Синхронные машины. Машины постоянного тока

Секции волновой и петлевой обмоток являются друг для друга уравнителями, поэтому лягушачью обмотку выполняют без специальных уравнительных соединений.

Рис. 2.21 – Схема соединения секций лягушачьей обмотки (а), форма ее якорной катушки (б) и расположение проводников в пазах (в):

1-петлевая обмотка, 2 – волновая обмотка

2.5 Магнитное поле машины постоянного тока

Холостой ход. При холостом ходе магнитный поток в машине создается только м.д.с. Fв обмотки возбуждения.

В этом случае магнитный поток Фв при симметричном воздушном зазоре между якорем и сердечником главного полюса распределяется симметрично относительно продольной оси машины (рис. 2.22, а).

Рис. 2.22 – Магнитное поле машины постоянного тока, создаваемое:

а–обмоткой возбуждения, б – обмоткой якоря, в-результирующее

Зависимость магнитного потока возбуждения Фв от м.д.с. Fв (кривая намагничивания–рис. 2.23) для машин постоянного тока подобна кривой намагничивания для синхронных машин. Однако при проектировании машин постоянного тока допускают большие индукции на участках магнитной цепи, чем в синхронных машинах (в зубцах, якоре, станине и полюсах), вследствие чего для них коэффициент насыщения Kнас = F/Fδ = ab/ac = 1, 2 ÷ 2. Расчет магнитной цепи машины постоянного тока производят так же, как и для машин переменного тока.

Рис. 2.23 – Кривая намагничивания машины постоянного тока

Реакция якоря. При работе машины под нагрузкой по обмотке якоря проходит ток, вследствие чего возникает м.д.с. якоря. Воздействие м.д.с. якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря. Для упрощения анализа явления реакции якоря будем пренебрегать насыщением магнитной цепи машины и считать, что м.д.с. Fв обмотки возбуждения и м.д.с. Faq обмотки якоря целиком расходуются на преодоление магнитными потоками воздушного зазора. В этом случае вместо указанных м.д.с. можно рассматривать соответствующие потоки: возбуждения Фв и реакции якоря Фаq. Магнитный поток Фаq, созданный м.д.с. якоря Faq в двухполюсной машине при установке щеток на геометрической нейтрали, направлен по поперечной оси машины (рис. 2.22, б), поэтому магнитное поле якоря называют поперечным. В результате действия реакции якоря симметричное распределение магнитного поля машины искажается; при этом результирующее магнитное поле оказывается смещенным к краям главных полюсов (рис. 2.22, в). При этом физическая нейтраль 0'–0' (линия, соединяющая точки окружности якоря, в которых индукция равна нулю) смещается относительно геометрической нейтрали 0–0 на некоторый угол β. В генераторах физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря; в двигателях – против направления вращения.

Чтобы построить кривую Bрез = f(x) распределения результирующей индукции вдоль окружности якоря, применим метод суперпозиции. Так как обмотка возбуждения является сосредоточенной, то кривая распределения создаваемой ею м.д.с. F'в = f(x) имеет форму прямоугольника, где F'в = 0,5Fв – м.д.с, приходящаяся на один воздушный зазор. В этом случае кривая индукции Bв = f(x) имеет форму криволинейной трапеции (рис. 2.24, а).

Для построения кривой м.д.с. Faqx = f(x) и создаваемой ею индукции Baqx = f(x) примем, что обмотка якоря равномерно распределена по его окружности. Тогда на основании закона полного тока м.д.с. якоря, действующая вдоль контура обхода через точки воздушного зазора на расстоянии х от оси главных полюсов,

,                                              (2.11)

а м.д.с, приходящаяся на один зазор,

,                                                   (2.11а)

где A = iaN/(πDa) – линейная нагрузка якоря (число ампер, приходящихся на 1 см окружности якоря).

Следовательно, м.д.с. якоря Faqx изменяется линейно вдоль его окружности (рис. 2.24, б); под серединой главного полюса она равна нулю, а в точках, где установлены щетки, имеет максимальное значение. При ненасыщенной магнитной системе магнитная индукция в воздушном зазоре

,                                      (2.12)

где δx–величина воздушного зазора в точке х.

Из (2.12) следует, что под полюсом при δx = const индукция Вaqx изменяется линейно вдоль окружности якоря. Но в междуполюсном пространстве резко возрастает длина магнитной силовой линии, т.е. величина δx, и индукция Baqx резко уменьшается. В результате кривая распределения Baqx = f(x) приобретает седлообразную форму. Кривую распределения результирующей индукции Bрез = f(x) можно получить путем алгебраического сложения ординат кривых Bв = f(x) и Baqx = f(x). Как видно из рис. 2.24, в, максимум индукции Bмакс имеет место под краями главных полюсов.

Реакция якоря, таким образом, оказывает следующее влияние на магнитное поле машины:

а) физическая нейтраль 0'–0' (см. рис. 2.22) смещается относительно геометрической нейтрали 0–0 на некоторый угол β;

б) искажается кривая распределения индукции Bрез = f(x) в воздушном зазоре и возрастает индукция под краями главных полюсов, что ведет к повышению напряжения в секциях, стороны которых проходят зоны с увеличенной индукцией.

Кроме того, как будет показано ниже, результирующий магнитный поток машины при насыщенной магнитной цепи уменьшается.

Размагничивающее действие поперечного поля реакции якоря. Если магнитная цепь машины не насыщена, то кривая результирующей индукции в воздушном зазоре под действием реакции якоря искажается (рис. 2.24, в) но площадь ее остается равной площади кривой индукции при холостом ходе (рис. 2.24, а).

Рис. 2.24 – Распределение индукции в воздушном зазоре машины постоянного тока:

а–от обмотки возбуждения, б – от обмотки якоря, в-результирующее

Следовательно, результирующий поток Фрез при нагрузке будет равен потоку Фв при холостом ходе. Однако при насыщенной магнитной цепи реакция якоря будет уменьшать поток Фрез. Чтобы установить влияние м.д.с. Faq на величину потока Фреэ, рассмотрим зависимость результирующей индукции Bрез в воздушном зазоре от результирующей м.д.с. Fpeзx = F'в ± Faqx, действующей в некоторой точке х зазора (рис. 2.25).

Примем, что в машине насыщены только зубцы якоря. Тогда м.д.с F'в будет расходоваться на преодоление магнитного сопротивления одного воздушного зазора и одного зубцового слоя. В точках, лежащих пол серединой полюсов, эта м.д.с. создает индукцию Bср = Bв, так как в этих точках м.д.с. Faqx = 0. По мере приближения к одному из краев полюса, например к правому, у полюса N (см. рис. 2.24, в) индукция Bрез будет возрастать до величины Bпрx, так как здесь действует м.д.с. F'в + Faqx; при приближении к другому краю этого полюса (в данном случае к левому) индукция будет уменьшаться до Влевх, так как здесь действует м. д. с. F'в–Faqx. Однако из-за нелинейного характера зависимости Bpeз=f(x) прирост индукции ΔBпрx у правого края полюса будет меньше, чем снижение индукции ΔBлевx. у левого края, вследствие чего результирующий поток машины уменьшится [см. косую штриховку в кривой индукции Bрез = f(x) на рис. 2.24, в].

Рис. 2.25 – Определение размагничивающего действия поперечного поля реакции якоря

Хотя снижение магнитного потока под действием м.д.с. якоря обычно невелико и составляет всего 1–3%, это существенно сказывается на характеристиках генераторов постоянного – тока и приводит к уменьшению э.д.с. Е машины при нагрузке по сравнению с э.д.с. Е0 при холостом ходе.

Если машина работает при небольших токах возбуждения, т.е. на прямолинейной части кривой намагничивания, то редакция якоря размагничивающего действия не оказывает. Аналогичный эффект будет и при очень большом насыщении, когда машина снова работает на прямолинейном участке кривой намагничивания.

Реакция якоря при сдвиге щеток с геометрической нейтрали. В этом случае окружность якоря с обмоткой можно разделить на четыре зоны (рис. 2.26). Две из них, охватывающие стороны секций в пределах угла 2α, образуют продольную м.д.с. Fad

Fad = (2a/n) A;                                                      (2.13)

две другие, охватывающие стороны секций в пределах угла (π–2а), – поперечную м.д.с.

Fa9 = [(n – 2a)/n] A.                                             (2.13a)

Рис. 2.26 – Возникновение продольной (а) и поперечной (б) м. д. с. якоря при сдвиге щеток с геометрической нейтрали

Продольная м.д.с. Fad создает продольный поток Фаd, который может сильно увеличивать или уменьшать результирующий магнитный поток машины Фрез в зависимости от того, совпадает м.д.с, Fad с м.д.с. Fв или направлена против нее. Направление определяется тем, в какую сторону сдвинуты щетки. Если щетки сдвинуты по направлению вращения генератора или против направления вращения электродвигателя, то продольная м.д.с. Fad размагничивает машину. При сдвиге щеток в обратном направлении м.д.с. Fad подмагничивает машину. Свойство продольной м.д.с. Fad изменять результирующий магнитный поток Фрез используется в некоторых специальных машинах, например в электромашинных Усилителях с поперечным полем. Поперечная м.д.с. Faq создает магнитный поток Фaq; она действует на поток Фрез так же, как и при расположении щеток на геометрической нейтрали.

2.6 Круговой огонь на коллекторе

При эксплуатации машины постоянного тока на коллекторе иногда возникает электрическая дуга или множество мелких электрических разрядов. Это явление называют круговым огнем.

Причиной возникновения кругового огня является чрезмерно высокое напряжение между смежными коллекторными пластинами.

Если напряжение между смежными пластинами превышает 25 В, то между этими пластинами возможно появление короткой электрической дуги.

При работе машины постоянного тока смежные коллекторные пластины могут оказаться замкнутыми через «мостик», образуемый угольной пылью или более крупными осколками щетки. В этом случае по «мостику» проходит ток, происходит его сгорание и возникает короткая дуга.

Процесс изменения тока в дуге описывается дифференциальным уравнением

,                                   (2.14)

где ес–мгновенное значение э.д.с. секции; rс – активное сопротивление секции; Lc – индуктивность секции; Δид – падение напряжения в стволе дуги; Δиэ – околоэлектродное падение напряжения в электрической дуге.

Величина Δиэ для медных электродов составляет 20–23 В, что и определяет в основном минимальную величину напряжения между коллекторными пластинами, при которой возможно появление кругового огня.

Дальнейшее (после появления короткой дуги) развитие процесса зависит от параметров электрической машины: ее мощности, величины активного сопротивления и индуктивности секции, частоты вращения ротора и т.д.

В машинах малой мощности, у которых секции обмотки якоря имеют довольно большое активное сопротивление и индуктивность, ток в короткой дуге невелик, и явление кругового огня протекает сравнительно безвредно. В этом случае на коллекторе в зонах, где действует значительное напряжение между пластинами, возникает небольшое искрение. Это явление иногда называют потенциальным искрением, так как оно обусловлено повышенной разностью потенциалов между пластинами коллектора. При более мощных коротких дугах происходит оплавление смежных пластин, при этом образуются кратеры диаметром 2–3 мм и на коллекторе наблюдаются так называемые вспышки. Это явление более опасно, так как оплавленные края коллекторных пластин вызывают быстрый износ щеток, а иногда их полное разрушение.

В мощных машинах, а также машинах средней и малой мощностей с высокими значениями напряжения между коллекторными пластинами, единичная короткая дуга между смежными пластинами перерастает в мощную дугу. Эта дуга перекрывает значительную часть коллектора или даже замыкает накоротко щеткодержатели разной полярности (перекрытие коллектора). Возникновение мощной дуги на коллекторе сопровождается сильным световым и звуковым эффектом (в крупных машинах это похоже на взрыв бомбы). Большой ток якоря, возникающий при перекрытии коллектора, вызывает срабатывание защиты и повреждает поверхность коллектора, изоляторы щеткодержателей и т.д., т.е. выводит машину из строя.

Процессы перерастания единичной вспышки в круговой огонь очень быстротечны, что затрудняло их изучение. Было создано немало различных гипотез, пока не удалось сфотографировать весь процесс скоростной кинокамерой (4000 кадров в секунду). На рис. 2.27, а показала схема развития единичной вспышки в круговой огонь. Короткая дуга возникает из-за наличия «мостика» между» пластинами а и b. Ток в дуге быстро увеличивается и пространство над коллектором ионизируется, т.е. заполняется раскаленными парами меди. По мере вращения коллектора все большее пространство становится ионизированным и, наконец, дуга перекрывает несколько пластин, что ведет к еще большему возрастанию тока. Дальнейшее развитие процесса носит случайный характер, но всегда сопровождается повреждением коллектора и других деталей машины. Процесс перерастания единичной вспышки в мощную дугу длится 0,01–0,001 с и поэтому не удается создать от него какую-либо защиту.

Рис. 2.27 – Возникновение кругового огня на коллекторе и зависимость предельно допустимых напряжений ик.макс от коллекторного деления tк:

1 – первичная дуга при замыкании смежных коллекторных пластин,

2 – газы и пары меди, 3 – мощная дуга

Для предотвращения возможности возникновения кругового огня необходимо снижать величину максимального напряжения между смежными коллекторными пластинами. На рис. 2.27, б показаны зависимости предельно допустимых величин максимальных напряжений между смежными коллекторными пластинами uк.макс от величины коллекторного деления tк для мощных электрических машин. Чем меньше толщина изоляции Δиз между пластинами и тоньше сами пластины, тем ниже должно быть выбрано максимальное напряжение. Безусловно, эти рекомендации являются ориентировочными, так как в них не учитываются частота вращения, величина воздушного зазора и т.д.

Искрение под щетками способствует появлению кругового огня, так как при этом происходит интенсивный износ щетрк, а следовательно, повышается вероятность появления токопроводящих мостиков.

Довольно длительное время была распространена гипотеза, согласно которой первоначальной причиной возникновения кругового огня является вытягивание дуги из-под щетки. Но она не подтвердилась практикой и экспериментами. Одним из доказательств развития кругового огня из единичной вспышки были опыты с генератором, работающим в режиме холостого хода со снятыми щетками. В этом случае искрение под щетками отсутствовало, но при достаточно высоком напряжении uк.макс возникал круговой огонь:

1) когда промежуток между смежными пластинами засорялся осколком щетки; 2) когда между этими пластинами искусственно зажигали короткую дугу с помощью вспомогательного электрода.

Реакция якоря искажает магнитное поле в воздушном зазоре машины, увеличивая магнитную индукцию под одним из краев главных полюсов (см. рис. 2.24). Вследствие этого возрастает максимальное напряжение uк.макс между смежными пластинами и увеличивается опасность кругового огня.

Для машин с петлевой и волновой обмотками соответственно:

,                                      (2.15)

где ωс–число витков в секции; р–число пар полюсов.

Чтобы уменьшить вероятность возникновения кругового огня, в крупных машинах используют обмотки якоря с одновитковыми секциями (ωc=1), снижают среднее напряжение между коллекторными пластинами до 15–18 В (при этом соответственно ограничивают активную длину якоря) и принимают меры для уменьшения искажающего действия реакции якоря, т.е. индукции Baq. Уменьшение Baq проще всего достигается путем увеличения воздушного зазора. По этой причине машины постоянного тока обычно выполняют со сравнительно большим воздушным зазором. Однако увеличение воздушного зазора требует соответствующего повышения м.д.с. обмотки возбуждения (для создания необходимого магнитного потока). А это приводит к увеличению размеров статора и всей машины.

Более выгодным является применение особой формы воздушного зазора: минимального под серединой полюса и расширяющегося к краям, где возрастает м.д.с. якоря. При такой форме зазора магнитное сопротивление для потока главных полюсов увеличивается в меньшей степени, чем для потока, создаваемого поперечной реакцией якоря. Следовательно, расширяющийся зазор требует меньшего повышения м. д. с. обмотки возбуждения, чем равномерный.

Рис. 2.28 – Принцип действия (а) и устройство (б) компенсационной обмотки:

1 – главный полюс, 2 – обмотка возбуждения, 3 – компенсационная обмотка

Еще более кардинальной мерой является применение компенсационной обмотки (рис. 2.28), которую располагают в пазах главных полюсов и соединяют последовательно с обмоткой якоря. Эту обмотку включают таким образом, чтобы образуемая ею м. д. с. Fк была направлена встречно м.д.с. якоря Faq и компенсировала ее действие. При Fк = Faq м. д. с. якоря практически не будет искажать магнитное поле в воздушном зазоре. Компенсационная обмотка существенно усложняет конструкцию машины, поэтому ее применяют только в машинах средней и большой мощности, работающих в тяжелых условиях (частые пуски, толчки нагрузки, перегрузки по току и т.п.). Кроме того, компенсационную обмотку применяют также в тех случаях, когда машина проектируется при жестких габаритных ограничениях, так как компенсационная обмотка позволяет уменьшить воздушный зазор и, следовательно, размеры обмотки возбуждения.

2.7 Коммутация

Коммутацией называют процесс изменения тока в секциях обмотки якоря при переходе их из одной параллельной ветви в другую. В более широком смысле слова под коммутацией понимают все явления и процессы, возникающие под щетками при работе коллекторных электрических машин. Если щетки искрят, то говорят, что машина имеет плохую коммутацию; если искрение отсутствует, то коммутацию называют хорошей. Качество коммутации (интенсивность искрения) в значительной степени определяет работоспособность машины и ее надежность в эксплуатации.

Причины искрения щеток. Искрение может вызываться большим количеством причин, которые обычно разбивают на две группы: механические и электромагнитные.

Типичными механическими причинами являются: биение коллектора, его эллиптичность, шероховатость рабочей поверхности коллектора, наличие выступающих коллекторных пластин и изоляционных прокладок, вибрация щеткодержателей и т.д. Все эти причины приводят к вибрации щеток, в связи с чем возможен кратковременный разрыв контакта между щеткой и коллекторными пластинами и возникновение кратковременной электрической дуги. Особенно трудно обеспечить отсутствие вибрации щеток при больших окружных скоростях коллектора – порядка 50 м/с и выше, что связано с особыми свойствами щеточного контакта.

Электромагнитные причины приводят к тому, что даже в случае идеального состояния щеточного контакта при выходе коллекторной пластины из-под щетки происходит разрыв электрической цепи, по которой проходит ток, и возникает короткая электрическая дуга, повреждающая сбегающие части щетки и коллекторных пластин. Следует отметить, что искрение, вызванное электромагнитными причинами, повреждает поверхность коллектора и приводит к вибрации щеток, т.е. способствует возникновению искрения по механическим причинам. Неустойчивость же щеточного контакта, обусловленная механическими причинами, оказывает существенное влияние на электромагнитные процессы, происходящие в коммутируемых секциях. Поэтому, как правило, искрение щеток на коллекторе является результатом совместного действия многих причин.

Необходимо иметь в виду, что стоимость ремонта и эксплуатации коллекторных машин (замена щеток, проточка коллекторов, устранение последствий кругового огня и т.д.) очень велика и в некоторых машинах (например, в тяговых электродвигателях) составляет за один год около 1/3 стоимости самой машины. Поэтому мероприятия, проводимые по уменьшению интенсивности искрения щеток, могут дать существенный технико-экономический эффект.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18