Литература / Пиотровский_Электрические_машины_учебник_1974

Общий поток рассеяния секции с длиной двух лобовых частей 21п и длиной двух активных частей 2Гг

потока рассеяния, приведенной к активной части секции.

Рис. 5-6. Магнитный поток секции: а — части потока по длине секции, б — части потока в поперечном се­ чении паза

Так как обмотка якоря, состоящая из N проводников, делится на S секций, присоединенных к К = S коллекторным пластинам, то

_ N _ N

W° ~ 2S~ ~~2К *

Согласно (4-1), NIа — A2kDH2, следовательно,

77

Б. Э. д. с. взаимоиндукции переключаемой секции. Форма и вели­ чина реактивной э. д .с . В секциях, одновременно переключаемых одной и той же щеткой (при петлевой обмотке) или соседними щет­ ками (при волновой обмотке), наводится э. д. с. взаимоиндукции. На рис. 5-7 представлена катушка петлевой обмотки, состоящая из трех секций, и стороны двух других катушек, расположенные в тех же пазах. Так как секции катушки охватываются общим магнитным потоком (в пазовой части и в лобовой части), то коэффициент МСп

самоиндукции изображена прямоугольником, высота прямоуголь­ ника соответствует величине э. д. с. El, а ширина равна периоду коммутации. При МСп = Ьс каждый из прямоугольников изобра­ жает также э. д. с. взаимоиндукции Ем, наводимую рассматриваемой секцией в других секциях, связанных общим магнитным потоком.

Чтобы определить реактивную э. д. с. ерз в секции 3, необходимо, согласно (5-13), сложить ординаты прямоугольника Els с ордина­ тами прямоугольников Emss и Еміз, расположенными над прямо­ угольником Els, так как учитывается э. д. с. взаимоиндукции только в период коммутации секции 3. Результат сложения приведен на рис. 5-8, б. Изменение реактивной э. д. с. секций 2 и 3 показано на рис. 5-8, г и д.

Под влиянием э. д. с. взаимоиндукции реактивная э, д. с. полу­ чается переменной при прямолинейном изменении тока в переклю­ чаемых секциях. При увеличении ширины щетки (Ьщ > Ьк) проис­ ходит сложение э. д. с. самоиндукции и э. д. с. взаимоиндукции, однако вследствие одновременного увеличения периода коммутации среднее значение реактивной э. д. с. уменьшается.

Ступенчатая огибающая э. д. с. еР1, еР2 и еѵз, представленная на рис. 5-8, е, соответствует изменению реактивной э. д. с. секций одной катушки.

78

Приведенный способ определения реактивной э. д. с. позволяет учесть также взаимоиндукцию между секциями, стороны которых

Таким образом получается формула Пихельмайера

Еѵ= 2іѵсі2Ѵ^'А2. (5-19)

Удельная магнитная проводимость X' зависит главным образом от формы пазов и размеров лобовых частей сек­ ции. Методы расчета удельной магнит­ ной проводимости приводятся в посо­ биях по проектированию электрических машин. Для обычных машин постоян­ ного тока X' = (5 — 8) • 10_6 гн/м.

79

Если бы можно было скомпенсировать мгновенное значение ре­

в отдельные моменты времени получается тем больше, чем больше

5-4. Средства уменьшения э.д.с. в переключаемой секции

Если намагничивающая сила индуктора направлена встречно

ной э. д. с. ек и изменение тока в переключаемой секции приближа­ ется к прямолинейному.

Две намагничивающие силы — индуктора и якоря — на одном участке магнитной цепи (зазоре) создают результирующую магнит­

Реактивная э. д. с. в течение периода коммутации не сохраняется постоянной и для секций, занимающих разное положение по ширине пазов, форма изменения ер не одинакова (рис. 5-8), поэтому уравно­ весить ее мгновенное значение с помощью э. д. с. ер.к не представ­ ляется возможным. Обычно ограничиваются равенством средних значений этих э. д. с. или небольшим превышением Еѵ,к над Ер. Для этого распределение индукции коммутирующего поля должно приближаться к штриховой линии на рис. 5-8, е.

В соответствии с формулой (5-19) значение результирующей индукции, обеспечивающей равенство среднего значения коммути­ рующей э. д. с. и реактивной э. д. с., будет

А. Смещение токораздела с геометрической нейтрали. Для полу­ чения коммутирующего поля может быть использована намагничи­ вающая сила главных полюсов.

В режиме работы генератором направление тока в секции в на­ чале периода коммутации совпадает с направлением э. д. с. парал­ лельной ветви обмотки якоря, поэтому для получения коммутирую­ щей э. д. с. необходимо расположить переключаемую секцию в зоне действия главного полюса противоположной полярности, т. е. смес­ тить токораздел с геометрической нейтрали по вращению якоря путем смещения щеток в этом направлении (рис. 4-7, б). В точке а результирующая индукция ВѴЛ( в зазоре равна нулю, следовательно, Ек + Eaq = 0 и для уравновешивания Еѵ необходимо сместить

80

э. д. с. необходимо сместить токораздел с геометрической нейтрали против вращения якоря.

Намагничивающая сила главных полюсов при последовательном соединении обмотки возбуждения с обмоткой якоря изменяется пропорционально току якоря и э. д. с. Еѵм увеличивается с увели­ чением нагрузки так же, как э. д. с. Еѵ, поэтому в машинах с после­ довательным возбуждением при одном и том же положении щеток можно получить удовлетворительную коммутацию в широком диа­ пазоне изменения нагрузки. В машинах с параллельным и смешан­ ным возбуждением для уравнове­ шивания э. д. с. Ер следовало бы смещать щетки в соответствии с нагрузкой, однако для удобства обслуживания щетки устанавли­ ваются в положение наиболее благоприятного токосъема для средней нагрузки, при малых нагрузках изменение тока в пере­ ключаемой секции получается ус­ коренным, а при больших наг­ рузках — замедленным. При изме­ нении направления вращения якоря необходимо также изменить положение щеток относительно геометрической нейтрали. В нас­ тоящее время описанный способ уменьшения э. д. с. в переключае­

мой секции применяется только в машинах малой мощности, пред­ назначенных для одного направления вращения.

. Б. Добавочные полюсы. Основным средством уравновешивания реактивной э. д. с. в переключаемой секции являются добавочные полюсы, которые устанавливают между главными полюсами. То­ кораздел в этом случае совпадает с геометрической нейтралью.

Полярность добавочных полюсов должна быть такой же, как ранее установленная полярность главных полюсов в зоне коммута­ ции, т. е. в режиме работы генератора за главным полюсом по враще­ нию якоря следует добавочный полюс противоположной полярности,

ав режиме двигателя — добавочный полюс той же полярностн. Для того чтобы соблюдалась пропорциональность между нагруз­

кой машины и магнитным потоком добавочных полюсов, необходимо обмотку полюсов включить последовательно с обмоткой якоря и магнитную цепь выполнить ненасыщенной. Индукция в магнитной цепи не должна превышать 1,2 тл при номинальной нагрузке, это относится также к результирующей индукции на общих участках магнитной цепи главных и добавочных полюсов, где их намагничи­ вающие силы складываются.

81

На рис. 5-9 показаны полюсы и развертка части окружности якоря с направлением тока в проводниках для режима двигателя. Токораздел совпадает с геометрической нейтралью. Распределение намагничивающей силы главных полюсов показано линией 1, а намагничивающей силы обмотки якоря — линией 2. В соответствии с полярностью добавочных полюсов намагничивающая сила их (линия 3) направлена против намагничивающей силы обмотки якоря. Распределение результирующей намагничивающей силы но окруж­ ности якоря показано линией 4.

Намагничивающая сила добавочных полюсов должна уравно­ весить намагничивающую силу обмотки якоря и создать необходи­ мую индукцию Вр.к в зоне коммутации.

При отсутствии компенсационной обмотки первая составляющая намагничивающей силы добавочных полюсов равна поперечной на­ магничивающей силе обмотки якоря при расположении токораздела на геометрической нейтрали (4-4). Вторая составляющая представ­ ляет собой намагничивающую силу, необходимую для проведения потока по магнитной цепи добавочных полюсов. При ненасыщенной магнитной цепи намагничивающую силу для всей магнитной цепи

Тогда намагничивающая сила добавочных полюсов, необходи­

Для уменьшения влияния насыщения стальных участков маг­ нитной цепи добавочных полюсов в машинах небольшой мощности зазор бд выполняют увеличенным почти в два раза по сравнению с зазором б между якорем и главным полюсом. В крупных машинах при большом зазоре бд возможно искажение распределения индук­ ции Врк намагничивающей силой главных полюсов, поэтому зазор бд делают почти равным б, а для линейности характеристики намаг­ ничивания цепи добавочных полюсов ставят прокладки из немагнит­ ного материала между полюсом и станиной. В случае необходимости увеличение индукции 5 р к при наладке коммутации осуществляется заменой части немагнитных прокладок стальными. Наличие прокла­ док из материала с малой магнитной проницаемостью необходимо учи­ тывать при расчете магнитной цепи добавочных полюсов.

Так как Fn и Faq направлены встречно, то коэффициент рас­ сеяния добавочных полюсов получается очень большим (для машин без компенсационной обмотки /%д = 3 -f- 5 и с компенсационной об­

моткой /с0д = 2 -f- 3). Для уменьшения потока рассеяния катушки добавочных полюсов располагают вблизи полюсных наконечников.

82

Уменьшение зазора бд также способствует уменьшению потока рас­ сеяния добавочных полюсов.

Добавочные полюсы целесообразно применять в машинах мощ­ ностью больше 0,3 кет. Обычно количество добавочных полюсов равно количеству главных полюсов и только при мощности машины меньше 2,5 кет иногда на пару главных полюса ставится один до­ бавочный полюс. Применение добавочных полюсов позволяет уве­ личить линейнзчо нагрузку якоря и таким образом уменьшить раз­ меры машины.

Пример. Требуется рассчитать обмотку возбуждения добавочных полюсов генератора типа ПН-100 (см. § 2-6, 3-10, 4-4 и 5-3). Зазор под добавочным полю­

Намагничивающая сила добавочных полюсов, необходимая для создания результирующей индукции (5-23),

ßn= ß a + ß6jj = 6140+1490 а = 7630 а.

Так как обмотка возбуждения добавочных полюсов соединена последова­ тельно с обмоткой якоря, то ток в ней / 2 = 59 а и тогда количество витков в катушке

В. Уменьшение реактивной э. д. с. Зависимость реактивной э. д. с. от различных величин очевидна из равенства (5-19), однако умень­ шение не всех сомножителей в нем возможно и целесообразно: умень­ шение линейной нагрузки приводит к ухудшению использования активных материалов и к увеличению размеров машины, а окружная скорость и длина якоря определяются номинальной мощностью машины. Таким образом, ограничение Еѵ зависит от возможностей уменьшения wc и V.

В машинах мощностью свыше 50 кет количество секций выбира­ ется таким образом, чтобы wc = 1. Уменьшение удельной магнит­ ной проводимости может быть достигнуто выбором соответствующих размеров паза и уменьшением магнитной связи между переключа­ емыми секциями. С этой целью целесообразно увеличивать ширину паза и уменьшать его глубину, пока не будет достигнута предель­ ная индукция в зубце якоря. Эффективным средством уменьшения магнитной связи между переключаемыми секциями является вы­ полнение укорочения шага секции (не более одного пазового деления)

83

и применение ступенчатой обмотки. В первом случае (рис. 5-10) стороны секций, переключаемых щетками противоположной поляр­ ности, а во втором случае часть сторон секций одной катушки на­ ходятся в соседних пазах.

Уменьшение взаимоиндукции между переключаемыми секциями достигается также выбором нечетного отношения К /p. В этом случае

Рис. 5-10. Переключаемые секции в обмотке: а — с полным шагом, б — с укороченным шагом

изменение тока в секциях, переключаемых соседними щетками, происходит неодновременно, а со сдвигом на 2>0/[Кп), сек.

Из формулы (5-18) следует, что значительное уменьшение реак­ тивной э. д. с. может быть достигнуто за счет увеличения периода коммутации, путем увеличения Ьих /Ья , предел такого увеличения ставится расширением зоны коммутации, которая должна быть меньше половины дуги якоря между наконечниками главных полюсов.

5-5. Коммутационная реакция якоря

При наличии добавочных полюсов стороны переключаемой секции в момент времени t — Тк /2 располагаются симметрично относительно оси полюса (рис. 5-10). Если ток в секции изменяется прямолинейно, то в этом положении секции іс = 0 и она не оказывает влияния на магнитный поток главного полюса. В течение времени 0 < t < Тк /2 магнитная ось Fc секции располагается по одну сторону геометри­ ческой нейтрали (рис. 5-11, а), а при Тк /2 < t < Тк — по другую сторону ее (рис. 5-11, б). Поперечная составляющая намагничиваю­ щей силы переключаемой секции сохраняет неизменное направление и с намагничивающей силой других секций обмотки создает попе­ речную реакцию якоря (§ 4-2). Продольная составляющая намагни­ чивающей силы переключаемой секции при t — Тя /2 изменяет на­ правление на противоположное и ее намагничивающее действие

84

силой обмотки возбуждения главных полюсов и не оказывает влия­ ния на магнитный поток машины. При большом токе якоря, напри­ мер при коротком замыкании генератора или при пуске двигателя, когда вследствие насыщения магнитной цепи добавочных полюсов преобладает реактивная э. д. с. и коммутация становится очень замедленной, намагничивающая сила коммутационной реакции зна­ чительно возрастает и может оказывать существенное влияние на работу машины.

5-6. Причины искрения потенциального характера

Ранее была рассмотрена одна из причин искрения на коллекторе, связанная с большой плотностью тока на сбегающем крае щетки и разрывом цепи тока короткого замыкания в переключаемой секции. Дальнейшее развитие этого искрения и возникновение искрения на

Если U — напряжение на обмотке якоря, К — количество кол­ лекторных пластин и 2р — количество полюсов, то среднее напряже­ ние между соседними коллекторными пластинами UK,Ср = U2p/K-

Напряжение между коллекторными пластинами при холостом ходе равно з. д. с. секции в случае одноходовой петлевой обмотки или р секций одного обхода по якорю для одноходовой волновой обмотки. Это напряжение зависит от положения в магнитном поле секций, к которым присоединены коллекторные пластины. Для опре­ деления наибольшего напряжения между коллекторными пластинами необходимо рассматривать э. д. с. секций, стороны которых распо­ ложены на протяжении полюсной дуги, т. е. в зоне действия расчет­

При нагрузке машины (и отсутствии компенсационной обмотки) поперечная реакция якоря вызывает неравномерное распределение магнитной индукции в зазоре (§ 4-3). Соответственно увеличивается э. д. с. секций, стороны которых находятся в области повышенной индукции под сбегающим краем полюсного наконечника в генераторе или под набегающим краем в двигателе, и возрастает напряжение между коллекторными пластинами, присоединенными к этим щеткам. Увеличение напряжения между коллекторными пластинами можно учесть коэффициентом ки = 1,3 —■1,7 искажения поля, и тогда максимальное' напряжение

кПи-2р

При значительных напряжениях графитная и медная пыль между коллекторными пластинами раскаляются и образуют первоначаль­ ную причину появления дуги между этими пластинами, таким же образом может поддерживаться дуга, возникающая при искрении

т