Электродвижущая сила и электромагнитный момент машин постоянного тока



При движении провода обмотки якоря в магнитном поле под по­люсом (рис. 13.14) провод пересекает линии магнитного поля с ин­дукцией Вив нем по закону электромагнитной индукции (2.15) ин­дуктируется ЭДС

е1 = -d$/dt = Blv,

Где I — активная длина провода;v — окружная скорость якоря.

Это — мгновенное значение ЭДС, изменяющееся под действием магнитной индукции вдоль полюсного деления. Чтобы определить среднее значение этой ЭДС, подставим в ее выражение среднее значение магнитной индукции Вср под полюсом в пределах по­люсного деления:

Е1ср =Bcvlv.

Окружную скоростьvможно выразить через частоту вращения якоря п, мин-1, ши­рину полюсного деления т и число полю­сов 2 р:

Рис. 13.13

а                                                              б

v= TvDn/60; -kD= т-2 р, гдеD —диаметр сердечника якоря.  Рис. 13.14

Следовательно,

v =2рпт/60;

Е1ср = Вср1т-2рп/т

Учтем, что /т =SlKm— площадь полюсного деления (рис. 13.14), а ^полВср = Ф — магнитный поток одного полюса. Поэтому

Е1ср = 2рпФ/60.

Обмотка якоря состоит из N активных проводов. Щетки делят эту обмотку на 2 а параллельных ветвей. Таким образом, в пределах каждой параллельной ветви последовательно соединяютсяN/2 а ак­тивных проводов; ЭДС якоря — это ЭДС одной параллельной ветви обмотки, а эта последняя равна сумме ЭДС, индуктируемых в со­ставляющих ее проводах. Следовательно, ЭДС якоря

Ея = ElcpN/(2a),

Или

Е» =                    = СЕФп>                                    (131>

aoU

где сЕпостоянный для данной машины коэффициент.

В генераторе ЭДС Ея возбуждает ток якоря /я и совпадает с ним по направлению (см. рис. 13.6, а). У двигателя ЭДС Ея направлена против тока 1Я (см. рис. 13.6, б) и называется противоЭДС.

Электродвижущую силу якоря можно регулировать посредством изменения главного магнитного потока или посредством изменения частоты вращения якоря.

При работе машины постоянного тока в режиме генератора взаи­модействие тока якоря с главным магнитным полем машины созда­ет тормозной момент, который должен преодолевать первичный дви­гатель. При работе машины в режиме двигателя взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем создает вращающий момент. Направление передачи энергии при этих двух режимах различное, но природа электромагнитного момента, воздействующего на якорь, одна и та же.

На каждый из N активных проводов обмотки якоря, находящих­ся под полюсами машины, воздействует сила F = ВН[13]. Сумма этих сил создает электромагнитный момент, воздействующий на якорь:

п ^

=

z k=i

или, если пользоваться понятием среднего значения индукции под полюсом,

м,ы = ^NBcpIl.

Окружность якоря выразим через ширину полюсного деления-kD =2рт, а затем заменим Вс?на Ф. Таким образом,

Mim= pN$I/-K.

Наконец, вместо тока I одного провода введем в выражение мо­мента общий ток якоря 1Я = 12а.После этой подстановки получим

Мэы =          = смф1*>             (13.2)

где см =^-60/(2^) — величина, постоянная для данной машины.

Реакция якоря

Реакцией якоря называется воздействие тока якоря на магнит­ное поле машины. Реакция якоря в большинстве случаев — явле­ние нежелательное, искажающее главное магнитное поле и тем са­мым ухудшающее условия работы машины, поэтому при констру­ировании машины предусматриваются меры для уменьшения ее влияния.

Пока магнитное поле машины создается только током в обмотке возбуждения (/я = 0), оно симметрично по отношению к оси сердеч­ников полюсов и под полюсами почти равномерно. На рис. 13.15, а показано схематически такое поле двухполюсной (р =1) машины. Геометрическая нейтраль п—п' — линия, перпендикулярная оси полюсов и разделяющая на дуге якоря области северного и южного полюсов, совпадает в этих условиях с физической нейтралью — ли­нией, проходящей через точки окружности якоря, где магнитная


 



N

niiiiiwwm ~ir\fl


 

Шжтшг

N

111|11|1Гу\\\\\\И11

s


индукция равна нулю. Щетки, условно показанные опирающимися на якорь (хотя фактически они установлены на коллекторе), нахо­дятся на геометрической нейтрали.

При токе в обмотке якоря он становится электромагнитом, ось которого направлена по оси щеток (рис. 13.15, б). По отношению к оси поля главных полюсов ось поля якоря направлена перпендику­лярно, пока щетки стоят на геометрической нейтрали: в этих усло­виях поле якоря поперечное.

В современных машинах постоянного тока щетки устанавлива­ются на геометрической нейтрали. Но если щетки смещены с нее, то кроме поперечного поля возникает и продольное поле реакции якоря.

При нагрузке машины реакция якоря, воздействуя на главное поле, создает результирующее поле, характер которого примерно показан на рис. 13.15, в. Линии магнитного поля в машине смещают­ся по направлению ее вращения в генераторном режиме или против направления вращения в двигательном режиме. При этом поток рас­пределяется несимметрично но отношению к оси полюсов — ослаб­ляется под одним краем и усиливается под другим. Вместе с тем в результате реакции якоря физическая нейтраль га—га' смещается по отношению к геометрической п—п'на угол (3 и щетки оказыва­ются вне физической нейтрали.

т

Рассмотрим, как распределяется магнитная индукция под полю­сами вследствие реакции якоря. Пока поле создается только глав­ными полюсами, оно симметрично по отношению к оси полюсов и под полюсами почти равномерно (рис. 13.16, кривая 1). Обмотка якоря распределяется вдоль окружности якоря в пазах. Поэтому ток в обмотке якоря создает МДС, которая изменяется ступенчато вдоль этой окружности. Но так как число пазов довольно велико, то мож-

т

 

но заменить ступенчатую кривую прямой. Наибольшее значение МДС якоря достигается на оси щеток (кривая 2). Если рассматри­вать поле якоря независимо от главного, то распределение его маг­нитной индукции будет в большой мере определяться магнитным сопротивлением на пути потока якоря. Это сопротивление относи­тельно мало и постоянно вдоль окружности под полюсами машины и сильно возрастает в промежутке между полюсами. Вследствие та­кого влияния кривая 3 распределения индукции поля якоря имеет седлообразный характер.

Если сердечники полюсов машины в рабочих условиях не насы­щаются, то поле машины при нагрузке можно определить путем на­ложения на главное поле поля якоря. При таком наложении маг­нитный поток, возбуждающий ЭДС якоря, остается прежним, но изменится его распределение вдоль окружности якоря (кривая 4).

При этом физическая нейтраль не будет совпадать с геометри­ческой, и так как щетки стоят на геометрической нейтрали, то из- за реакции якоря при нагрузке они окажутся вне физической нейт­рали.

Искажение магнитного поля под полюсами сопровождается зна­чительным местным повышением магнитной индукции. Мгновен­ные значения ЭДС, индуктируемой в секции обмотки при ее движе­нии, пропорциональны этой индукции. Следовательно, искажение поля может вызвать такое повышение напряжения между соседни­ми пластинами коллектора (свыше 30 — 50 В), при котором между этими пластинами возможно возникновение опасных устойчивых дуговых разрядов (кругового огня по коллектору).

До сих пор не учитывалось влияние насыщения магнитопровода при реакции якоря. Под одним краем полюса магнитная индукция возрастает настолько, что зубцы якоря и сердечника полюсов вдоль этого участка насыщаются (рис. 13.16, заштрихованная часть гра­фика 4), в результате чего поле якоря ослабляет главное магнитное


 



Дополнительный

Главный

я I +яя

н

0


поле под одним краем полюса больше (—АД рис. 13.17), чем усили­вает это поле под другим краем полюса (+ДВ). Таким образом, ре­акция якоря вызывает еще уменьшение главного магнитного пото­ка, которому пропорциональна ЭДС якоря.

При работе машины в генераторном режиме это вызывает пони­жение напряжения, при работе в двигательном режиме — уменьше­ние вращающего момента и частоты вращения.

Для ослабления реакции якоря при конструировании машины предусматривается увеличение магнитного сопротивления на пути потока якоря — воздушный зазор между якорем и полюсными нако­нечниками делается относительно большим, а сечение зубцов якоря выбирается таким, чтобы индукция в них была велика. Дальнейшее увеличение индукции вызывает насыщение зубцов и возрастание их магнитного сопротивления, что эквивалентно некоторому увеличе­нию воздушного зазора на пути потока якоря. Однако для поддер­жания нужного потока в машине при увеличении магнитного сопро­тивления необходимо соответствующее увеличение МДС главных полюсов, а следовательно, увеличение габаритов и массы машины.

Для того чтобы улучшить условия коммутации, большинство со­временных машин постоянного тока снабжается дополнительными полюсами (см. 13.8). Они устанавливаются на станине машины по линии геометрической нейтрали. Обмотки дополнительных полю­сов соединяются через щетки последовательно с обмоткой якоря так, чтобы направление напряженности поля от дополнительных полю­сов было противоположно направлению напряженности поля реак­ции якоря. Таким образом, дополнительные полюсы компенсируют поле реакции якоря в относительно узкой зоне коммутируемых сек­ций. Тем самым предупреждается смещение физической нейтрали по отношению к геометрической.

Поскольку поле от дополнительных полюсов создается током якоря, компенсация реакции якоря автоматически устанавливается при любых нагрузках машины; при этом необходимо, чтобы магнит­ная цепь дополнительных полюсов не насыщалась.

При работе машины в режиме генератора дополнительные по­люсы должны иметь полярность тех главных полюсов, на которые якорь набегает, а при работе в режиме двигателя — полярность тех главных полюсов, из-под которых якорь выбегает (рис. 13.18).

Дополнительные полюсы не устраняют создаваемые реакцией якоря неравномерное распределение индукции под главными полю­сами и уменьшение полезного потока. В крупных машинах и в ма­шинах, работающих в особо тяжелых условиях (например, часто реверсируемые двигатели), сильное местное повышение индукции под главными полюсами может вызвать перекрытие изоляционно­го промежутка между пластинами коллектора, а затем и круговой огонь. Чтобы предупредить возможность такой аварии, необходимо полностью компенсировать реакцию якоря.

Рис. 13.19

Хотя якорь вращается, его магнитный поток остается неподвиж­ным по отношению к станине машины. Следовательно, можно пол­ностью компенсировать действие реакции якоря встречным действи­ем неподвижной (компенсационной) обмотки, размещенной в па­зах, сделанных в несколько расширенных полюсных наконечниках главных полюсов (рис. 13.19). Компенсационная обмотка К соеди­няется последовательно с якорем, таким образом, каждый из ее стержней как бы образует с находящимся под ним стержнем обмот­ки якоря бифилярную систему, магнитное поле у которой почти от­сутствует.

Компенсационная обмотка дополняет действие дополнительных полюсов, и вместе они почти полностью компенсируют реакцию якоря. Однако устройство компенсационной обмотки существенно удорожает машину и увеличивает потери в ней; поэтому компенса­ционная обмотка у машины постоянного тока есть лишь в случаях крайней необходимости.


Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 744;