К сожалению, здесь только текст без рисунков и формул.
Лекцию "Основы теории машин постоянного тока" с рисунками и формулами можно найти, если перейти по ссылке Электрические машины, размещенной в конце моей страницы Прозы.ру.
Лекция 5. Основы теории машин постоянного тока
§1 Коллекторный тип машины постоянного тока
П1 Принцип работы машины постоянного тока
Принцип работы генератора постоянного тока рассмотрим на примере простейшего одновиткового генератора с одной парой полюсов и одной парой щеток изображен на рисунке 40 .
Рис.40 Модель генератора постоянного тока
Его коллектор, состоит из двух полуколец. Когда, в процессе вращения якоря, в одновитковой обмотке меняется направление индуцируемой ЭДС, тогда полукольца меняют щетки. Выпрямленное напряжение такого генератора представляет собой пульсирующее напряжение одной полярности составленное из половинок синусоиды. Обычно, коллектор представляет собой цилиндрическую конструкцию, набранную из множества медных пластин - ламелей, расположенных вдоль образующей цилиндра (рисунок 41).
Рис.41 Разрез коллектора. Ламель
Ламели изолированы друг относительно друга. Коллекторные пластины соединены с секциями обмотки якоря. Секцией называется часть обмотки якоря непосредственно соединенная с двумя коллекторными пластинами. (1) Как правило, щетка представляет собой, снабженный гибким токоотводом, графитовый или медно-графитовый параллелепипед, скользящий в процессе вращения якоря по ламелям коллектора. Щетки расположены так, что соприкасаясь со следующими по ходу вращения секциями обмотки, обеспечивают практически постоянное максимальное напряжение между щетками. В этом случае, выпрямленное напряжение состоит из верхушек синусоиды, и, при достаточном числе ламелей коллектора, напряжение между щетками можно считать постоянным.
По свойству обратимости электрических машин, рассмотренная конструкция будет работать в двигательном режиме, если подвести постоянное напряжение к щеткам.
Вспомнив изученное в разделе синхронные машины, можно сделать вывод, что генератор постоянного тока можно определить, как снабженный механическим выпрямителем обращенный синхронный генератор с индуктором на статоре (станине) и обмоткой на роторе (якоре). В обмотке индуктора ( полюсов) протекает постоянный ток. В обмотке якоря, так же, как в обмотке статора синхронного генератора, индуцируется переменный ток. Переменный ток якоря выпрямляется с помощью механического выпрямителя - коллектора.(2)
Аналогично, двигатель постоянного тока может рассматриваться, как обращенный синхронный двигатель с коллектором, преобразовывающим постоянный ток сети в переменный ток в обмотках. Переменный ток в витке простейшего двигателя постоянного тока необходим для того, чтобы направление вращающего момента, действующего на рамку с током в магнитном поле, оставалось неизменным при каждом полуобороте рамки. Таким образом, в двигателе постоянного тока коллектор выполняет функции инвертора, то есть преобразователя постоянного тока в переменный.(3)
П2 Конструкция якоря машины постоянного тока (4)
Обычно, якорь представляет собой конструкцию из двух соосных цилиндров, сидящих на одном валу. Один цилиндр - коллектор, набранный из медных ламелей, второй - сердечник якоря. Ламель коллектора (рисунок 41) представляет собой фигурную конструкцию трапециевидного сечения. Ламели, разделенные слоями миканита, специального изоляционного материала на основе слюды, набираются по окружности вала якоря. Специальные выступы (петушки) на коллекторе служат для присоединения к секциям обмотки якоря. Рядом с коллектором на валу якоря находится сердечник якоря. Так как в обмотке якоря течет переменный ток, то его, для уменьшения потерь на вихревые токи, набирают из штампованных листов электротехнической стали.(рисунок 42).
Рис. 42 Лист стали сердечника якоря
По окружности листов имеются пазы под якорную обмотку, а вокруг центрального отверстия находятся отверстия вентиляционных каналов. В крупных машинах сердечник собирается из пакетов, толщиной 30 -50 миллиметров, разделенных воздушными промежутками, играющих роль вентиляционных каналов. В пазы сердечника якоря, идущие параллельно оси, или с некоторым скосом, укладывается изолированный провод обмотки. Концы секций обмотки со стороны коллектора закрепляются пайкой на петушках. Фрагменты обмотки , выходящие за пределы пазов со стороны противоположной коллектору, называются лобовыми частями. Обычно, сразу за лобовыми частями, на вал якоря насаживается крылатка вентилятора.
П3 Конструкция неподвижной части машины постоянного тока(5)
Неподвижная часть машины постоянного тока, как правило, включает в себя станину 19, главные полюса 11, щеточный аппарат 3,4 и подшипниковые щиты 1,17 (рисунок 43).
Рис.43 Конструкция машины постоянного тока
Станина является конструктивной основой машины, а также выполняет функцию части магнитопровода. К станине крепятся остальные части машины. Она , обычно, выполняется из толстых листов катаной стали и имеет вид полого цилиндра с крепежными лапами. У крупных машин станина делается разъемной.
Главные полюса создают основное магнитное поле машины, то есть являются индуктором. Сердечники главных полюсов (полюсные башмаки) набирают из листов электротехнической стали. Со стороны, обращенной к якорю, сердечник полюса имеет расширение - полюсный наконечник, для облегчения проведения магнитного потока через воздушный зазор машины.
На сердечник главных полюсов укладывается обмотка индуктора.
Подшипниковые щиты удерживают подшипники, в которых вращается якорь, и предохраняют от попадания внутрь машины посторонних предметов. Со стороны коллектора, подшипниковый щит удерживает траверсу (рис 44) со щеточным аппаратом.
Рис. 44 Щеточная траверса и щеткодержатель
Траверса позволяет перемещать щеточный аппарат вдоль или против направления вращения. На траверсе укреплены стержни - щеточные пальцы, к которых закреплены щеткодержатели со щетками. Щетки прижимаются к коллектору пружинами щеткодержателей, и, по мере износа от трения по коллектору, могут перемещаться в обойме щеткодержателя.
Вопросы для самоконтроля.
1 Что такое секция обмотки якоря? (1).
2. Каково назначение коллектора генератора постоянного тока? (2)
3. Каково назначение коллектора двигателя постоянного тока?(3)
4. Расскажите устройство якоря машины постоянного тока (4)
5. Расскажите об устройстве неподвижных частей МПТ. (5)
§2 Обмотки и ЭДС якоря машины постоянного тока
П1 Кольцевые и барабанные якоря.
В зависимости от способа укладки обмотки различают якоря кольцевые и барабанные. В кольцевых якорях обмотка навивается как на кольцо, так что проводники проходят как снаружи, так и внутри кольцевого ферромагнитного каркаса якоря. В барабанных якорях обмотка навивается на сердечник якоря, как на барабан, так что витки проходят только по наружной поверхности сердечника якоря.(1) В настоящее время кольцевые якоря не применяются, ибо проводники, проходящие внутри ферромагнитного каркаса якоря, не работают, так как экранированы от магнитного поля индуктора. Однако, с методической точки зрения, кольцевой якорь очень удобен, так как принцип укладки его обмотки воспринимается значительно легче. Поэтому принято, первоначальные объяснения способов построения якорных обмоток, проводить на примере кольцевых якорей.
П2 Простейшая обмотка кольцевого якоря с одной парой полюсов, шестью пазами и шестью коллекторными пластинами. (2)
Представим себе кольцевой ферромагнитный сердечник с шестью пазами на внешней стороне, равномерно распределенными параллельно оси вдоль окружности. На кольцо наложены шесть витков провода, соединенных один за другим. Наружная (прямая) сторона каждого витка уложена в свой паз и называется активной стороной. Обратная сторона каждого витка не является активной стороной, так как лежит внутри кольца, вне магнитного поля полюсов. Сердечник с обмоткой надет на ось якоря. На оси якоря закреплен коллектор, состоящий из шести ламелей. Сторона витка лежащая в пазу присоединена к своей коллекторной пластине. На рисунке 45 представлен развернутый вид такой конструкции.
Рис. 45 Развернутый вид простой петлевой обмотки кольцевого якоря
Пунктиром отмечено расположение полюсов для фиксированного момента времени. В процессе вращения якоря щетки и полюса перемещаются относительно витков обмотки. Щетки сдвинуты на 90 градусов от плоскости проходящей через центры полюсов и ось машины. В этом случае, для фиксированного момента времени, 1, 2 и 3 секции расположены под северным , а 4, 5 и 6 секции под южным полюсом. Если считать, что проводники относительно полюсов движутся влево, то направление действия ЭДС и знаки щеток соответствуют рисунку. Обмотка якоря состоит из двух параллельных ветвей, показанных на рисунке 45 справа. Если внешняя цепь генератора замкнута, то ось магнитного поля тока якоря сдвинута относительно магнитной оси полюсов на 90 градусов по направлению вращения якоря, размагничивая тот край полюса, на который проводник набегает и намагничивая тот , с которого проводник сбегает.
П3 Звезда ЭДС простейшей петлевой обмотки кольцевого якоря с одной парой полюсов, шестью пазами и шестью коллекторными пластинами
Будем считать, что распределение магнитной индукции вдоль зазора машины постоянного тока от магнитного поля полюсов подчиняется синусоидальному закону. Направление вектора магнитной индукции везде перпендикулярно зазору. Под центром северного полюса вектор магнитной индукции максимален и входит в якорь. Под центром южного полюса - выходит из якоря. В точках, сдвинутых на 90 электрических градусов от магнитной оси полюсов, магнитная индукция равна нулю. Электродвижущие силы, индуцируемые в каждой секции обмотки, изменяются по синусоидальному закону, фаза ЭДС каждой секции зависит от ее расположения относительно магнитной оси.
Будем считать, что секция 1 миновала максимум синусоиды магнитной индукции и уходит из под северного полюса. Секция 2 проходит максимум индукции под северным полюсом, а секция 5 проходит максимум индукции под южным полюсом. Тогда для момента , изображенного на рисунке 45 фаза ЭДС в первой секции равна 150 градусов, фаза ЭДС во второй секции - 90 градусов, в третьей - 30 градусов, в четвертой -330 градусов, в пятой - 270 градусов и в шестой - 210 градусов. Векторная диаграмма ЭДС секций якоря, носящая название звезды пазовых ЭДС, изображена на рисунке 46. (3)
Рис. 46 Звезда пазовых ЭДС простой петлевой обмотки
Если вспомнить, что ламели отделены одна от другой слоями изоляции, то становится понятно, что первая, вторая и третья секции включены последовательно и образуют одну ветвь. Вторая ветвь состоит из четвертой, пятой и шестой последовательно соединенных секций. Первая и вторая ветви соединены между собой параллельно и подключены, в рассматриваемый момент, к одной паре ламелей 1-4. Первая ламель соединена со щеткой минус, четвертая ламель – со щеткой плюс. Вектор ЭДС ветви может быть получен геометрическим суммированием векторов соответствующих ЭДС секций. По общему правилу, проекция результирующего вектора на ось ординат дает действующее значение ЭДС ветви. Анализируя звезду пазовых ЭДС можно видеть, одну из причин, почему щетки устанавливают по линии геометрической нейтрали: В ветвях ЭДС секций действуют согласно и результирующая ЭДС ветви максимальна. Наоборот, если щетки установлены под центрами полюсов, то проекция результирующего вектора ЭДС ветви на ось ординат равна нулю, а, значит, равно нулю действующее значение ЭДС ветви.
Звезда пазовых ЭДС простой петлевой обмотки с одной парой полюсов, но с другим числом пазов и секций может отличаться только масштабом и числом лучей. Второй причиной установки щеток на нейтрали является желательность иметь переключение секций, при скольжении ламелей возле щеток, когда ток в секции проходит через нуль.
П4 Звезды ЭДС петлевой обмотки многополюсной машины
Число пар полюсов машины постоянного тока равно числу геометрических нейтралей, и машине постоянного тока с простой петлевой обмоткой на кольцевом якоре, имеющей n пар полюсов, требуется n пар щеток. Звезда пазовых ЭДС простой петлевой обмотки кольцевого якоря, установленного в машину с другим числом пар полюсов, будет отличаться от исходной. Например, якорь с 24 пазами и 24 коллекторными пластинами в машине одной парой полюсов будет иметь двадцатичетырехлучевую звезду пазовых ЭДС . Этот же якорь в машине с двумя парами полюсов имеет двойную двенадцатилучевую звезду, а с тремя парами полюсов - тройную восьмилучевую звезду. При четырех парах полюсов векторная диаграмма ЭДС секций обмотки якоря состоит из четырех шестилучевых звезд. Таким образом, машина с n пар полюсов и простой петлевой обмоткой якоря имеет n пар параллельных ветвей.(4) Векторная диаграмма ЭДС секций ее обмотки состоит из n одинаковых звезд пазовых ЭДС. Число лучей для каждой звезды можно получить, разделив число пазов якоря на число пар полюсов.
П5 Волновая обмотка кольцевого якоря
Для многополюсной машины возможно такое построение обмотки, когда после первого витка переходят не к следующему по порядку пазу, а к пазу лежащему под следующей парой полюсов примерно на таком же месте, и только пройдя под всеми одноименными полюсами переходят к пазу соседнему с первым. Для того, чтобы все шаги от одного одноименного полюса к другому были одинаковой длины необходимо, чтобы выполнялось равенство
(5)
Здесь, z - число пазов ротора, n - число пар полюсов, k- целое число, число пазов по ротору между следующими друг за другом по схеме обмотки витками. Если то после обхода по окружности якоря провод обмотки прейдет к следующему от первого по ходу обмотки пазу. В противном случае провод обмотки прейдет к предыдущему пазу.
Каждая секция волновой обмотки состоит из n витков. (6)Так как положение витков одной и той же секции относительно одноименных полюсов не совсем одинаково ( - дробное число), то сложение ЭДС витков в секции следует производить геометрически. Векторная диаграмма ЭДС секций волновой обмотки всегда представляет собой одинарную звезду. Простая волновая обмотка машины постоянного тока имеет одну пару параллельных ветвей и может иметь одну пару щеток. Но если машина большой мощности, то для улучшения условий токосъема ставят n пар щеток, по числу пар полюсов. Для машин малой мощности ограничиваются одной парой щеток
П6 Особенности обмоток барабанных якорей
В настоящее время кольцевые якоря не применяются, так как в них неэкономично используются обмоточный провод.(7) Участвует в процессе преобразования энергии только одна, активная сторона каждого витка обмотки. В барабанных якорях обе половины каждого витка находятся в магнитном поле полюсов, одна под северным, а другая под южным полюсом. Таким образом, в каждом пазу барабанного якоря находится две активных стороны . На рисунке 47 представлена развернутая волновая обмотка барабанного якоря с двенадцатью пазами , двумя парами полюсов и двенадцатью коллекторными пластинами.
Рис.47 Простая волновая обмотка барабанного якоря
Сплошной линией показана одна (прямая) сторона витка, пунктирной линией - вторая (обратная). Также как в обмотке кольцевого якоря, каждая прямая половина витка соединена с одноименной коллекторной пластиной. В пятом пазу лежит прямая сторона пятого витка, соединенная с пятой коллекторной пластиной, и обратная сторона второго. Обратная сторона пятого витка лежит в восьмом пазу вместе с прямой стороной восьмого витка, присоединенной к восьмой коллекторной пластине. Обратная сторона восьмого витка лежит в одиннадцатом пазу вместе с прямой стороной одиннадцатого витка, присоединенной с к одиннадцатой коллекторной пластине. Таким образом, обе стороны каждого витка являются активными, поэтому лучи звезды ЭДС обмотки барабанного якоря будут длиннее соответствующих лучей звезды обмотки кольцевого якоря в два раза.
Рис. 48 Схема параллельных ветвей волновой обмотки барабанного якоря
На рисунке 48 представлена схема параллельных ветвей этой обмотки, а на рисунке 49 – звезда пазовых ЭДС.
Рис. 49 Звезда пазовых ЭДС волновой обмотки
П7 Электрическая нейтраль, полезный магнитный поток и ЭДС якоря
Будем считать, что распределение индукции в зазоре машины от магнитного поля полюсов подчиняется синусоидальному закону. Геометрической нейтралью называют линию, повернутую на 90 электрических градусов от оси магнитного полюса.(8) На геометрической нейтрали в зазоре машины магнитная индукция полюсов равна нулю.
Если щетки стоят по линии геометрической нейтрали ( то есть, коммутируют секции обмотки якоря проходящие геометрическую нейтраль), то потокосцепление обмотки якоря с магнитным полем полюсов максимально. При сдвиге щеток с геометрической нейтрали потокосцепление уменьшается и при расположении щеток на магнитной оси машины потокосцепление якоря от магнитного поля полюсов равно нулю. В теории электрических машин принято интерпретировать уменьшение потокосцепления обмотки якоря при сдвиге щеток с нейтрали, как уменьшение полезного магнитного потока полюсов. (9)Электродвижущую силу, индуцируемую в обмотке якоря, определяют по полезному магнитному потоку, используя следующую формулу
Здесь р- число пар полюсов, n - число оборотов якоря в секунду, N - число проводников в пазах обмотки, а - число пар параллельных ветвей, Ф - полезный магнитный поток полюсов. Обозначив, имеем:
(10)
Здесь - частота вращения якоря в радиан в секунду.
Вопросы для самоконтроля.
1. Чем отличаются кольцевые якоря от барабанных? (1)
2. Как устроена простейшая обмотка кольцевого якоря с одной парой полюсов, шестью пазами и шестью коллекторными пластинами? (2)
3. Что такое звезда пазовых ЭДС? (3)
4. Сколько параллельных ветвей имеет четырехполюсная машина с простой петлевой обмоткой? (4)
5. Какое условие должно выполняться для обеспечения равенства шагов волновой обмотки якоря? (5)
6. Сколько витков содержит секция волновой обмотки четырех полюсной машины? (6)
7. Почему кольцевые якоря в настоящее время не применяются? (7)
8. Что такое геометрическая нейтраль машины? (8)
9. Как изменяется полезный магнитный поток при сдвиге щеток с геометрической нейтрали? (9)
10. Запишите формулу ЭДС якорной обмотки в функции частоты вращения якоря и полезного магнитного потока .(10)
§3 Процессы преобразования энергии в машинах постоянного тока
П1 Энергетическая диаграмма генератора постоянного тока
Нарисуем схему замещения генератора постоянного тока в виде идеального источника постоянного напряжения и резистора внутреннего сопротивления (рисунок 50 а).
Рис. 51 Энергетическая диаграмма двигателя постоянного тока
На рисунке стрелками показаны условно положительные направление тока напряжения и ЭДС, выбранные так, что условно положительное направление ЭДС совпадало с истинным направлением этой величины и противоположно напряжению генератора. В соответствии с законом Ома для участка цепи с ЭДС имеем:
Индексы при обозначениях величин задают их условно положительное направление.
Умножим левую и правую части равенства на ток
Или (1)
Мощность, стоящая в левой части равенства (1), называется электромагнитной мощностью, передаваемой через зазор в якорь генератора постоянного тока . Она больше электрической мощности , отдаваемой в сеть на величину электрических потерь от протекания тока по внутреннему сопротивлению генератора. В свою очередь, электромагнитная мощность генератора меньше подводимой к нему механической мощности на величину механических потерь в генераторе. Это иллюстрирует энергетическая диаграмма генератора постоянного тока, изображенная на рисунке 50 б. (1)
б
Рисунок 50. Эквивалентная схема и энергетическая диаграмма генератора постоянного тока.
П2 Энергетическая диаграмма двигателя постоянного тока
Рисунок 50 а является эквивалентной схемой машины постоянного тока, поэтому пригоден не только для генераторного, но и для двигательного режима работы. Однако, в двигательном режиме истинное направление тока противоположно ЭДС, и, значит, противоположно своему условно положительному направлению. Ток и напряжение в формуле мощности имеют разные знаки, и мощность двигателя следует считать отрицательной. В двигателе напряжение сети больше ЭДС, индуцируемой в обмотке якоря двигателя, на величину падения напряжения в собственном сопротивлении.
Электрическая мощность, получаемая из сети по модулю больше электромагнитной мощности , на величину омических потерь в обмотках двигателя . Механическая мощность, развиваемая двигателем по модулю меньше электромагнитной мощности на величину механических потерь
Это иллюстрирует энергетическая диаграмма, изображенная на рисунке 51. (2)
Рис. 51 Энергетическая диаграмма двигателя постоянного тока
П3 Электромагнитная мощность машины постоянного тока
Таким образом, электромагнитная мощность машины постоянного тока, независимо от режима работы машины определяется, как произведение ЭДС, индуцируемой в якоре на ток якоря.
В генераторном режиме знаки тока и ЭДС одинаковы и электромагнитная мощность положительна , в двигательном режиме знаки тока и ЭДС различны и электромагнитная мощность отрицательна. (3)
Выразив ЭДС якоря через полезный магнитный поток и угловую частоту вращения ротора , имеем: (4)
П4 Электромагнитный момент машины постоянного тока. Обратимость электрической машины.
В соответствии с соотношением между вращающим моментом, угловой частотой вращения и мощностью , определим электромагнитный момент машины постоянного тока , как величину пропорциональную электромагнитной мощности и обратно пропорциональной частоте вращения ротора
(5)
При переходе машины постоянного тока из генераторного в двигательный режим не меняется направление вращения, а меняется только направление тока в якоре. Поэтому, в соответствии со знаком электромагнитной мощности, электромагнитный момент генератора будем считать положительным, а электромагнитный момент двигателя отрицательным. Принципиальная возможность электрической машины работать в двигательном и генераторном режимах называется обратимостью электрической машины.
Вопросы для самоконтроля.
1. Нарисуйте энергетическую диаграмму генератора постоянного тока. (1)
2. Нарисуйте энергетическую диаграмму двигателя постоянного тока. (2)
3. Как определяют знак электромагнитной мощности для генератора и двигателя постоянного тока? (3)
4. Запишите формулу электромагнитной мощности машины постоянного тока. (4)
5. Запишите формулу электромагнитного момента машины постоянного тока.
§4 Реакция якоря машины постоянного тока
П1 Линейная нагрузка якоря
Расчетная величина, определяемая как полный ток, приходящийся на единицу длины якоря, называют линейной нагрузкой якоря. Линейная нагрузка измеряется в амперах на метр. (1)
Здесь, - ток активного проводника якоря, N- число активных проводников якоря, R - радиус якоря
Функция магнитодвижущих сил якорной обмотки представляет собой ступенчатую кривую, из-за сосредоточенного расположения проводников в пазах машины. А кривая МДС линейной нагрузки заменяет ступенчатые кривые прямыми линиями. Такой была бы кривая МДС якорной обмотки, если бы число пазов якоря было бесконечно велико, а ток якоря оставался бы тем же самым.
На рисунке 52 представлено распределение МДС простой петлевой обмотки кольцевого якоря с шестью пазами и соответствующее распределение МДС от линейной нагрузки
Рис. 52 Распределение МДС якоря вдоль зазора машины постоянного тока. Линейная нагрузка.
П2. Распределение МДС в зазоре. Физическая нейтраль.
Реакцией якоря называют изменение суммарного магнитного поля в зазоре машины под влиянием магнитного поля тока якоря.(2)
На рисунке 53а представлено распределение магнитодвижущих сил полюсов и магнитодвижущих сил линейной нагрузки якоря, а на рисунке 53б показаны первые гармоники этих МДС, и результирующая первая гармоника суммарного магнитного поля генератора.
(б) (а)
Рис. 53 Распределение МДС полюсов и линейной нагрузки в зазоре. (а). Первые гармоники этих МДС. Геометрическая и физическая нейтрали (б)
Данная картина соответствует перемещению витков якоря вдоль зазора справа налево. Используя правило правой руки для витка, вращающегося в магнитном поле, можно показать, что синусоида реакции якоря сдвинута относительно синусоиды полюсов по направлению перемещения витков на 90 градусов. Будем считать начало координат рисунка 53б в точке пересечения геометрической нейтрали с осью абсцисс. Тогда в зоне от180 до 90градусов (на набегающем крае полюса) поле реакции якоря размагничивает полюс, а в зоне от 90 до 0 градусов (сбегающий край полюса) намагничивает полюс. Плоскость геометрической нейтрали проходит через зазор машины там, где синусоида МДС полюсов проходит через нуль. На рисунке 53б линия представляет след этой плоскости. Физической нейтрали соответствует линия , след плоскости физической нейтрали, пересекающий зазор там, где равно нулю суммарное магнитное поле.(3) При отсутствии реакции якоря (нулевом токе якоря) физическая и геометрическая нейтрали совпадают. Из рисунка видно, что в генераторе постоянного тока под влиянием реакции якоря физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря, в ту же сторону, куда смещена синусоида реакции якоря. (4)
В двигателе постоянного тока синусоида реакции якоря смещена на угол 90 градусов, в сторону противоположную вращения якоря. В ту же сторону будет сдвинута физическая нейтраль относительно геометрической. То есть, в двигателе постоянного тока физическая нейтраль смещена относительно геометрической против направления вращения якоря.
П3 Поперечная и продольная реакции якоря
Когда щетки стоят на линии геометрической нейтрали, то магнитная ось полюсов и магнитная ось тока якоря смещены на 90 электрических градусов. Такая реакция якоря называется поперечной. (5) Когда щетки смещены с геометрической нейтрали, то первая гармоника МДС реакции якоря смещена относительно первой гармоники МДС полюсов на угол отличный от 90 градусов. В этом случае гармонику МДС реакции якоря можно представить, как суперпозицию двух синусоид имеющих максимумы по оси полюсов и по геометрической нейтрали. При этом синусоида МДС имеющая максимум по оси полюсов называется продольной, а имеющая максимум по геометрической нейтрали - поперечной составляющей реакции якоря.(6) В зависимости от направления сдвига щеток продольная составляющая реакции якоря может быть подмагничивающей или размагничивающей.(7)
Вопросы для самоконтроля.
1. Что такое линейная нагрузка машины постоянного тока? Запишите ее формулу. (1)
2. Что такое реакция якоря МПТ? (2)
3. Как определяется линия физической нейтрали? (3)
4. Как смещена физическая нейтраль относительно геометрической нейтрали в генераторе и двигателе? (4)
5. Какая реакция якоря называется поперечной а какая продольной? (5,6)
6. От чего зависит подмагничивающий или размагничивающий характер продольной реакция якоря? (7)
Лекция 10. Характеристики машин постоянного тока
§1 Характеристики генераторов постоянного тока
П1. Способы возбуждения машин постоянного тока
В зависимости от способа включения индуктора (главных полюсов) различают 4 способа возбуждения машины постоянного тока. (Рис. 54)
Рис. 54 Способы возбуждения МПТ
Если цепь индуктора машины постоянного тока получает питание от независимого источника электроэнергии, то говорят о независимом возбуждении. Если цепь индуктора и цепь якоря параллельны, то говорят о параллельном ( шунтовом) возбуждении машины постоянного тока. Если эти цепи включены последовательно, то говорят о последовательном (сериесном) возбуждении машины. Если индуктор имеет две обмотки, одна из которых включена последовательно, а вторая параллельно якорю, то говорят о смешанном (компаундном) возбуждении. (1) От способа возбуждения зависят свойства машины и выбор математического аппарата для ее описания.
П2 Внешние характеристики генераторов постоянного тока
Внешней характеристикой называют зависимость напряжения генератора от тока якоря. Внешняя характеристика снимается при номинальной скорости вращения якоря. Для генератора независимого возбуждения она снимается при номинальном возбуждении и представляет собой слабо наклонную кривую (кривая 2 рисунка 55).
Рис. 55 Внешние характеристики генератора независимого и параллельного возбуждения
Наклон кривой определяется падением напряжения в цепи якоря.
(2)
Нелинейность характеристики определяется размагничивающим действием реакции якоря. (3)
Такой способ возбуждения применяется для генераторов в мощных системах, когда напряжение возбуждения должно отличаться от напряжения генератора. Например, в системах генератор-двигатель, предназначенных для регулирования оборотов изменением напряжения.
Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения (кривая 1 рисунок 55) располагается ниже внешней характеристики генератора параллельного возбуждения, так как при изменении напряжения на зажимах генератора уменьшается ток возбуждения. Из-за уменьшения тока возбуждения генератор устойчиво работает только до тока нагрузки , после чего, ток самопроизвольно уменьшается до величины , а напряжение на зажимах генератора до нуля.(4)
Способ параллельного возбуждения генераторов применяется в системах возбуждения синхронных генераторов большой мощности. Там источниками питания индуктора (возбудителями или подвозбудители для СГ очень большой мощности) часто являются. являются генераторы постоянного тока параллельного возбуждения.
Основным достоинством генераторов с самовозбуждением является отсутствие необходимости иметь отдельный источник для питания цепи возбуждения
Внешняя характеристика генератора компаундного возбуждения зависит от того, как включена последовательная обмотка (Рис.56).
Рис.56 Внешние и регулировочные характеристики генератора смешанного возбуждения
При достаточном числе витков согласно включенной, последовательной обмотки внешняя характеристика имеет вид кривой 2. (5) Встречно включенной последовательной обмотки соответствует падающие внешние характеристики, представленные на рисунке 56 кривыми 1, 3, 4, 5.Обычно легкую, последовательную обмотку возбуждения включают согласно. Они применяются в тех случаях, когда нужно автоматически поддерживать напряжение на зажимах генератора при резких изменениях нагрузки. Встречное включение последовательной обмотки применяется в сварочных генераторах, для которых необходима круто падающая зависимость тока от напряжения.
Генераторы последовательного возбуждения, из-за непостоянства выходного напряжения, практически не применяется. Надо отметить, что в качестве источников электроэнергии, генераторы постоянного тока используются все реже.
П3 Регулировочные характеристики генератора постоянного тока
Регулировочная характеристика снимается при номинальной скорости вращения якоря и фиксированном напряжении на его зажимах. Регулировочная характеристика показывает, как надо изменять возбуждение генератора, чтобы при росте тока якоря напряжение на зажимах генератора не изменялось. Если при снятии регулировочной характеристики напряжение на зажимах генератора поддерживается равным нулю, то такая регулировочная характеристика называется характеристикой короткого замыкания. (6)
На рисунке 56 б представлены регулировочные характеристики генератора смешанного возбуждения.
П4 Нагрузочные характеристики генератора постоянного тока.
Нагрузочными характеристиками называют зависимость напряжения на зажимах генератора от тока возбуждения при фиксированных значениях тока якоря. Нагрузочные характеристики снимаются при номинальной скорости вращения ротора. (7) На рисунке 57 представлены нагрузочные характеристики генератора независимого возбуждения для двух значений тока ротора.
Рис.57 Нагрузочные характеристики генератора постоянного тока
Нагрузочная характеристика, снятая при нулевом токе якоря называется характеристикой холостого хода (кривая 1). (8) На холостом ходе, когда цепь якоря разомкнута напряжение на зажимах якоря равно ЭДС
.
Характеристика холостого хода, подобно петле гистерезиса, имеет восходящую и нисходящую ветви. Когда характеристику рисуют однозначной, то изображают усредненные значения обоих ветвей.
Однозначную характеристику холостого хода используют для построения теоретических внешних и регулировочных характеристик.
Для этого используют, так называемый, характеристический треугольник, одним из катетов которого является падение напряжения на сопротивлении якоря (ВС) а вторым уменьшение напряжения за счет реакции якоря (АВ)
П5 Самовозбуждение генераторов постоянного тока
Все генераторы постоянного тока, кроме генераторов независимого возбуждения, могут исправно работать только тогда, когда выполняются условия самовозбуждения. Самовозбуждением называется процесс установления напряжения на щетках вращающегося ротора, после подключения к его цепи индуктора. Обязательным условием, обеспечивающим самовозбуждение генератора постоянно тока, является наличие остаточной магнитной индукции в зазоре машины.(9) При вращении якоря в остаточном магнитном поле в обмотки якоря возникает ЭДС и ток, создающий свой магнитный поток. Вторым условием самовозбуждения является одинаковое направление вектора остаточной магнитной индукции и вектора магнитной индукции, вызванной индуцируемым током. (10) Для объяснения третьего условия самовозбуждения рассмотрим уравнение, записанное по второму закону Кирхгоффа для контура возбуждения в режиме холостого хода:
Где - мгновенное значение напряжения на зажимах генератора (и цепи возбуждения), - сопротивление, индуктивность и мгновенное значение тока этой цепи. Падение напряжения изменяется пропорционально току. (Прямая b на рисунке 58.)
Рис. 58 Самовозбуждение генератора постоянного тока
При этом, сопротивление пропорционально тангенсу угла наклона прямой b к оси абсцисс. То есть, каждому сопротивлению цепи возбуждения соответствует свой угол наклона. На этом же рисунке дана характеристика холостого хода (кривая а). Отрезки ординат, между характеристикой и прямой b, дают разность между и , то есть, величина , служащая мерой интенсивности происходящего процесса самовозбуждения. В момент, когда =0, процесс закончится. Если , то генератор практически не возбуждается.
. Таким образом, третье условие самовозбуждения требует достаточно малого сопротивления цепи возбуждения. (11)
П6 Зависимость кпд машины постоянного тока от нагрузки.
Разные виды потерь мощности в машине постоянного тока по разному зависят от тока нагрузки. Часть потерь не зависят от тока , другие потери зависят от тока в квадрате . Коэффициент полезного действия машины постоянного тока достигает максимума, когда потери, независящие от тока становятся равными потерям, зависящим от тока в квадрате. В этом легко убедиться, если представив кпд как:
Взять производную по току и приравнять ее нулю. Окажется, что условием максимума функции кпд является (12)
Вопросы для самоконтроля.
1. Какие существуют способы возбуждения машин постоянного тока. (1)
2. Чем определяется наклон кривой и нелинейность внешней характеристики генератора независимого возбуждения? (2,3)
3. Из за чего у внешней характеристики генератора шунтового возбуждения появляется участок неустойчивой работы? (4)
4. Как влияет сериесная обмотка на вид внешней характеристики генератора смешанного возбуждения? (5)
5. Как называется регулировочная характеристика генератора постоянного тока, если напряжение на его зажимах поддерживать нулевым? (6)
6. 6 В каких условиях снимаются нагрузочные характеристики генератора постоянного тока? (7)
7. Как называется нагрузочная характеристика генератора постоянного тока снятая при нулевом токе якоря? (8)
8. Перечислите условия самовозбуждения генератора постоянного тока. (9,10,11)
9. Каково условие максимума кпд генератора постоянного тока? (12)
§2 Способы пуска и пусковые характеристики двигателей постоянного тока
П1 Способы пуска двигателей постоянного тока
В процессе работы двигателя постоянного тока напряжение на его зажимах уравновешивается падением напряжения на внутреннем сопротивлении и электродвижущей силой, возникающей в обмотке ротора при его вращении в магнитном поле.
В начальный период пуска двигателя, пока двигатель еще не набрал обороты, электродвижущей силы еще нет или она мала. Поэтому пусковой ток, если не принять специальных мер, может быть очень велик. Он представлять опасность для двигателя и сети. Чем мощнее двигатель, тем меньше его внутреннее сопротивление и тем больше кратность пускового тока. Кратностью пускового тока называют число, показывающее во сколько раз пусковой ток больше номинального.(1)
Кратностью пускового момента называют число, показывающее во сколько раз пусковой момент больше номинального
Прямой пуск двигателя постоянного тока, то есть пуск без применения специальных мер уменьшения пускового тока, возможен для двигателей менее 6 киловатт, с кратностью пускового тока не более 8 (2) Кроме прямого пуска используют реостатный пуск двигателей, пуск изменением напряжения и пуск импульсным включением. Для увеличения пускового момента пуск двигателя осуществляется при максимальном возбуждении.
Для исполнительных двигателей, имеющих автономное питание, как правило, применяется пуск при пониженном напряжении.
П2. Реостатный пуск двигателей постоянного тока
Для уменьшения пускового тока наиболее часто применяют реостатный пуск двигателя, когда на момент пуска последовательно с обмоткой ротора включают пусковые сопротивления (реостат). Обычно реостат имеет несколько ступеней сопротивления, включенных последовательно, и в процессе пуска они выводятся (шунтируются) одна за другой. (рис.59)
Рис. 59 Схема пуска двигателя постоянного тока
На рисунке 60 представлены зависимости тока и частоты вращения якоря от времени в процессе реостатного пуска с четырьмя ступенями реостата. Такие зависимости называются пусковыми характеристиками двигателей постоянного тока.(3)
Рис. 60 Диаграмма изменения тока и скорости при пуске двигателя
Каждой ступени пуска соответствует почти мгновенное ( с электромагнитной постоянной времени) увеличение тока и последующий медленный рост ( с электромеханической постоянной времени) скорости и падения тока до промежуточных установившихся значений. Ступени пусковых сопротивлений подбирают так, чтобы броски тока не превосходили заданных значений. Время выдержки на каждой ступени не должно быть больше, чем 3-4 электромеханические постоянные времени, во избежание перегрева реостата.(4) Реостатный пуск достаточно прост, но не экономичен, так как в процессе пуска часть энергии идет на нагрев реостата.
П3 Способы пуска изменением напряжения якорной цепи
Способы пуска изменением напряжения якорной цепи применяют тогда, когда предусмотрено регулирование оборотов за счет изменения напряжения. При уменьшении напряжения, пропорционально ему уменьшаются пусковой ток и частота вращения ротора соответствующая холостому ходу двигателя.
При достаточно медленном увеличении напряжения можно вообще избежать всплесков пускового тока.
Наиболее широкое применение получили системы генератор - двигатель, управляемый выпрямитель - двигатель, импульсный коммутатор - двигатель. В первом случае пуск двигателя осуществляют за счет плавного увеличения напряжения генератора, от которого двигатель питается, Во втором случае пуск двигателя производится от полупроводникового преобразователя - управляемого выпрямителя, напряжение которого увеличивается в процессе пуска. При импульсном регулировании на двигатель подаются импульсы напряжения высокой частоты, ширина которых может регулироваться. Благодаря этому, изменяется среднее значение напряжения, подаваемое в обмотку якоря. Способы пуска изменением напряжения более экономичны, чем реостатный пуск, но применяемое пуско-регулировочное оборудование значительно более дорогое.(5)
Вопросы для самоконтроля.
1. От чего зависит кратность пускового тока? (1)
2. В каких условиях возможен прямой пуск двигателя постоянного тока? (2)
3. Что такое пусковая характеристика генератора постоянного тока? Как она выглядит? (3)
4. Как определяют время выдержки на ступени пускового реостата? (4)
5. В чем достоинства и недостатки пуска изменением напряжения якорной цепи? (5)
§3 Регулирование скорости, скоростные и механические характеристики двигателя постоянного тока
П1 Скоростные и механические характеристики двигателей постоянного тока параллельного и независимого возбуждения
Скоростной характеристикой называют зависимость скорости (частоты вращения ) от тока якоря
Механической характеристикой называется зависимость частоты вращения якоря от электромагнитного момента двигателя.
Скоростные и механические характеристики двигателей с параллельным и независимым возбуждением похожи, если питание осуществляется от достаточно мощной сети. Когда же мощность источника и двигателя соизмерима, то изменение напряжения на зажимах двигателя,будет приводить к уменьшению магнитного потока двигателя параллельного возбуждения и его характеристики будут существенно отличаться от характеристик двигателя с независимым возбуждением.
В двигателе постоянного тока электромагнитный момент вращения пропорционален току якоря и магнитному потоку
Опираясь на зависимость ЭДС якоря от частоты вращения
и линейность зависимости ЭДС от тока
можно получить уравнения скоростной (1) и механической (2) характеристик
(1)
(2)
Регулирование частоты вращения ротора электродвигателя это целесообразное изменение частоты вращения до заданного значения. Процесс регулирования требует рассмотрения, как механических характеристик двигателя, так и характеристик зависимости момента сопротивления приводного механизма от частоты вращения. Наиболее часто встречающиеся зависимости: момент независящий от скорости, момент, линейно зависящий от скорости, и момент, зависящий от частоты вращения в квадрате. Последняя зависимость называется вентиляторной характеристикой.
На рисунке 7 представлены скоростная и механическая характеристики двигателя при фиксированных значениях напряжения на зажимах якоря, потока возбуждения и сопротивления якорной цепи.
Анализируя представленные характеристики можно видеть три принципиальных возможности регулирования частоты вращения. Это изменение питающего напряжения, изменение магнитного потока и изменение сопротивления цепи якоря. (3)
П2 Регулирование скорости ( частоты вращения якоря) двигателя постоянного тока параллельного и независимого возбуждения регулированием сопротивления в цепи якоря
Изменяя сопротивление цепи якоря за счет введения последовательно с якорем переменного резистора (реостата) можно добиться изменения жесткости (наклона) характеристик, описываемых уравнениями (1) и (2). Такое регулирование называют якорным.
На рисунке 61 представлены механические характеристики, снятые в условии постоянного напряжения и постоянного магнитного потока при трех значениях сопротивления якорной цепи.
Рис. 61Скоростные и механические характеристики ДПТ независимого возбуждения
Когда сопротивление реостата равно нулю, то такая механическая характеристика называется естественной. Наклон естественной характеристики самый маленький (жесткость - самая большая) по сравнению с искусственными характеристиками, у которых сопротивление реостата отлично от нуля. Диапазон регулирования, то есть степень изменения частоты вращения при изменении сопротивления реостата зависит не только от изменяемого сопротивления, но и от величины вращающего момента. В режиме холостого хода, способом изменения сопротивления, изменения частоты вращения ротора добиться нельзя. Диапазон регулирования пропорционален нагрузке двигателя, то есть моменту сопротивления на его валу. (4)
Из-за больших потерь энергии в реостате, регулирование, способом введения реостата в цепь якоря, является не экономичным.
П3 Регулирование частоты вращения якоря двигателя постоянного тока независимого и параллельного возбуждения, изменением напряжения и изменением магнитного потока
При увеличении напряжения питания двигателя постоянного тока независимого возбуждения механическая характеристика сдвигается выше, а при уменьшении ниже характеристики , полученной при номинальном напряжении (рисунок 62).
Рис.62 Регулирование ДПТ независимого возбуждения изменением напряжения якоря
Так как напряжение присутствует только в первом члене равенства (2), то характеристика имеет одинаковую жесткость.
Регулирование изменением напряжение возможно только в сторону уменьшения скорости, из-за того, что напряжение двигателя выше номинального представляет известную опасность.
При регулировании скорости двигателя изменением магнитного потока точка холостого хода двигателя с большим потоком лежит ниже, а с меньшим потоком выше двигателя с номинальным возбуждением (рисунок 63 ).
Рис. 63 Регулирование ДПТ независимого возбуждения изменением магнитного потока
При регулировании магнитным потоком (такое регулирование называют полюсным) наклон механических характеристик меняется, так как магнитный поток присутствует и в первом и во втором члене правой части равенства (2). При этом ослабление магнитного поля ведет к росту скорости в области малых моментов, и уменьшению скорости в зоне больших моментов ( рисунок 63 ). Изменения магнитного потока добиваются за счет включения регулируемого сопротивления (реостата) в обмотку возбуждения.
Этот способ регулирования более экономичный, чем регулирование реостатом цепи якоря, так как мощность обмотки возбуждения много меньше мощности якорной цепи. Диапазон регулирования ограничивается, с одной стороны, насыщением магнитной цепи, а с другой возможностью неустойчивости работы при малом магнитном потоке.(5) Обычно диапазон регулирования скорости 2 - 5.
П4 Регулирование скорости, скоростные и механические характеристики сериесных двигателей.
Если не учитывать насыщение полюсов, то магнитный поток сериесного двигателя пропорционален току якоря .
Отсюда, уравнение скоростной характеристики (1) , для сериесного двигателя будет иметь вид:
(6)
Так как момент для сериесного двигателя зависит от тока в квадрате,
то уравнение механической характеристики сериесного двигателя имеет вид: (7)
Следовательно, механическая характеристика сериесного двигателя напоминает собой гиперболу, не пересекающую оси скоростей (рисунок 64).
При малых нагрузках обороты двигателя могут быть недопустимо высоки. Говорят , что двигатель идет в “разнос”. При больших нагрузках участок характеристики почти линейный.
Двигатели сериесного возбуждения находят широкое применение для электроприводов с тяжелыми условиями пуска, так как они легко переносят перегрузку. Но эти двигатели не могут работать в режимах близких к холостому ходу, поэтому для сериесных двигателей запрещены ременные передачи и фрикционные муфты, которые могут проскальзывать, не передавая необходимый момент. (8)
Для сериесных двигателей возможны те же способы регулирования скорости, что и для двигателей независимого возбуждения . На рисунке 64 представлены механические характеристики сериесного двигателя при регулировании скорости реостатом в цепи якоря. Недостатки и достоинства этого способа регулирования так же аналогичны.
Рис. 64 Механические характеристики ДПТ последовательного возбуждения при изменении сопротивления в цепи якоря
Аналогично характеристикам независимого возбуждения, изменяются механические характеристики сериесных двигателей при изменении магнитного потока: при ослаблении магнитного поля в области малых моментов скорость возрастает, а в области больших моментов уменьшается (рисунок 65 ).
Рис. 65 Механические характеристики ДПТ последовательного возбуждения при изменении магнитного потока
Вопросы для самоконтроля.
1.Запишите формулы скоростной и механической характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения. (1,2)
2. Какие имеются принципиальные возможности регулирования скорости двигателя постоянного тока? (3)
3. От чего зависит диапазон регулирования двигателя постоянного тока независимого возбуждения? (4)
4. Чем ограничивается диапазон регулирования изменением магнитного потока? (5)
5. Напишите формулу скоростной характеристики двигателя последовательного возбуждения.(6)
6. . Напишите формулу механической характеристики двигателя последовательного возбуждения (7)
7. Почему для сериесных двигателей запрещены ременные передачи? (8)
§4 Рабочие характеристики двигателей постоянного тока
П1 Рабочие характеристики двигателей постоянного тока параллельного и независимого возбуждения
Рабочими характеристиками называют зависимость основных эксплуатационных параметров машины постоянного тока от полезной мощности или тока якоря. Основными эксплуатационными параметрами являются угловая частота ротора, электромагнитный и полезный моменты двигателя, ток якоря и кпд двигателя. Зависимость скорости ротора от тока якоря (рисунок 66) представляет собой кривую, определяемую формулой .
Рис.66 Рабочие характеристики двигателя постоянного тока параллельного и независимого возбуждения
Уменьшение частоты вращения происходит не только за счет падения напряжения в якорной цепи, но и из-за размагничивающего действия реакции якоря. Применение легкой сериесной обмотки позволяет уменьшить наклон характеристики.
Зависимость полезного момента от тока якоря начинается в начале координат и отличается от прямой линии только потому, что частота вращения ротора с ростом полезной мощности слабо падает. Характеристика кпд двигателя от тока якоря, также как аналогичная характеристика генератора постоянного тока, имеет максимум мощности достигаемый при равенстве постоянных потерь и потерь, пропорциональных квадрату тока.
Зависимость электромагнитного момента похожа на кривую полезного момента ,только начинается не в начале координат.
П2 Рабочие характеристики двигателей сериесного возбуждения
Зависимость угловой частоты вращения якоря от полезной мощности сериесного двигателя похожа на его механическую характеристику (рисунок 67).
Рис. 67 Рабочие характеристики ДПТ последовательного возбуждения
Все остальные рабочие характеристики подобны аналогичным характеристикам двигателя независимого возбуждения, только диапазон изменения тока якоря, потребляемой мощности и моментов для сериесных двигателей меньше (рисунок 67) (2).
Вопросы для самоконтроля.
1. Какие характеристики называют рабочими характеристиками двигателей постоянного тока? (1)
2. Для какого типа двигателей постоянного тока диапазон изменения
эксплуатационных параметров меньше? (2)
§5 Процессы коммутации в машинах постоянного тока
П1 Общие соображения о коммутирующей секции
Когда щетка, в процессе вращения якоря, скользит по коллектору, она периодически замыкает и размыкает соседние коллекторные пластины. В режиме холостого хода в якоре тока нет, поэтому коммутация (переключение секций в процессе движения щеток) происходит без искрения. Если машина постоянного тока нагружена, то в секциях обмотки происходят электромагнитные переходные процессы, связанные с разрывом тока в цепи с индуктивностью. Проходящие при этом в обмотках и в паре щетка - коллектор явления носят название процессов коммутации. При коммутации ток секции, соединенной с проходимыми щеткой коллекторными пластинами, меняет свое направление. (1) На это время коммутирующая секция замкнута щеткой ( рисунок 68).
Рис. 68 Положение щеток в коммутирующей секции в процессе коммутации
Если щетки стоят на физической нейтрали, то коммутирующая ЭДС минимальна. Коммутирующей ЭДС называют ЭДС, индуцируемая в коммутирующей секции суммарным полем, существующим в ее окрестности. Это поле образуется полем главных и добавочных полюсов, полем реакции якоря и компенсационной обмотки. (2) Кроме коммутирующей ЭДС, при изменении тока в коммутирующей секции индуцируются реактивные ЭДС само и взаимоиндукции. (3) Кроме перечисленных ЭДС на процесс коммутации влияет природа щеточного контакта, материал щеток и состояние скользящих поверхностей.(4)
П2 Виды коммутации
По характеру зависимости тока секции от времени в процессе коммутации различают линейную, замедленную и ускоренную коммутации (рисунок 69). (5)
Рис 69 Изменение тока в цепи коммутирующей секции при разных типах коммутации
При линейной коммутации плотность тока по всей скользящей поверхности щетки одинакова и скорость изменения тока постоянна. Линейная коммутация возможна, когда сумма коммутирующих и реактивных ЭДС секции равна нулю. При линейной коммутации искрение под щетками минимальное, так как из-за одинаковой плотности тока на поверхности щеточного контакта эта поверхность эквипотенциальна. (6)
Замедленная коммутация происходит тогда, когда реактивные ЭДС секции больше коммутирующих ЭДС. При замедленной коммутации, вначале процесса скорость изменения тока мала, а в конце коммутации велика.(кривая 2 рис.69) Плотность тока больше под сбегающим краем щетки. Из-за большой неравномерной плотности тока под сбегающим краем щетки происходит неравномерный нагрев поверхности и неравномерное распределение потенциалов, вызывающие искрение.
При ускоренной коммутации скорость изменения тока вначале коммутации больше, чем в конце. Плотность тока меньше под сбегающим краем щетки. Ускоренная коммутация возможна тогда, когда коммутирующие ЭДС секции больше реактивных ЭДС. Если коммутирующие ЭДС незначительно превышают реактивные, то в конце периода коммутации ток коммутирующей секции, изменяя свое направление, вновь достигает величины тока ветви (рисунок 69 кривая 3) .
В этом случае ускоренная коммутация из-за меньшей плотности тока под сбегающим краем щетки, может быть без искрения.(7)
При сильно ускоренной коммутации ток коммутирующей секции в конце периода коммутации возрастает до величины большей, чем ток ветви.
Аналогичным образом, при сильно замедленной коммутации ток коммутирующей секции в конце процесса меньше тока ветви. И в том и в другом случаях, при разрыве коммутирующего контура ток мгновенно становится равным току ветви, с неизбежным искрообразованием между сбегающим краем щетки и коллектора.
П3 Практические способы оценки коммутации
Качество коммутации принято определять в баллах. Идеальной работе пары коллектор - щетка соответствует так называемая темная коммутация, оцениваемая в 1 балл. Слабому точечному искрению под частью щетки соответствует балла. Слабое искрение, которое сопровождается легко устранимым нагаром на коллекторе, оценивается в балла. Искрение под всей щеткой, которое сопровождается трудно устранимым нагаром, оценивается в 2 балла. Трем баллам соответствует коммутация, сопровождающаяся вылетающими искрами, трудно устранимым нагаром коллектора и разрушением щеток. (8)
Абсолютно аварийной, является ситуация, когда коммутация в 3 балла переходит в возникновение электрической дуги между щетками разной полярности (круговой огонь по коллектору). Нормальная работа машины предполагается при коммутации не выше 1.5 баллов.(9)
П4 Способы улучшения коммутации.
Самым распространенным и достаточно совершенным способом улучшения коммутации является применение добавочных полюсов. Добавочные полюса располагают по линиям геометрической нейтрали, над щетками, между основными полюсами машины. Полюсные наконечники добавочных полюсов делают узкими, чтобы только перекрыть зону коммутации. Поле добавочных полюсов индуктирует в коммутирующей секции коммутирующую ЭДС, компенсирующую ЭДС индукции. Поэтому дополнительные полюса включаются последовательно с обмоткой якоря, чтобы поле добавочных полюсов изменялась пропорционально полю реакции якоря, создавая возможность его компенсации в разных режимах.
Самым совершенным способом улучшения коммутации является применение компенсирующей обмотки, укладываемой в пазы полюсных наконечников основных полюсов, и включаемой последовательно с якорем. Она своим полем, изменяющимся пропорционально току якоря, в наиболее возможной степени, компенсирует реакцию якоря. Однако даже если полностью компенсировать реакцию якоря, уменьшить до нуля реактивную ЭДС не удастся, так ламель и щетка не нулевой ширины, между ламелями есть разность потенциалов, и в коммутирующей секции всегда присутствует некий ток, разрыв которого вызывает искрение.
Искрение на коллекторе может возникать не только по причине неудовлетворительной коммутации, но и как следствие механических причин. Такими могут быть плохое закрепление щеток в щеткодержателе, волнистость или эксцентричность коллектора, ослабление нажатия пружин щеткодержателей.
Эксплуатационными способами улучшения коммутации является подбор марки щеток, должный уход за щеточно-коллекторным аппаратом, сдвиг щеток по направлению к физической нейтрали. (10)
Вопросы для самоконтроля.
1. Какие процессы в машине постоянного тока называют коммутацией? (1)
2. Какие поля наводят коммутирующую ЭДС? (2)
3. Какие электродвижущие силы, кроме коммутирующей ЭДС, влияют на процесс коммутации? (3)
4. Какие явления влияют на процесс коммутации? (2,3,4)
5. Какие бывают виды коммутации по характеру зависимости коммутирующего тока от времени? (5)
6. При каких видах коммутации искрение под щетками минимально? (6,7)
7. Что такое баллы коммутации? Каковы баллы допустимой коммутации? (8,9)
8. Назовите эксплуатационные способы улучшения коммутации. (10)