Основные электромагнитные соотношения. ЭДС якоря и электромагнитный момент

Г Л А В А ЧЕТВЕРТАЯ ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ СООТНОШЕНИЯ 4.1. ЭДС якоря и электромагнитный момент ЭДС якоря. ЭДС якоря определяется E k Ф  p N где k  2  a - конструктивный коэффициент машины. Таким образом ЭДС пропорциональна основному магнитному потоку и частоте вращения и не зависит от формы кривой распределения индукции в воздушном зазоре. Электромагнитный момент. Электромагнитный момент определяется: М = kФI. Таким образом, электромагнитный момент пропорционален основному магнитному потоку и току и также не зависит от формы кривой распределения индукции в воздушном зазоре. ГЛАВА ПЯТАЯ. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ МАШИНЫ ПРИ НАГРУЗКЕ 5.1. Реакция якоря и ее виды Ранее рассматривалось магнитное поле МПТ при х.х. (I = 0), создаваемое обмоткой возбуждения. Картина магнитного поля для этого случая при 2р = 2 изображено на рис.5.1а. При нагрузке машины обмотка якоря создает собственное магнитное поле, картина которого при установке щеток на геометрической нейтрали и при отсутствии возбуждения (iв = 0) изображена на рис.5.1б. Как видно из рис.5.1б, ось поля якоря направлена по оси щеток 1-1. Развиваемый в машине электромагнитный момент можно рассматривать как результат взаимодействия полюсов поля якоря Na – Sa (рис.5.1б) и полюсов поля возбуждения N – S (рис.5.1а). Поля якоря и индуктора, действующие совместно, образуют результирующее поле, характер которого на основании рис.5.1а и рис.5.1б показан на рис.5.2. Полярность полюсов и направления токов якоря на этом рис. Соответствуют случаю, когда в режиме генератора (Г) якорь вращается по часовой стрелки, а в режиме двигателя (Д) – против часовой стрелки. На рис.5.2 видно, что под влиянием поля якоря результирующее поле машины изменяется. Такое явление называется реакцией якоря. Поперечная реакция якоря. При установки щеток на геометрической нейтрали 1-1 (рис.5.1б) поле якоря направлено поперек оси полюсов и в этом случае оно называется полем поперечной реакции якоря. Как видно из рис.5.2, поперечная реакция якоря вызывает ослабление поля под одним краем полюса и его усиление под другим, вследствие чего ось результирующего поля поворачивается в генераторе по направлению вращения якоря, а в двигателе – в обратную сторону. Под воздействие поперечной реакции якоря нейтральная линия на поверхности якоря, на которой B  0 , поворачивается из положения геометрической нейтрали 1-1 на некоторый угол  в положение 2-2 (рис.5.2), которое называется линией физической нейтрали. В генераторе физическая нейтраль повернута в сторону вращения якоря, а в двигателе – в обратную сторону. Из рис.5.1б следует, что при вращении якоря в проводниках, показанных в левой части рис.5.1б, поле поперечной реакции якоря индуктирует ЭДС одного направления, а в правом – другого. В результате чего при установке щеток на геометрической нейтрали суммарная ЭДС от поля реакции якоря в каждой параллельной ветви обмотки и на щетках равна нулю. Продольная реакция якоря. Если щетки сдвинуты с геометрической нейтрали на 900 (рис.5.3), то поле якоря действует вдоль оси полюсов и называется полем продольной реакции 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 вращении якоря ЭДС на щетках будет в этом случае также равна нулю. 5.2. Влияние реакции якоря на магнитный поток машины При отсутствии насыщения поперечная реакция якоря вызывает лишь искажение кривой поля в зазоре, однако поток одного полюса остается неизменным. Но при наличии насыщения уменьшение потока на том краю полюса, где поля вычитаются, будет больше, чем увеличение на том краю полюса, где поля складываются. Это объясняется тем, что насыщение сильнее там, где сильнее результирующее поле. Вследствие этого под влиянием поперечной реакции якоря всегда вызывает некоторое уменьшение потока полюсов, и в этом смысле говорят, что поперечная реакция якоря действует размагничивающим образом. 5.3. Напряжение между коллекторными пластинами и компенсационная обмотка Реакция якоря в определенных условиях может вызвать нежелательные по своим последствиям явления. К числу таких явлений относится увеличение напряжения между коллекторными пластинами вследствие искажения поля под воздействием поперечной реакции якоря. Эффективным средством борьбы с искажением кривой поля и увеличением напряжения между коллекторными пластинами является применение компенсационной обмотки. Она размещается в пазах, выштампованных в полюсных наконечниках, так, чтобы направления токов в этой обмотки и обмотке якоря в пределах одного полюсного деления были противоположны. ГЛАВА ШЕСТАЯ КОММУТАЦИЯ 6.1. Природа щеточного контакта Как уже отмечалось, коммутацией называется процесс переключения секций обмотки из одной параллельной ветви в другую и изменения направления тока в них на обратное. Во время коммутации секции замыкаются накоротко щетками, через которые ток из якоря передается во внешнюю цепь или из внешней цепи в якорь. Явления в щеточном контакте, т.е. между щетками и коллекторными пластинами оказывают большое влияние на коммутацию и на исправную работу машины. Передача тока от щетки к коллектору и обратно осуществляется через: 1. непосредственный контакт между щеткой и коллектором; 2. мельчайшие частицы медной и графитной пыли; 3. ионизированные воздушные щели между щеткой и коллектором. Соответственно говорят о зонах: 1. непосредственного контакта, 2. пылевидного контакта, 3. ионной проводимости. Ввиду неровности микрорельефа непосредственный механический контакт, или соприкосновение щетки с коллекторными пластинами, происходит только на части контактной поверхности щетки, и притом только в отдельных точках. Плотность тока в этих точках достигает несколько тысяч ампер на квадратный мм. Такие точечные контакты непостоянны ввиду их износа и разрушения, а также перемещения коллектора, причем время существования каждого точечного контакта в отдельности весьма невелико. Вследствие износа щеток и коллектора в контактном слое всегда имеется множество мелких пылинок. Поэтому контакт и передача тока частично осуществляется через эти пылинки. Плотность тока при этом также велика, а продолжительность каждого контакта из-за движения коллектора и сгорания пылинок невелика. Точки непосредственного и пылевидного контакта вследствие больших плотностей тока накаляются до красного и белого каления. При красном калении медь и щетки, поляризованные анодно, испускают ионы. При белом калении происходит термическая эмиссия электронов из катодно поляризованных щеток и пластин. Эмиттирующие электроны в свою очередь ионизируют воздух в контактном слое. В результате этого создается ионная проводимость тока. В зоне ионной проводимости под щеткой возникают также слабые электрические искровые и дуговые разряды. Такие разряды появляются и на краях щеток при замыкании секций накоротко и их размыкании. Рассмотренные разнородные зоны проводимости невелики по размерам, перемежаются друг с другом и перемещаются по контактной поверхности щетки 6.2. Искрения на коллекторе Причины искрения. С практической точки зрения важно, чтобы коммутация проходила без значительного искрения у контактной поверхности щеток, т.к. сильное искрение портит поверхность коллектора и щеток и делает длительную работу машины невозможной. Все причины искрения на щетках можно подразделить на механические и электромагнитные. электромагнитные 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) Механические причины искрения большей частью связаны с нарушением контакта между щетками и коллектором. Такие нарушения вызываются: неровностью поверхности коллектора плохой пришлифовкой щеток к коллектору боем коллектора выступанием слюды между коллекторными пластинами заеданием щеток в щеткодержателях вибрация щеток выступанием отдельных коллекторных пластин. Электромагнитными причины искрения на щетках связаны с характером протекания электромагнитных процессов в коммутируемых секциях. Степень искрения. Качество коммутации оценивается степенью искрения (классом коммутации) под сбегающим краем щетки, т.е. Под тем краем, из-за которого пластины коллектора выходят при своем вращении. Степени искрения: 1,1 1 ,1 1 допускаются при 2 любом режиме работы. 4Степени искрения 2,3 допускаются только при кратковременных толчках нагрузки и перегрузки. Потенциальное искрение. В определенных условиях возникают искровые разряды между отдельными коллекторными пластинами на свободной поверхности коллектора, не занятой щетками. Такое искрение называется потенциальным. Оно вызывается либо накоплением угольной пыли и грязи в канавках между соседними коллекторными пластинами, либо возникновением чрезмерных напряжений между соседними пластинами. Это искрение опасно тем, что оно способно развиться в к.з. Между пластинами и в т.н. круговой огонь. Круговой огонь представляет собой короткое замыкание якоря машины через электрическую дугу на поверхности коллектора. Круговой огонь возникает в результате чрезвычайно сильного расстройства коммутации, когда под сбегающим краем щетки появляются сильные искры и электрические дуги. Круговой огонь возникает обычно при больших толчках тока якоря (значительные перегрузки, к.з. На зажимах якоря или в сети). Действительной мерой против возникновения кругового огня является применение компенсационной обмотки, а также быстродействующих выключателей, отключающих к.з. в течение 0,05 -0,10 с. 6.3. Процесс коммутации Процесс коммутации протекает быстро и по отношению к внешней цепи машины является периодическим процессом с частотой порядка 10003000 Гц. Различают прямолинейную и криволинейную коммутации. Линейная зависимость изменения тока в коммутируемых секция от времени I = f(t) называют прямолинейной коммутацией (рис.6.1а). При такой коммутации плотность тока под всей щеткой на протяжении всего времени коммутации неизменна. Такой случай коммутации является теоретически идеальным. При криволинейной коммутации зависимость I = f(t) нелинейна. i  +ia i2 а t -ia i1 i Tк t Tк - t  i +ia б -ia Tк t Рис. 6.1 При этом различают замедленную и ускоренную коммутацию (рис.6.2). При замедленной коммутации (рис.6.2а) изменение тока в начале коммутации происходит медленно и ускоряется к концу. Это создает благоприятные условия для искрения под сбегающим краем щетки. i Tк Tк t t t -ia i1 -ia i1 i i б +ia i2 а +ia  Tк - t  i2 i t   Tк - t Рис. 6.2 При ускоренной коммутации (рис.6.2б) изменение тока происходит интенсивнее в начале процесса коммутации. При этом существует некоторая тенденция к искрению под набегающим краем щетки. Однако сильного искрения обычно не наблюдается. Таким образом, замедленная коммутация является неблагоприятной и нежелательной. Наоборот, слегка ускоренная коммутация благоприятна, и на практике стремятся достичь именно такой коммутации. 6.4. Способы улучшения коммутации Для создания хороших условий коммутации необходимо прежде всего обеспечить состояние коллектора и щеточного аппарата, чтобы устранить механические причины искрения. Основным способом улучшения коммутации МПТ является создание коммутирующего магнитного поля с помощью добавочных полюсов. Добавочные полюса устанавливаются между главными полюсами и крепятся болтами к ярму индуктора (рис.6.3). Намагничивающая сила добавочных полюсов Fдп должна быть направлена против намагничивающей силы реакции якоря Faq, чтобы скомпенсировать ее и создать сверх того коммутирующее поле. N + + s N s Рис. 6.3. Располагаться дополнительные полюса должны следующим образом. За главным полюсом данной полярности по направлению вращения якоря в режиме генератора должен следовать дополнительный полюс противоположной полярности, а в режиме двигателя – дополнительный полюс той же полярности. В машинах небольшой мощности (до несколько сотен ватт) добавочных полюсов не ставят. Коммутирующее поле при этом можно создать путем сдвига щеток с геометрической нейтрали, благодаря чему в зоне коммутации начинает действовать поле главных полюсов (рис.6.4). Чтобы индуктируемая этим полем в коммутируемой секции ЭДС имела правильное направление, поле главных полюсов в зоне коммутации должно быть направлено против поля реакции якоря. Для этого в генераторе щетки надо повернуть в сторону вращения, а в двигателе – наоборот. N + Г + Fa s Рис. 6.4. Д Эффективной мерой улучшения коммутации при резко переменной нагрузке является применение компенсационной обмотки, которая предотвращает опасность возникновения кругового огня, а также улучшает условия действия добавочных полюсов.