Литература / Пиотровский_Электрические_машины_учебник_1974

под щетками (рис. 5-12). Искрение на свободной поверхности кол­ лектора может перейти в круговой огонь, при котором электричес­ кая дуга замыкает щетки противоположной полярности непосред­ ственно по коллектору. Круговой огонь, как правило, вызывает значительное повреждение коллектора, щеток и щеткодержателей.

При резком увеличении нагрузки машины коммутация становится замедленной и плотность тока на сбегающем крае щеток возрастает, так как реактивная э. д. с. в переключаемых секциях увеличивается и магнитный поток добавочных полюсов нарастает медленнее тока якоря вследствие задерживающего влияния вихревых токов в мас­ сивных частях магнитопровода и насыщения магнитной цепи. Это приводит к образованию дуги между щеткой и коллекторными плас­ тинами. Через дугу проходит значительный ток короткого замыкания переключаемой секции и частично ток обмотки якоря. Вследствие движения коллектора дуга растягивается и ею замыкаются коллек­ торные пластины за пределами щетки. Кроме того, большой ток об­

тогда опирающаяся на него дуга дает поток электронов на щетку

иионизирует окружающее пространство. Если пластина с дугой переместилась в область, где £/к.максдостаточно для поддержания дуги, то дуга возникает также и между другими коллекторными пластинами

ипри движении по коллектору создает условия для образования кругового огня. Согласно опытным данным, для поддержания уже возникшей дуги требуется напряжение между соседними коллектор­ ными пластинами 25—27 в. При уменьшении мощности машины

увеличенное сопротивление переключаемой секции ограничивает ток короткого замыкания и запас электромагнитной энергии в ней, поэ­ тому предельное значение напряжения, при котором возникает искрение на свободной поверхности коллектора, также увеличива­ ется. В машинах большой мощности это предельное напряжение сос­ тавляет 25—27 в, в машинах средней мощности 30—35 в и в машинах малой мощности 60—70 в.

Одним из средств, предупреждающих появление кругового огня, является компенсационная обмотка, показанная на рис. 5-13. В пазы полюсных наконечников укладываются изолированные проводники, которые соединяются так, что образуют обмотку с магнитной осью, совпадающей с геометрической нейтралью. Компенсационная обмотка

87

включается последовательно с обмоткой якоря. Намагничивающая сила компенсационной обмотки распределена на протяжении по­

шины, вызываемые круговым огнем,, можно уменьшить своевре­ менным отключением от сети быстродействующим выключателем.

5-7. Причины искрения механического характера

К механическим причинам искрения относятся нарушения кон­ такта между щетками и коллектором вследствие недостатков кон­ струкции коллектора, щеткодержателей и щеток, плохим изготов­ лением их или большим износом. Нарушение нормальной работы скользящего контакта может быть вызвано неровностью рабочей поверхности коллектора, выступающими или опущенными коллек­ торными пластинами, выступающими изоляционными прокладками, эксцентричным положением рабочей поверхности коллектора от­ носительно оси вращения, несоответствием размеров щетки и гнезда щеткодержателя (при малом зазоре затрудняется движение щетки в щеткодержателе, при большом зазоре утрачивается определенность положения рабочей поверхности щетки относительно коллектора), большим расстоянием между щеткодержателем и коллектором, вибрацией машины.

К механическим причинам искрения следует отнести также плохую притирку щеток, неодинаковое давление на щетки, различное расстояние между щетками противоположной полярности, различ­ ную величину коллекторного деления вследствие неодинаковой ширины коллекторных пластин или различной толщины изоляцион­ ных прокладок.

88

5-8. Экспериментальная наладка коммутации

Неудовлетворительное протекание коммутационного процесса, или, короче, плохая коммутация выражается внешне в наличии искрения на коллекторе. Согласно ГОСТ 183-66, искрение на кол­ лекторе электрической машины оценивается по степени искрения под сбегающим краем щетки по шкале (классам искрения), приведен­ ной в табл. 5-1.

для дальнейшей работы

Продолжительная надежная работа -скользящего контакта ма­ шины постоянного тока обеспечивается, если степень искрения не превосходит Н/г- Определение степени искрения производится в уста­ новившемся тепловом состоянии машины, наблюдение рекомендуется вести за положительными щетками двигателя и отрицательными щет­ ками генератора. Для объективной оценки коммутации могут быть использованы приборы, регистрирующие интенсивность светового

89

излучения или высокочастотную составляющую напряженности магнитного поля вблизи коллектора.

После продолжительной работы машины без значительного искре­ ния на рабочей поверхности коллектора образуется твердая пленка окислов меди сложного химического состава. Цвет пленки зависит от температуры коллектора, марки щеток и состава окружающего воздуха, он может иметь различные оттенки от бурого до голубого. Пленка повышает сопротивление скользящего контакта и наличие блестящей пленки указывает на удовлетворительное протекание коммутационного процесса.

Практика электромашиностроения показывает, что вновь изго-- товляемые машины почти всегда нуждаются в «настройке» коммута­ ции, которая состоит главным образом в регулировке добавочных полюсов — изменении сопротивления магнитной цепи или намагни­ чивающей силы обмотки возбуждения их. При этом предполагается,

подпитки обмотки добавочных полюсов. В зависимости от полярно­

или встречно ему, таким образом в обмотке 2 добавочных полюсов

машинах мощностью несколько киловатт.

Исследуемая машина может работать как при номинальном напря­ жении, так и в режиме короткого замыкания. Опыт показывает, что режим работы мало влияет на получаемые результаты, а в режиме короткого замыкания затраты энергии значительно меньше.

Исследование начинают с тока в цепи якоря, равного нулю. По­ степенно изменяя добавочный ток / д,д сначала в одном направлении, а затем в другом, устанавливают величину его, при которой начи­ нается искрение. Причиной искрения является э. д. с. ± е к, созда­ ваемая в переключаемых секциях магнитным потоком добавочных полюсов. Заметное искрение возникает при Ек = 1—1,5 в в зависи­ мости, главным образом, от марки щеток. При отсутствии тока в цепи якоря добавочные токи разных знаков, соответствующие появлению

90

искрения, одинаковы и изображены на рис. 5-15 равными отрезками

ОА и OB.

Обмотка возбуждения добавочных полюсов рассчитывается таким образом, чтобы уравновешивались средние значения реактивной и коммутирующей э. д. с. Если бы при этом уравновешивались также их мгновенные значения, т. е. 2 ср -|~ ер.„ = 0, то при всех значениях тока в цепи якоря искрение начиналось при одинаковом добавочном токе (штриховые линии на рис. 5-15, а).

По расположению безыскровой зоны определяется необходимое изменение результирующей индукции /?рл, под добавочным полюсом.

На процесс изменения тока в переключаемой секции большое влияние оказывает сопротивление щеток, которые совместно с кол­ лектором образуют скользящий контакт. Основные данные изготов­ ляемых щеток приведены в табл. 5-2.

В настоящее время в машинах постоянного тока почти всегда при­ меняют электрографитированные или графитные щетки и только в машинах низкого напряжения ставят медно-графитные щетки. Наиболее важной характеристикой щеток является зависимость падения напряжения Д£/щ в скользящем контакте от плотности тока в нем. На рис. 5-16 приведены характеристики АІІЩ— / (/щ) для

91

электрографитированных щеток (линия 1) и медно-графитных (ли­ ния 2). Кроме плотности тока, на величину падения напряжения в контакте оказывают влияние другие условия работы: окружная скорость коллектора, температура его, направление тока и наличие

Для машин с большой окружной скоростью коллектора необхо­ димо применять щетки с возможно малым коэффициентом трения.

В случае особо затрудненной коммутации требуется применение щеток специальной конструкции (разрезных) с увеличенным сопро­ тивлением по пути тока ік. К вновь изготовляемым машинам подби­ рается марка щетки опытным путем в процессе наладки коммутации.

5-9. Средства уменьшения радиопомех от электрических машин

Основной причиной высокочастотных электромагнитных колеба­ ний в электрических машинах является процесс коммутации, при котором могут создаваться помехи радиоприему на всем диапазоне частот радиосвязи.

92

Электромагнитные колебания передаются на антенны радиоприем­ ных устройств непосредственным излучением с частей электрической машины и соединенных с ней проводов. Вне машины (рис. 5-17) ток высокой частоты проходит по распределенным активным, индук­ тивным и, главным образом, емкостным сопротивлениям как между проводами (zn), так и от каждого из проводов к токоведущим частям машины (znl, zn2 и zn3). Ток, замыкающийся по сопротивлению zn, создает сравнительно слабые симметричные помехи, так как магнит­ ные поля проводов с направленным в противоположные стороны то­ ком вычитаются. Ток, замыкающийся по сопротивлениям znl, zn2 и znз, создает несимметричные помехи, уровень которых значительно выше вследствие сложения магнитных полей проводов с током оди­ накового направления.

Улучшение, коммутации способствует понижению уровня радиопомех, но в цепи якоря и при отсутствии искрения на коллекторе

сохраняются высокочастотные составляющие тока с большой ампли­ тудой, поэтому необходимы специальные меры, препятствующие распространению высокочастотных магнитных полей. С этой целью применяется симметричное включение обмотки якоря, экранируется электрическая машина вместе с проводами сети и ставятся на зажи­ мах машины фильтры.

Для симметричного включения обмотки якоря последовательные обмотки главных (С) и добавочных (Д) полюсов делят на две части (Сг и С2, Д 1 и Д 2) и включают каждую половину обмоток между щет­ ками и внешней сетью (рис. 5-18). Этим достигается увеличение внутреннего сопротивления машины току высокой частоты.

Экранирование электрической машины и проводов сети выпол­ няется сплошными металлическими оболочками или сетками. Ме­ таллический корпус закрытой машины является надежным экраном, но иногда высокочастотные электромагнитные колебания могут рас­ пространяться через выступающий конец вала, поэтому необходимо выполнять надежный скользящий контакт между валом и корпусом машины. Отверстия в корпусе защищенной машины следует закры­ вать медной или латунной сеткой. Соединение металлической обо-

93

Г л а ва ш естая

ПОТЕРИ И КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

6-1. Виды потерь

В электрических машинах при основном процессе преобразования подведенной энергии (механической или электрической) в полезно используемую энергию (электрическую или механическую), часть энергии превращается в другие, неиспользуемые виды энергии, глав­ ным образом тепловую. Наличие неиспользуемой энергии уменьшает коэффициент полезного действия и вызывает нагревание частей элект­ рической машины.

При изучении работы машины обычно рассматривается подведен­ ная и полезная энергия за единицу времени, т. е. подведенная и полезная мощность, поэтому неиспользуемая энергия определяется также за единицу времени и называется потерей мощности или по­ терями.

94

Потери в электрической матине делятся на основные и добавоч­ ные. К основным потерям относятся: 1) электрические потери, вы­ званные током в проводниках, 2) магнитные потери, связанные с за­ тратой энергии на перемагничивание стальных участков магнито­ провода, 3) механические потери, обусловленные наличием трения между вращающимися и неподвижными частями машины.

6-2. Электрические потери

К этой группе относятся потери в обмотках, в скользящем кон­ такте, в пусковых и регулировочных сопротивлениях. Согласно закону Джоуля — Ленца электрические потери в проводнике с то­ ком / вычисляются по формуле

Так как сопротивление г зависит от температуры, то электриче­ ские потери соответствуют определенному тепловому состоянию проводника. Если известно сопротивление г0 при температуре й0, то при другой температуре й сопротивление проводника будет

Температурный коэффициент сопротивления для большинства чистых металлов можно принимать а = 0,004.

А. Потери в обмотках. Вычисление потерь в обмотках произво­ дится по формуле (6-1). Обмотки, образующие цепь якоря, включены последовательно, поэтому потери в этой цепи пропорциональны току обмотки якоря во второй степени. В некоторых случаях для регулирования намагничивающей силы добавочных полюсов парал­ лельно их обмотке включается сопротивление, тогда при вычислении потерь на этом участке якорной цепи необходимо учитывать рас­ пределение тока между обмоткой и шунтирующим сопротивлением.

При определении к. п. д. электрических машин должны быть также учтены потери в регулировочных реостатах, которые обычно включаются в цепь параллельного и независимого возбуждения.

Для того чтобы не производить измерение сопротивления реоста­

Для определения теплового состояния обмотки возбуждения ис­ пользуется значение потерь, вычисленных по формуле (6-1).

При работе электрической машины ток возбуждения обычно сох­ раняется неизменным, поэтому потери в цепи параллельного и неза­ висимого возбуждения не зависят от нагрузки машины.

Б. Потери в скользящем контакте. Прохождение тока через скользящий контакт между щеткой и коллектором вызывает потери, для вычисления которых также пригодна формула (6-1). Однако сопротивление контакта щетки с коллектором изменяется в зависи­ мости от многих факторов, в том числе и от плотности тока (при мед­

95

ленном изменении тока). Кроме того, измерение сопротивления сколь­ зящего контакта связано с большими трудностями и не дает надеж­ ных результатов, поэтому определение потерь в скользящем контакте производится по более устойчивой характеристике — переходному падению напряжения. При угольных и графитных щетках падение напряжения в контакте остается практически постоянным, начиная с небольшой плотности тока (§ 5-8).

Все щетки одной полярности соединены параллельно и общий ток этих щеток равен току / 2 обмотки якоря. Потери в контакте всех щеток вычисляются по формуле

независящим от тока и равным: для угольных и графитных щеток 2 в, для металло-графитных 0,6 в.

При напряжении машины выше 200 в потери в контакте щеток сравнительно небольшие и отмеченная условность их определения не отражается на точности вычисления к. п. д. Если напряжение ма­ шины меньше 200 в, то относительная величина потерь в контакте ще­ ток возрастает и при необходимости их уточнения следует брать Д£/щ для принятой марки щетки согласно ГОСТ 2332—63.

6-3. Магнитные потери

Магнитные потери возникают в стальных участках магнитопро­ вода машины при перемагничивании. Потери в стали слагаются из потерь от гистерезиса и потерь от вихревых токов.

А. Потери от гистерезиса. Эти потери возникают вследствие того, что магнитная индукция в период намагничивания стали имеет большее значение, чем в период размагничивания при одной »той же намагничивающей силе. Различают: а) статическое перемагничи­ ванію, получающееся при медленном изменении намагничивающего тока в определенных пределах; б) циклическое, производимое пере­ менным током, и в) вращательное, возникающее при вращении стали в магнитном поле.

Потери от гистерезиса в ваттах на килограмм массы при статиче­ ском и циклическом перемагничиваниях определяются по формуле

Здесь аг — коэффициент, зависящий от марки стали (для обычной горячекатаной стали ог = 0,035 0,041); / = рп!60 — частота перемагничивания стали, гц; В — наибольшее значение магнитной ин­ дукции в стали, тл.

В машинах постоянного тока потери от гистерезиса имеют место в сердечнике якоря Р гх2 и в зубцах РГ,32. В сердечнике якоря воз­ никает вращательное перемагничиванію, в зубцах — циклическое. При определении потерь в отдельных частях машины необходимо вводить поправочные коэффициенты, учитывающие влияние обра­ ботки стали и характер перемагничивания. .

96