Магнитное поле машины при нагрузке

5. Магнитное поле машины при нагрузке

5.1. Реакция якоря и ее виды

На холостом ходу машины действует одна МДС возбуждения, создаваемая током, проходящим по обмотке возбуждения. Картина магнитного поля для этого случая (2р = 2) показана на рис. 5.1. При нагрузке машины  обмотка  якоря создает собственное магнитное поле, картина которого при установке щеток на линии геометрической нейтрали и при отсутствии возбуждения  изображена на рис. 5.2. Ось поля якоря направлена по оси щеток 1–1. Электромагнитный момент, развиваемый в машине, – это результат взаимодействия полюсов поля якоря (см. рис. 5.2) и полюсов возбуждения  (см. рис. 5.1). Характер результирующего магнитного поля при установке щеток на геометрической нейтрали приведен на рис. 5.3.

Полярность полюсов и направление токов якоря на рисунке соответствует случаю, когда в  режиме  генератора  Г якорь вращается по  часовой  стрелке, а в режиме двигателя Д – против часовой стрелки.

Под влиянием магнитного поля якоря результирующее поле машины меняется. Воздействие магнитного поля якоря на основное поле (поле полюсов) называется реакцией якоря.

При установке щеток по линии геометрической нейтрали поле якоря направлено поперек полюсов и в этом случае оно называется полем поперечной реакции якоря. Поперечная реакция якоря искажает магнитное поле машины, ослабляя его под одним краем полюса и усиливая под другим ( см. рис. 5.3).

Рекомендуемые материалы

Ось результирующего поля поворачивается из положения геометрической нейтрали 1–1 на некоторый угол в положение 2–2, которое называют линией физической нейтрали.

Если щетки сдвинуты с геометрической нейтрали на 90⁰ эл., ось поля якоря устанавливается по оси полюсов. Такое поле называют полем продольной реакции якоря. Это поле в зависимости от направления тока в обмотке якоря оказывает размагничивающее или намагничивающее действие на поле полюсов. Электромагнитный момент и индуктируемая ЭДС якоря равны нулю. В общем случае щетки могут быть сдвинуты с нейтрали на угол b. В этих условиях  рассматривают

 Якорь как два совмещенных электромагнита, из которых один, образованный частью обмотки, находящейся в двойном угле 2b, образует продольную МДС якоря  , a другой, образованный остальной частью обмотки по дуге, создает поперечную МДС якоря  (рис. 5.4).

5.2. Влияние реакции якоря на магнитный поток машины

Вопросы количественного учета влияния реакции якоря на магнитный поток машины рассмотрим при следующих допущениях:

- якорь не имеет пазов, их влияние учитывают введением в рассмотрение эквивалентного воздушного зазора ;

- проводники якоря распределены равномерно по окружности якоря.

При существенном упрощении анализа получаемые результаты достаточно точны для практических целей.

Удобно рассматривать машину (рис. 5.5) развернутой на плоскость. МДС вдоль одной из единичных трубок магнитной индукции, выделенной на рис. 5.5 жирной линией, по закону полного тока составит

                               (5.1)

так как на единицу длины окружности приходится А Ампер, а контур охватывает две единицы длины. Под центром полюса МДС ; для трубки, проходящей на расстоянии  от центра, МДС

                                                (5.2)

МДС  достигает максимального значения на линии геометрической нейтрали (рис. 5.5, а):

,                                               (5.3)

поскольку МДС контура затрачивается на то, чтобы провести элементарный поток через зазор дважды – в прямом и обратном направлениях.

Поток единичной трубки  через некоторое сечение

                                         (5.4)

Пренебрегая весьма малым сопротивлением стальных участков сравнительно с сопротивлением воздушного зазора, можно записать, что магнитное сопротивление контура

                                                                 (5.5)

тогда по (5.4) с учетом (5.1) и (5.5) получим

                                            (5.6)

откуда

                                          (5.7)

Из (5.2) и (5.7) следует, что форма кривой магнитной индукции повторяет форму распределения МДС  (рис. 5.5, б).

Провалы индукции в межполюсной зоне возникают вследствие резкого увеличения магнитного сопротивления этих участков под полюсом.

                                       (5.5)

Кривая 3 результирующей индукции в зазоре машины  сильно искажена (рис. 5.6, в), причем искажение увеличивается с ростом нагрузки.

Искажение поля машины приводит к неравномерному распределению напряжения по коллектору (к увеличению напряжения между одними соседними пластинами и к уменьшению между другими), что способствует появлению кругового огня по коллектору, крайне опасного для сохранности машины.

5.3. Напряжение между коллекторными пластинами

 и компенсационная обмотка

При холостом ходе машины среднее напряжение между соседними пластинами в случае, например, применения простой петлевой обмотки

                                     (5.8)

где  - число витков секции,  активная длина воздушного зазора, скорость перемещения проводника.

При нагрузке максимальная индукция под одним из краев полюса  (рис. 5.5)  достигает некоторого значения  и

                                   (5.9)

При расчете машин постоянного тока число коллекторных пластин К выбирают таким, чтобы среднее напряжение между соседними коллекторными пластинами

                                             (5.10)

не превышало 18 –20 В.

Согласно (5.8) и (5.10)

                                     (5.11)

Предельное значение  ограничивается возможностью во-зникновения электрической дуги между смежными пластинами. По-этому обычно требуется, чтобы  

Недопустимое повышение  может произойти либо вследствие увеличения  под воздействием реакции якоря, либо вследствие уменьшения  при регулировании скорости значительным уменьшением потока. Искажение кривой поля тем значительнее, чем меньше воздушный зазор. Эффективным средством борьбы с искажением кривой  поля и увеличением напряжения между коллекторными пластинами является применение компенсационной обмотки (рис. 5.6).

Обмотка размещается в пазах, выштампованных в полюсных наконечниках так, чтобы направления токов в этой обмотке и обмотке якоря в пределах каждого полюсного деления были бы противоположными. Последовательное соединение компенсационной обмотки с обмоткой якоря обеспечивает полную компенсацию поперечной реакции якоря в пределах полюсного наконечника, (сплошная линия рис. 5.6). В межполюсном пространстве нескомпенсированная МДС якорной обмотки компенсируется добавочными полюсами. Установка компенсационной обмотки усложняет и удорожает конструкцию машины,

поэтому применяют ее в мощных и быстроходных машинах,  работающих при значительных перегрузках.

6. КОММУТАЦИЯ

(Тема 42)

6.1. Природа щеточного контакта

Коммутация представляет совокупность явлений, связанных с изменением тока в проводниках обмотки якоря при прохождении через зону, где они замыкаются накоротко щетками, наложенными на коллектор. Коммутация считается хорошей, когда процесс изменения тока в секциях не сопровождается искрообразованием между коллектором и щетками, а поверхность коллектора остается чистой, неповрежденной при длительной работе машины. Неудовлетворительная коммутация с искрообразованием на щетках приводит к порче коллектора и преждевременному выходу машины из строя.

Явления в щеточном контакте оказывают большое влияние на коммутацию и на исправную работу машины.

Передача тока от щетки к коллектору может осуществляться следующим образом:

- непосредственный механический контакт: вследствие неровностей поверхностей контакт происходит в отдельных точках и сопровождается повышенными плотностями тока;

- пылевидный контакт, возникающий через обязательно присутствующие частицы меди и угольной пыли; продолжительность контакта невелика;

- ионная проводимость: большие плотности тока в отдельных точках поверхности коллектора нагревают эту поверхность до красного и белого каления и вызывают появление ионов и термическую эмиссию.

Присутствующая в воздухе влага и наличие в ней окислов обусловливают явление электролиза при прохождении тока через слой щеточного контакта. В результате электролиза на коллекторе образуется блестящая пленка окислов меди - политура. Политура увеличивает переходное сопротивление щеточного контакта, уменьшает ток короткозамкнуто секции и улучшает коммутацию.

Важно, чтобы коммутация происходила без значительного искрения у контактных поверхностей щеток, так как сильное искрение портит поверхность коллектора и щеток и делает длительную работу машины невозможной.

Причины искрения подразделяют на механические и электромагнитные .

Механические причины связаны с нарушением контакта между щетками и коллектором: неровность поверхности коллектора, плохая пришлифовка щеток, выступание отдельных пластин  или слюды между ними,  вибрация щеток и т. д.

Электромагнитные причины искрения на щетках связаны с характером протекания электромагнитных процессов в коммутируемых секциях: повышенное напряжение между коллекторными пластинами,  высокие напряжения и плотности тока в момент разрыва контура между щеткой и коллекторной пластиной, а также ряд дру-гих причин, которые будут выяснены в дальнейшем.

Качество коммутации оценивают степенью искрения под сбегающим краем щетки. Степени искрения   допускаются при любых режимах работы. Класс 2 допустим только при кратковременных толчках нагрузки и перегрузки. Класс 3 является аварийным при обычной работе машины.

6.2. Процесс коммутации

Полное время коммутации, соответствующее времени прохождения секции через короткое  замыкание,  называется  периодом

коммутации.

При окружной скорости коллектора  и ширине щетки  период коммутации

                                                   (6.1)

В короткозамкнутой секции возникает переходный электромагнитный процесс, связанный с изменением в ней тока от значения + до значения –(рис. 6.1, а, б, в).

Характер изменения тока i в процессе коммутации может быть различным, в зависимости от величин и направлений наводимых в короткозамкнутой секции ЭДС.

Электродвижущая сила самоиндукции, наводимая в секции

                                                                                            (6.2)

где  индуктивность секции.

В этой секции наводятся также ЭДС взаимоиндукции, обусловленные одновременными процессами коммутации в соседних магнитосвязанных с нею секциях

                                                      (6.3)

где М - взаимоиндуктивность между витками разных секций, расположенных в одном пазу.

Поле реакции якоря и внешнее поле индуктора, действуя совместно, образуют в зоне коммутируемых секций результирующее (коммутирующее) поле. Индуктируемая этим полем в коммутруемой секции ЭДС называется коммутирующей и определяется формулой

                                        (6.4)

где - индукция коммутирующего поля;   и  длина и скорость вращения коммутирующего проводника.

В зависимости от направления внешнего поля ЭДС  может действовать согласно с ЭДС , ухудшая коммутацию, а может - встречно, улучшая ее.

Если поток главных полюсов изменяется во времени, то в коммутируемой секции индуктируется ЭДС трансформации (пульсации):

                                            (6.5)

В машинах постоянного тока она появляется только в переходных режимах (например, при изменении скорости машины).

ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции объединяют общим названием реактивной ЭДС

.                                             (6.6)

Если просуммировать все ЭДС, действующие в короткозамкнутой секции, обозначить через  сопротивление секции и через  сопротивление проводников, соединяющих секцию с коллектором, то согласно рис. 6.1,б можно написать следующее уравнение Кирхгофа для коммутируемой секции:

.  (6.7)

Здесь  и  изменяющиеся в процессе коммутации переходные сопротивления между коллекторными пластинами и щеткой.

Из (6.7) получим         

            (6.8)

Первый член этого выражения представляет основной ток коммутации секции, а второй - добавочный ток коммутации.

Знаменатели в выражении (6.8) определяют сопротивление короткозамкнутого контура коммутируемой секции. Добавочный ток коммутации поэтому можно рассматривать как ток короткого замыкания секции, определяемый ЭДС .

Пусть ЭДС ,  и, следовательно, . В секции существует только основной ток коммутации. Поскольку  сопротивления  несоизмеримо меньше  , то изменение тока определяется только изменением  , вследствие чего этот случай называют коммутацией сопротивлением.

 При этом

.                                          (6.9)

Сопротивления  обратно пропорциональны сечениям контактных частей щеток:

                                        (6.10)

а

                   .                    (6.11)

Аналогично

                   (6.12)

так как ширина щетки , а длина .

Подставив (6.11) и (6.12) в (6.9) получим

                                  (6.13)

где  токи по соединительным проводникам, согласно принятому (рис. 6.1, б) направлению тока коммутируемой секции. Решение (6.13) дает  закон изменения тока в коммутирующей секции:

                                           (6.I4)

Полученное уравнение (6.14) есть уравнение прямой.  Следовательно, при   в коммутирующей секции ток изменяется пропорционально времени коммутации t (рис.6.2). Такую коммутацию называют прямолинейной.

Это идеальный случай коммутации. Он характерен тем, что в коммутирующей секции никакого добавочного тока коммутации не возникает, и в любой момент времени плотности тока под обеими частями щеток одинаковы. Причин к искрообразованию нет, поскольку ни одна часть щеток не перегружается током.

Так как сопротивления  и  не равны нулю, а сопротивле-ния щеточных контактов нелинейны, то прямолинейная коммутация уступает место криволинейной (пунктирная линия рис. 6.2).

При  на основной ток коммутации накладывается до-бавочный ток

                                       (6.15)

где в соответствии с равенствами (6.11), (6.12):

   (6.16)

Зависимость сопротивления короткозамкнутого контура секции от времени изображена на pис. 6.3. Если предположить, что  по абсолютной величине постоянна, то характер зависимости  от t при >0 и <0 имеет вид, изображенный на рис. 6.3,в. При > 0 ток  складывается с основным током коммутации. Получается замедленная коммутация (рис.6.3, г, кривая 2), при которой изменение тока в начале коммутации происходит медленно и ускоряется к концу.

Величина тока    на сбегающем крае щетки в этом случае сохраняется большой вплоть до конца коммутации, вследствие чего и плотность тока  под этим краем щетки к концу коммутации становится большой.  При замедленной коммутации возникают благоприятные условия для искрения под сбегающим краем щетки.

При  < 0 ток  имеет обратный знак и характер изме-нения токов соответствует кривой 3 рис. 6.3, г. В этом случае токи   и  изменяются быстро в начале коммутации. Такая коммутация называется ускоренной. Ток  и плотность тока  на набегающем краю щетки уже в начале коммутации становятся большими. При этом существует некоторая тенденция к искрению под набегающим краем щетки. В конце процесса коммутации ток  и плотность тока  на сбегающем краю щетки малы или равны нулю.

Таким образом, замедленная  коммутация  является неблагоприятной и нежелательной, а слегка ускоренная - благоприятной. На практике стремятся достичь именно такой коммутации.

6.3. Способы улучшения коммутации

Для создания хороших условий коммутации необходимо прежде всего обеспечить надлежащее состояние коллектора и щеточного аппарата, чтобы устранить механические причины искрения.

Ниже рассмотрены способы обеспечения необходимых электромагнитных условий коммутации, ограничивающих добавочный ток коммутации, что по (6.6) возможно уменьшением ЭДС или увеличением сопротивления цепи  коммутируемой секции. Эти способы сводятся к созданию коммутирующей ЭДС с помощью добавочных полюсов или сдвига щеток с геометрической нейтрали, уменьшению реактивной ЭДС (ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции), увеличению сопротивления щеточных контактов.

Основным способом улучшения коммутации в современных машинах постоянного тока является создание коммутирующего магнитного поля с помощью добавочных полюсов.

Добавочные полюсы устанавливают между гла-вными полюсами (рис. 6.4) и крепят болтами к ярму индуктора. МДС добавочных полюсов  должна быть направлена против МДС реакции якоря , чтобы скомпенсировать ее и создать коммутирующее поле  для компенсации реактивной ЭДС  . При отсутствии компенсационной обмотки >, а при наличии ее >. В последнем случае требуемая величина  меньше, так как основная доля реакции якоря компенсируется компенсационной обмоткой.

Обмотки добавочных полюсов включают так, чтобы за главным полюсом данной полярности по направлению вращения якоря в режиме генератора следовал добавочный полюс противоположной полярности, а в режиме двигателя – добавочный полюс той же полярности.

Так как величины  и  пропорциональны току якоря, то для их компенсации  и  также должны быть пропорциональны току якоря. Для этого обмотку добавочных полюсов соединяют последовательно с якорем, а добавочные полюсы выполняют с ненасыщенной магнитной системой. Поэтому при номинальной нагрузке в них допускается индукция не больше 0,8 – 1,0 Тл. На отдельных участках ярма индуктора магнитные поля главных и добавочных полюсов складываются, поэтому во избежание насыщения этих участков индукция главного поля в ярме должна быть не более 1,3 Тл. Сердечники добавочных полюсов изготовляют массивными из стальной поковки или из листовой стали.

При относительно малом полезном магнитном потоке,  добавочных полюсов их МДС  приходится брать большой, так как значительная часть  расходуется на компенсацию . По этой причине коэффициент рассеяния добавочных полюсов велик: s = 3 – 5 при отсутствии компенсационной обмотки и s = 2 – 3 при наличии ее. Для уменьшения рассеяния обмотку добавочных полюсов размещают ближе к якорю, подразделяя при необходимости воздушный зазор на две части путем создания второго немагнитного зазора между ярмом и сердечником добавочного полюса с помощью немагнитных прокладок.

Добавочные полюсы применяют в машинах мощностью более 0,3 кВт. Обычно число добавочных полюсов равно числу главных. В машинах мощностью до 2 кВт иногда делают половинное число добавочных полюсов.

В машинах мощностью несколько десятков Ватт добавочные полюсы не ставят. Коммутирующее поле при этом можно создать путем сдвига щеток с геометрической нейтрали, благодаря чему в зоне коммутации начинает  действовать поле главных полюсов. Чтобы индуктируемая этим полем ЭДС  в коммутируемой секции имела правильное направление, поле главных полюсов в зоне коммутации должно быть направлено против поля реакции якоря. Для этого в генераторе щетки необходимо повернуть в сторону вращения , а в двигателе - наоборот.

Ещё посмотрите лекцию "5 Основные идеи педагогики XIX века" по этой теме.

Если поток главных полюсов  изменяется пропорционально току якоря (машины с последовательным возбуждением), то при определенном фиксированном положении щеток можно достичь хороших условий коммутации в широком диапазоне изменения нагрузки. Если же , то наилучшие условия коммутации достигаются только при одной, определенной нагрузке. Установку щеток производят на глаз, наблюдая за искрением.

Снижение величины реактивной ЭДС  также способствует улучшению коммутации. Численное значение ЭДС

                              (6.I7)

Уменьшение А в (6.17) нецелесообразно с точки зрения использования материалов, а величины  и  определяются номинальной мощностью машины. Следовательно, ограничение  зависит от возможностей уменьшения  и  . В машинах мощностью более 50 кВт всегда . Уменьшить  можно за счет ослабления взаимной индукции между коммутируемыми секциями, что достигается укорочением шага на величину одного зубцового деления и применением ступенчатой обмотки, выбором отношения К/р , равным нечетному числу, уменьшением отношения глубины паза к его ширине, применением уравнителей первого рода.  Перспективно применение беспазового якоря в машинах постоянного тока. В таком якоре обмотку укрепляют  на его поверхности (машины с гладким якорем) или на специальном немагнитном стакане (машины с полым якорем). В последнем случае значительно повышается быстродействие машины, как за счет значительного снижения момента инерции, так и за счет снижения индуктивности обмоток. Существенно улучшаются условия коммутации. Уменьшается также и реакция якоря. Недостатком этих машин является значительное увеличение немагнитного зазора между полюсом и якорем, что ведет к утяжелению системы возбуждения.

Увеличение сопротивления "петушков" приводит к уменьшению КПД машины и не может быть рекомендовано как средство улучшения коммутации. Существенным является подбор щеток с надлежащими характеристиками. При тяжелых условиях коммутации лучше работают твердые графитные щетки с повышенным сопротивлением переходного контакта. В этом случае электрические потери в переходном контакте и механические потери больше. Щетки с круто поднимающейся вольт-амперной характеристикой благоприятны с точки зрения  уменьшения  плотности тока на сбегающем краю щетки и способствуют улучшению коммутации. Медно-графитные щетки, обладающие малым переходным сопротивлением, применяются только в машинах на напряжение до 25-30 В.

При резко переменной нагрузке эффективной мерой улучшения коммутации является применение компенсационной обмотки, которая предотвращает опасность возникновения кругового огня, а также улучшает условия действия добавочных полюсов.