Учебное пособие 800401

жении которой он расположен в магнитном поле; v — линейная скорость движения проводника.

Рис. 2.4. Работа простейшей машины тока постоянного тока в режиме генератора (а) и двигателя (б) [5]

Рис. 2.5. Правила правой (а) и левой (б) руки [5]

В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые ЭДС, которые по контуру витка складыва-

71

ются, и поэтому полная ЭДС якоря рассматриваемой машины

Ea 2eпр 2Blv .

ЭДС Ea является переменной, так как проводники об-

мотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление ЭДС в проводниках меняется. По форме кривая ЭДС проводника в зависимости от

времени повторяет кривую распределения индукции B вдоль воздушного зазора (рис. 2.6, а) ).

Рис. 2.6. Кривые ЭДС и тока простейшей машины в якоре (а) и во внешней цепи (б) [5]

Частота ЭДС f в двухполюсной машине равна скорости вращения якоря n , выраженной в оборотах в секунду: f n , а в общем случае, когда машина имеет p пар полюсов с череду-

ющейся полярностью, f pn .

Если обмотка якоря с помощью щеток замкнута через внешнюю цепь, то в этой цепи, а также в обмотке якоря возникает ток Ia . В обмотке якоря этот ток будет переменным, и

кривая его по форме аналогична кривой ЭДС. (рис. 2.6, а). Однако во внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора. Действительно, при пово-

72

роте якоря и коллектора (рис. 2.1) на 90° и изменении направления ЭДС в проводниках одновременно происходит также смена коллекторных пластин под щетками, Вследствие этого под верхней щеткой всегда будет находиться пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом, а под нижней щеткой — пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. В результате этого полярность щеток и направление тока во внешней цепи остаются неизменными.

Таким образом, в генераторе коллектор является механичеким выпрямителем, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи.

Изменив знак второго полупериода кривой на рис. 2.6., а) получим форму кривой тока и напряжения внешней цепи (рис. 2.6., б). Образуемый во внешней цепи пульсирующий по величине ток малопригоден для практических целей. Для получения практически свободных от пульсаций тока и напряжения применяют более сложные по устройству обмотку якоря и коллектор, однако основные свойства машины постоянного тока могут быть установлены на примере рассматриваемой здесь простейшей машины.

Напряжение постоянного тока на зажимах якоря генератора будет меньше Ea на величину падения напряжения в со-

противлении обмотки якоря ra :

Ua Еа Ia ra .

Проводники обмотки якоря с током Ia находятся в маг-

нитном поле, и поэтому на них будут действовать электромагнитные силы

Fпр BlIa ,

направление которых определяется по правилу левой руки (рис. 2.5, б) ). Эти силы создают механический вращающий момент Mэм , который называется электромагнитным момен-

том и в режиме генератора равен

73

Mэм Fпр Da BlDa Ia ,

где Da — диаметр якоря.

Как видно на рис. 2.4, а), в режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря и является тормозящим [2].

РЕЖИМ ДВИГАТЕЛЯ

Рассматриваемая простейшая машина может работать также двигателем, если к обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. При этом на проводники обмотки якоря будут действовать электромагнитные силы Fпр и

возникнет электромагнитный момент Mэм . Величины Fпр и Mэм определяются теме же равенствами, как и для генератора. При достаточной величине Mэм якорь машины придет во вращение, и будет развивать механическую мощность. Момент Mэм при этом является движущим и действует в направлении

вращения.

Чтобы при той же полярности полюсов направления вращения генератора (рис. 2.4, а) и двигателя (рис. 2.4, б) были одинаковы, то направление действия Mэм , а следовательно, и

направление тока Ia у двигателя должны быть обратными по

сравнению с генератором (рис. 2.4, б).

В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный ток в обмотке якоря и работает, таким образом, в качестве механического инвертора тока.

Проводники обмотки якоря двигателя также вращаются В магнитном поле, и поэтому в обмотке якоря двигателя тоже индуктируется ЭДС Ea величина которой определяется равен-

ством (1.2). Направление этой ЭДС в двигателе такое же, как и

74

в генераторе. Таким образом, в двигателе ЭДС Ea направлена против тока якоря и приложенного к зажимам якоря напряжения Ua . Поэтому ЭДС якоря двигателя называется также про-

тивоэлектродвижущей силой.

Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается ЭДС Ea и падением напряжения в обмотке якоря:

Ua Еа Ia ra .

Имеем, что в генераторе Ua Еа , а в двигателе

Ua Еа .

На рис. 2.7 показан простейший двигатель постоянного

тока.

Рис. 2.7. Простейший двигатель постоянного тока [6]

Он представляет собой проводник, изогнутый в виде рамки и подвешенный на оси OO/. Концы рамки abcd через полукольца и скользящие по ним щётки подключены к внешнему источнику постоянного тока. Взаимодействие протекающего в рамке тока Iя с магнитным полем создаёт

75

электромагнитную силу F, действующую на рамку и вызывающую её вращение. Для сохранения направления действия этой силы ток в части рамки находящейся под северным полюсом должен протекать в направлении O-O/, а в находящейся под южным полюсом части рамки – в направлении O/-O. Поэтому через каждые полоборота ротора ток в сторонах ab и cd рамки должен менять направление на противоположное. Это происходит при переходе полуколец с одной щётки на другую. Полукольца рамки являются простейшим коллектором машины постоянного тока и вместе со щётками выполняют функцию преобразования постоянного тока в переменный с частотой вращения ротора [6].

ПРИНЦИП ОБРАТИМОСТИ

Из изложенного выше следует, что каждая машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем типам вращающихся электрических машин и называется обратимостью.

Для перехода машины постоянного тока из режима генератора в режим двигателя и обратно при неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном направлении вращения требуется только изменение направления тока в обмотке якоря.

Поэтому такой переход может осуществляться весьма просто и в определенных условиях даже автоматически.

Аналогичным образом может происходить изменение режима работы также в машинах переменного тока.

КОММУТАЦИЯ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

Под коммутацией понимают процесс переключения секций обмотки якоря, при его вращении, из одной параллельной ветви в другую и изменения направления тока в них на противоположное.

76

При неблагоприятных условиях коммутация сопровождается искрением между щеткой и коллектором.

Искрение оценивается визуально по шкале искрения (классам коммутации).

Различают пять степеней искрения:

1 – отсутствие искрения (темная коммутация);

1 14 – слабое точечное искрение под небольшой частью

щетки;

1 12 – слабое искрение под большей частью щетки (появ-

ляются следы почернения на коллекторе, которое легко удаляется при протирании бензином).

2 – искрение под всем краем щетки – допускается кратковременно (пуск, толчки нагрузки).

3 – значительное искрение с наличием крупных и вылетающих искр. Допускается кратковременно, если коллектор и щетки допускают дальнейшую работу.

Степень искрения указывается в стандартах или технических условиях. Если она не оговорена, то при номинальном

режиме не должна быть выше 1 12 .

Искрение вызывается двумя причинами механическими

иэлектромагнитными:

1.Неудовлетворительное механическое состояние кол- лекторно-щеточного узла, что приводит к нарушению контакта между щеткой и коллектором и размыканию цепи обмотки якоря, обладающей индуктивностью. Это возможно при нецилиндрической поверхности коллектора, плохом закреплении щеток и щеткодержателей, неправильном выборе давления пружины на щетку, выступании отдельных коллекторных пластин, выступании слюды между ламелями и т.п.

Для предотвращения причин механического характера рабочую поверхность коллектора периодически протачивают,

77

продораживают и содержат в чистоте.

2. Неудовлетворительной коммутацией, обусловленной причинами электромагнитного характера.

Современное электромашиностроение имеет необходимое оборудование и технологии, которые позволяют в процессе производства устранить механические причины искрения в электрических машинах постоянного тока. Рассмотрим способы, обеспечивающие необходимые электромагнитные условия удовлетворительной коммутации.

Известно, что наилучшие условия для коммутации будут, если она является прямолинейной или несколько ускоренной. Следовательно, для улучшения коммутации необходимо уничтожить или значительно уменьшить добавочный ток iд в

коммутируемой секции

iд e r1 r2 .

Для уменьшения iд необходимо снизить значение e или увеличить ( r1 r2 ) – переходные сопротивления щеточного

контакта. Последнее достигается правильным выбором щеток. При тяжелых условиях коммутации выбирают твердые и узкие щетки с повышенным сопротивлением щеточного контакта.

Уменьшение e достигается несколькими путями.

1) Сдвиг щеток с геометрической нейтрали.

В режиме генератора щетки сдвигаются с геометрической нейтрали по направлению вращения, а в двигателе наоборот.

2) Применение добавочных полюсов Основным способом улучшения коммутации в машинах

постоянного тока является применение дополнительных полюсов. Они устанавливаются посередине между основными полюсами на геометрической нейтрали. Полярность добавочных полюсов устанавливается из условия, что они выполняю ту же роль, что и сдвиг щеток с геометрической нейтрали, а именно создают в зоне коммутации магнитное поле определенной по-

78

лярности. Поэтому в генераторе добавочный полюс должен иметь полярность основного, на который якорь набегает, а в двигателе – наоборот.

Обычно число добавочных полюсов равно числу основных, но иногда применяют половинное число добавочных полюсов.

3) Уменьшение реактивной ЭДС

Секция обмотки якоря обладает индуктивностью Lc , в

ней в период коммутации индуктируется ЭДС самоиндукции eL Lc dtdi .

Одновременно коммутируют не менее двух секций, поэтому в коммутируемой секции индуктируется ЭДС взаимоин-

где M n – взаимная индуктивность между рассматриваемой секцией и одновременно с ней коммутируемой секцией с порядковым номером n , а in – ток в n -ой секции.

Сумму этих ЭДС er eL eM называют реактивной

ЭДС, замыкание и размыкание коммутирующей секции аналогично коммутации электрической цепи с параметрами r и L. Направление er совпадает с направлением ЭДС eL .

Уменьшение e достигается и снижением реактивной ЭДС er . Это можно осуществить за счет правильного выбора числа витков секции w c и конфигурации паза. Для уменьшения er надо стремиться к минимальному числу витков в секции

и большему раскрытию паза, а также снижать линейную нагрузку А .

Уменьшение er возможно за счет ослабления взаимной индукции между коммутирующими секциями, что достигается

79

укорочением шага секции или применением ступенчатых обмоток [2].

ПУСК ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Пуск двигателей постоянного тока осуществляется тремя способами: прямым включением в сеть, с помощью пускового реостата и при пониженном напряжении в цепи якоря.

1. Прямой пуск

В этом случае обмотки двигателя включаются на полное напряжение сети. Это наиболее простой и экономичный способ. Уравнения, описывающие переходный процесс при включении обмотки якоря, можно записать в следующем виде:

U ea Raia La didta .

Ток якоря ia после включения возрастает и когда дости-

Учитывая, что в начальный момент времени t1 0 частота вращения n 0 и ea 0 (см. рис. 2.8), определим максимальное значение тока при пуске, которое называется пуско-

вым током Iп Imax U . Так как сопротивление обмотки яко-

Ra

ря невелико, то при U Uном пусковой ток многократно превышает номинальный Iп (10 50)Imax.

При дальнейшем разгоне двигателя n увеличивается, ea растет, а ia уменьшается до тех пор, пока не наступит устано-

80