Реакция якоря машины постоянного тока. Магнитное поле машины постоянного тока
Глава 26
Магнитное поле машины постоянного тока
Магнитная цепь машины постоянного тока
Магнитная система машины постоянного тока состоит из станины (ярма), сердечников главных полюсов с полюсными наконечниками, воздушного зазора и сердечника якоря.
На рис. 26.1 показана картина магнитного поля четырехполюсной машины. При этом имеется в виду машина, работающая в режиме х.х., когда МДС создается лишь обмоткой возбуждения, а в обмотке якоря и обмотке добавочных полюсов тока нет или он настолько мал, что его влиянием на картину магнитного поля можно пренебречь. В целях упрощения на рисунке не показаны добавочные полюсы, так как в режиме х.х. их влияние на картину магнитного поля машины незначительно. Как это следует из рис. 26.1, магнитный поток главных полюсов состоит из двух неравных частей: большая часть образует основной магнитный поток , а меньшая — магнитный поток рассеяния полюсов . Поток рассеяния учитывается коэффициентом рассеяния (см. § 20.1).
Магнитодвижущая сила обмотки возбуждения на пару полюсов в режиме х.х. определяется суммой магнитных напряжений на участках магнитной цепи (рис. 26.2):
, (26.1)
где — магнитные напряжения воздушного зазора, зубцового слоя якоря, главного полюса, спинки якоря, станины (ярма) соответственно.
Если машина имеет компенсационную обмотку (см. § 26.4), то в (26.1) следует ввести еще одно слагаемое , представляющее собой магнитное напряжение зубцового слоя главного полюса.
|
|
Порядок расчета магнитных напряжений на участках магнитной цепи машины постоянного тока в принципе такой же, что и в случае асинхронной машины (см. гл. 11). При этом расчет магнитных напряжений станины и сердечника главного полюса ведут по магнитному потоку главного полюса , который больше основного потока на значение потока рассеяния :
где — коэффициент магнитного рассеяния.
Рис. 26.1. Магнитное поле машины постоянного тока в режиме х.х.
При заданном значении ЭДС машины определяют требуемое значение основного магнитного потока (Вб) [см. (25.20)]:
. (26.2)
Далее рассчитывают магнитную индукцию для каждого участка магнитной цепи:
, (26.3)
где — магнитный поток на данном участке магнитной цепи. Вб;
— площадь поперечного сечении этого участка, м2.
Рис. 26.2. Расчетный участок магнитной цепи
четырехполюсной машины постоянного тока
|
|
По таблицам или кривым намагничивания для соответствующих ферромагнитных материалов находят напряженность магнитного поля на участках магнитной цепи ,а затем определяют магнитное напряжение (А)
и МДС обмотки возбуждения на пару полюсов по (26.1).
Значения магнитных напряжений для различных участком магнитной цепи неодинаковы и зависят от магнитных сопротивлений этих участков. Наибольшим магнитным сопротивлением обладает воздушный зазор, поэтому магнитное напряжение намного больше любого из слагаемых выражения (26.1).
Другие участки магнитной цепи выполняют из ферромагнитных материалов. В машинах постоянного тока для изготовления различных элементов магнитной цепи применяют следующие материалы.
Сердечник якоря — тонколистовые электротехнические стали марок 2013, 2312 и 2411 толщиной 0,5 мм (см. табл. 11.1).
Сердечник главного полюса — листовая анизотропная (холоднокатаная) сталь марки 3411 толщиной 1 мм, пластины не изолируют.
Станина — в машинах малой мощности станину изготовляют из стальных цельнотянутых труб, а для машин средней и большой мощности станины делают, сварными из листовой конструкционной стали марки СтЗ.
|
|
Магнитное напряжение воздушного зазора (А)
, (26.4)
где — величина воздушного зазора, мм; — коэффициент воздушного зазора, учитывающий увеличение магнитного сопротивления зазора из-за зубчатости якоря ( > 1).
Магнитная индукция в воздушном зазоре (Тл) пропорциональна основному магнитному потоку Ф. В машинах постоянного тока общего назначения Тл (большие значения соответствуютболее крупным машинам).
Обычно расчет МДС ведут для ряда значений магнитного потока и , а затем строят магнитную характеристику машины , где — относительное значение магнитного потока; — относительное значение МДС обмотки возбуждения на пару полюсов в режиме х.х.; и — номинальные значения магнитного потока и МДС в режиме х.х., соответствующие номинальному значению ЭДС [см. (26.2)]. В начальной части магнитная характеристика прямолинейна (рис. 26.3). Объясняется это тем, что при небольших значениях магнитная цепь не насыщена и МДС возбуждения определяется, в основном, магнитным напряжением воздушного зазора .
Рис. 26.3 Магнитная характеристика
Затем с ростом наступает насыщение магнитной цепи и магнитная характеристика становится криволинейной. Коэффициент насыщения магнитной цепи машины
|
|
. (26.5)
Для машин постоянного тока .
Реакция якоря машины постоянного тока
При работе машины в режиме х.х. ток в обмотке якоря практически отсутствует, а поэтому в машине действует лишь МДС обмотки возбуждения . Магнитное поле машины в этом случае симметрично относительно оси полюсов (рис. 26.4, а). График распределения магнитной индукции в воздушном зазоре представляет собой кривую, близкую к трапеции.
Если же машину нагрузить, то в обмотке якоря появится ток, который создаст в магнитной системе машины МДС якоря . Допустим, что МДС возбуждения равна нулю и в машине действует лишь МДС якоря. Тогда магнитное поле, созданное этой МДС, будет иметь вид, представленный на рис. 26.4, б. Из этого рисунка видно, что МДС обмотки якоря направлена по линии щеток (в данном случае по геометрической нейтрали). Несмотря на то, что якорь вращается, пространственное положение МДС обмотки якоря остается неизменным, так как направление этой МДС определяется положением щеток.
Наибольшее значение МДС якоря — на линии щеток (рис. 26.4, б, кривая 1), а по оси полюсов эта МДС равна нулю. Однако распределение магнитной индукции в зазоре от потока якоря совпадает с графиком МДС лишь в пределах полюсных наконечников. В межполюсном пространстве магнитная индукция резко ослабляется (рис. 26.4, б, кривая 2). Объясняется это увеличением магнитного сопротивления потоку якоря в межполюсном пространстве. МДС обмотки якоря на пару полюсов пропорциональна числу проводников в обмотке N и току якоря :
. (26.6)
Введем понятие линейной нагрузки (А/м), представляющей собой суммарный ток якоря, приходящийся на единицу длины его окружности по наружному диаметру якоря :
, (26.7)
где — ток одного проводника обмотки, А.
Значение линейной нагрузки для машин постоянного тока общего назначения в зависимости от их мощности может быть (100÷500)·102 А/м. Воспользовавшись линейной нагрузкой, запишем выражение для МДС якоря: . Таким образом, в нагруженной машине постоянного тока действуют две МДС: возбуждения и якоря .
Влияние МДС обмотки якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря. Реакция якоря искажает магнитное поле машины, делает его несимметричным относительно оси полюсов.
На рис. 26.4, в показано распределение магнитных силовых линий результирующего поля машины, работающей в генераторном режиме при вращении якоря по часовой стрелке. Такое же распределение магнитных линий соответствует работе машины в режиме двигателя, но при вращении якоря против часовой стрелки. Если принять, что магнитная система машины не насыщена, то реакция якоря будет лишь искажать результирующий магнитный поток, не изменяя его значения: край полюса и находящийся под ним зубцовый слой якоря, где МДС якоря совпадает по направлению с МДС возбуждения, подмагничиваются; другой край полюса и зубцовый слой якоря, где МДС направлена против МДС возбуждения, размагничиваются. При этом результирующий магнитный поток как бы поворачивается относительно оси главных полюсов на некоторый угол, а физическая нейтраль (линия, проходящая через точки на якоре, в которых индукция равна нулю) смещается относительно геометрической нейтрали на угол . Чем больше нагрузка машины, тем сильнее искажение результирующего поля, а следовательно, тем больше угол смещения физической нейтрали. При работе машины в режиме генератора физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря, а при работе двигателем — против вращения якоря.
26.4. Магнитное поле машины и распределение магнитной индукции
в воздушном зазоре
Искажение результирующего поля машины неблагоприятно отражается на ее рабочих свойствах. Во-первых, сдвиг физической нейтрали относительно геометрической приводит к более тяжелым условиям работы щеточного контакта и может послужить причиной усиления искрения на коллекторе (см. § 27.1). Во-вторых, искажение результирующего поля машины влечет за собой перераспределение магнитной индукции в воздушном зазоре машины. На рис. 26.4, в показан график распределения результирующего поля в зазоре, полученный совмещением кривых, изображенных на рис. 26.4, а, б. Из этого графика следует, что магнитная индукция в зазоре машины распределяется несимметрично относительно оси полюсов, резко увеличиваясь под подмагниченными краями полюсов. Это приводит к тому, что мгновенные значения ЭДС секций обмотки якоря в моменты попадания их пазовых сторон в зоны максимальных значений магнитной индукции (под подмагниченные края полюсных наконечников) резко повышаются. В результате возрастает напряжение между смежными коллекторными пластинами . При значительных нагрузках машины напряжение можем превзойти допустимые пределы (см. § 25.5) и миканитовая прокладка между смежными пластинами будет перекрыта электрической дугой. Имеющиеся на коллекторе частицы графита будут способствовать развитию электрической дуги, что приведет к возникновению мощной электрической дуги, перекрывающей весь коллектор или значительную его часть, — явления чрезвычайно опасного (см. § 27.5).
Рис. 26.5. Разложение МДС обмотки якоря
на продольную и поперечную составляющие
Таковы последствия влияния реакции якоря на машину с ненасыщенной магнитной системой. Если же магнитная система машины насыщена, что имеет место у большинства электрических машин, то подмагничивание одного края полюсного наконечника и находящегося под ним зубцового слоя якоря происходит в меньшей степени, чем размагничивание другого края и находящегося под ним зубцового слоя якоря. Это благоприятно сказывается на распределении магнитной индукции в зазоре, которое становится более равномерным, так как максимальное значение индукции под подмагничиваемым краем полюсного наконечника уменьшается на величину, определяемую высотой участка 1 на рис. 26.4, в. Однако результирующий магнитный поток машины при этом уменьшается. Таким образом, реакция якоря в машине с насыщенной магнитной системой размагничивает машину (так же как и у синхронной машины при активной нагрузке). В результате ухудшаются рабочие свойства машины: у генераторов снижается ЭДС, у двигателей уменьшается вращающий момент.
Влияние реакции якоря на работу машины усиливается при смещении щеток с геометрической нейтрали. Объясняется это тем, что вместе со щетками смещается и вектор МДС якоря (рис. 26.5, а). При этом МДС якоря помимо поперечной составляющей приобретает и продольную составляющую , направленную по оси полюсов. Если машина работает в генераторном режиме, то при смещении щеток в направлении вращения якоря продольная составляющая МДС якоря действует встречно МДС обмотки возбуждения , что ослабляет основной магнитный поток машины; при смещении щеток против вращения якоря продольная составляющая МДС якоря действует согласованно с МДС ,что вызывает некоторое подмагничивание машины и может явиться причиной искрения на коллекторе (см. гл. 27). Если машина работает в двигательном режиме, то при смещении щеток по направлению вращения якоря продольная составляющая МДС якоря подмагничивает машину, а при смещении щеток против вращения якоря продольная составляющая размагничивает машину. При дальнейшем рассмотрении вопросов, связанных с действием продольной составляющей МДС якоря, будем иметь в виду лишь ее размагничивающее действие, так как подмагничивающее действие в машинах постоянного тока общего назначения недопустимо из-за нарушения работы щеточного контакта.
Следует обратить внимание на то, что смещение щеток с геометрической нейтрали влияет и на поперечную составляющую МДС якоря — величину, зависящую от угла , с ростом которого она уменьшается . Таким образом, в коллекторных машинах возможны два случая: 1) щетки установлены на геометрической нейтрали и реакция якоря является только поперечной; 2) щетки смещены с геометрической нейтрали и реакция якоря имеет две составляющие — поперечную и продольную (размагничивающую). Принципиально также возможен случай, когда реакция якоря по поперечной оси отсутствует. Это имеет место, когда щетки расположены по оси, перпендикулярной геометрической нейтрали, т. е. когда = 900 (рис. 26.5, б). Однако такой случай не имеет практического применения, так как машина становится неработоспособной: в генераторном режиме ЭДС машины равна нулю, так как в параллельную ветвь обмотки входит равное число секций со встречным направлением ЭДС, а в двигательном режиме электромагнитные силы активных сторон обмотки якоря, действующие слева и справа от оси щеток, равны и противоположно направлены, а поэтому вращающего момента не создают.
Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 1073; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!