях питающего тока является изготовление сер-

дечников добавочных полюсов, а также ярма машины из листовой

электротехнической стали [311.

Эффективной мерой улучшения коммутации при резко пере-

менной нагрузке является также применение компенсационной

обмотки, которая предотвращает опасность возникновения круго-

вого огня, а также улучшает условия действия добавочных полю-

сов.

При значительных перегрузках машины, а в особенности при

коротких замыканиях, сердечники добавочных полюсов насы-

щаются прежде всего за счет больших потоков рассеяния. В этом

случае добавочные полосы уже не в состоянии компенсировать

реактивную э. д. с. и коммутация сильно нарушается. При наличии

компенсационной обмотки поток рассеянгйя добавочных полюсов

значительно уменьшается, в результате чего область их правиль-

ного действия увеличивается.

§ 6-7. Коммутационная реакция якоря

При отклонении коммутации от прямолинейной токи в комму-

тируемых секциях создают, кроме реакции, рассмотренной в гл. 5,

дополнительную реакцию якоря.

На рис. 6-16 схематически показан двухполюсный генератор

со щетками, установленными на геометрической нейтрали. Щетки

изображены достаточно широкими, чтобы показать под ними три

коммутируемые секции, начерченные более жирными кружочками.

Рис. 6-16, а соответствует прямолинейной коммутации, когда

в средней коммутируемой секции ток равен нулю, а в крайних сек-

циях токи имеют противоположные знаки. Как видно из рис. 6-16, а,

ось симметрии распределения токов при этом совпадает с геомет-

рической нейтралью. В этом случае коммутируемые секции не ока-

зывают никакого дополнительного влияния на поле полюсов и

коммутационная реакция якоря отсутствует.

Идеализированному случаю предельно замедленной коммута-

ции, когда ток в коммутируемой секции сохраняется неизменным

по величине и направлению до самого конца периода коммутации и

затем мгновенно изменяет свой знак, соответствует распределение

токов, показанное на рис. 6-16, б. Из этого рисунка следует, что

при замедленной коммутации в генераторе токи коммутируемых

секций создают размагничивающую реакцию якоря, которая назы-

вается коммутационной. В случае ускоренной коммутации

в генераторе возникает намагничивающаяся коммутационная реак-

ция якоря (рис. 6-16, в). В двигателе коммутационная реакция

якоря, наоборот, при замедленной коммутации будет намагничи-

вающей и при ускоренной — размагничивающей.

Рис. 6-16. Коммутационная реакция якоря

При предельно замедленной и'предельно ускоренной коммута-

ции н. с. коммутационной реакции якоря максимальна и на одрн

полюс равна

&. макс

. (6-39)

В действительности F

находится в пределах F

=0-4- F

aK макс

В обычных условиях н. с. коммутационной реакции якоря мала

по сравнению с н. с. возбуждения и поэтому оказывает незначи-

тельное влияние на магнитный поток машины и режим ее работы.

Однако в ряде случаев ее влияние значительно, например, при

коротком замыкании машины, когда ток якоря возрастает во много

раз, а коммутация вследствие насыщения сердечников Добавочных

полюсов нарушается и становится сильно замедленной. Это влия-

ние велико также в электромагнитных усилителях (см. § 11-3),

в которых основное, или первичное, магнитное поле является сла-

бым.

§ 6-8. Экспериментальная проверка и настройка коммутации

Ввиду сложности коммутационного процесса теоретический

анализ коммутации основывается на ряде допущений и упрощений.

Поэтому расчет коммутации при проектировании машин является

приближенным и большое значение имеют экспериментальные

методы исследования коммутации. В частности, окончательная наст-

ройка коммутации опытных образцов серийных машин и машин

индивидуального производства осуществляется после их экспери-

ментального исследования.

Рассмотрим наиболее распространенные экспериментальные ме-

тоды проверки коммутации.

Метод .подпитки добавочных полюсов. На рис. 6-17 показана

схема электрических соединений для выполнения опыта. Здесь

Я1 — якорь испытуемой машины, ОВ1 — ее обмотка возбуждения

и ДП — обмотка добавочных полюсов: Я2 — якорь вспомогатель-

ного генератора, служащего для подпитки добавочных полюсов,

0В2 — его обмотка возбуждения,

Р — реостат для регулирования

тока возбуждения и Я — переклю-

чатель для изменения полярности

вспомогательного генератора. При

испытании машины ее якорь и

обмотка добавочных полюсов на-

гружаются током 1

, а с помощью

вспомогательного генератора через

обмотку ДП пропускается доба-

вочный ток («ток подпитки») ± А/,

в результате чего через обмотку

добавочных полюсов проходит ток

± Д/. При этом снимаются так

называемые кривые подпитки, пред-

ставляющие собой зависимости + Д/ = f (/„) и — Д/ == f (I

)

при определенной степени искрения (1,.1-j или 1^) на щетках.

Снятие кривых можно начать с холостого хода (/„ = 0). В этом

случае также е

= 0. Подпитывая полюсы сначала в одном, а затем

в другом направлении, устанавливаем при 1

= 0 величины токов

+ Д/ и — Д/, вызывающие определенную степень искрения. При-

чиной искрения при этом является ток в короткозамкнутой секции,

который вызывается неуравновешенной коммутирующей э. д. с. е

индуктируемой в короткозамкнутых секциях добавочными полю-

сами. В правильно спроектированной и хорошо изготовленной

машине при установке щеток на линии геометрической нейтрали

токи + Д/ и — Д/ при 1

— 0 приблизительно равны.

Затем в якоре fil устанавливаем некоторый ток 1

и снова опре-

деляем токи + Д/ и — Д/, доводящие искрение на щетках до

заданной степени, и т. д.

При увеличении 1

условия коммутации ухудшаются и соответ-

ствующие значения + Д/ уменьшаются. В правильно спроекти-

рованной машине при правильном действии добавочных полюсов

Рис. 6-17. Схема для снятия кри-

вых подпитки добавочных полюсов

кривые подпитки сходятся в некоторой точке оси абсцисс (рис

6-18,

а).

Если действие добавочных полюсов слабое, то средняя линия кри-

вых подпитки отклоняется вверх (штриховая линия на рис. 6-18, б),

так как наилучшие условия коммутации при этом достигаются

при усилении действия добавочных полюсов, т. е. при положитель-

ных токах подпитки. При слишком сильном действии добавочных

полюсов средняя линия кривых под-

питки отклоняется вниз (рис. 6-18, в).

Кривые подпитки позволяют уста-

новить необходимую степень усиле-

ния или ослабления действия доба-

вочных полюсов:

В машинах малой и средней мощно-

сти, когда число витков добавочных по-

люсов w

достаточно велико, действие

последних можно регулировать измене-

нием и>д на величину ± Aw

, которая

определяется по Д/

Ср

и /

для опреде-

ленной точки средней линии кривых

подпитки (рис. 6-18, б, в):

± Дш

/cp

а>

. (6-40)

'а

В крупных машинах и)

мало и Аго

мо-

жет составить дробную величину, округ-

ление которой приводит к большой по-

грешности. Поэтому в данном случае

изменяют воздушный зазор добавочного

полюса.

Если добавочные полюсы в условиях

опыта насыщаются, то кривые подпитки

искривляются и загибаются вверх (рис. 6-18, г). Поэтому кривые

подпитки позволяют также оценить правильность расчета добавоч-

ных полюсов в отношении их насыщения.

Зону между кривыми подпитки называют безыскровой

зоной или зоной темной коммутации. В букваль-

ном смысле слова это верно, когда кривые снимаются для степени

искрения 1. Однако иногда машины при номинальном токе имеют

большую степень искрения, и тогда снимать кривые подпитки при

степени 1 не имеет смысла.

Кривые подпитки надо снимать при хорошем состоянии поверх-

ности коллектора и зеркала щеток, после приработки щеток к кол-

лектору в течение нескольких часов работы под нагрузкой. Во избе-

жание разброса точек кривых необходимо наблюдать за искрением

добавочных полюсов