Магнитное поле машины постоянного тока при нагрузке

При нагрузке результирующий магнитный поток в машине определяется совместным действием МДС обмотки возбуждения и МДС обмотки якоря. Влияние поля якоря на поле возбуждения, так же как и в синхронных машинах, называют реакцией якоря. Картину магнитного поля при нагрузке можно получить, используя принцип наложения (рис. 6.9).

При холостом ходе магнитное поле действует по оси полюсов (рис. 6.9, а). Характер распределения этого поля в воздушном зазоре определяется размерами и конфигурацией полюсных наконечников. Магнитное поле реакции якоря зависит от положения щеток. Если щетки установлены на геометрической нейтрали, то поле реакции якоря действует по поперечной оси (рис. 6.9, б). Это поле усиливает результирующее поле под одним краем полюса и ослабляет под другим. Вследствие эт

ого ось результирующего поля поворачивается в генераторном режиме по направлению вращения якоря, а в двигательном - против направления вращения якоря (рис. 6.9, в). Линия , перпендикулярная оси результирующего магнитного поля, называется физической нейтралью.

Если щетки сдвинуть с геометрической нейтрали , то наряду с МДС поперечной реакции якоря возникает МДС продольной реакции (рис. 6.10).

Характер продольной реакции якоря зависит от направления сдвига щеток по отношению к направлению вращения якоря. Например, при сдвиге щеток на угол a по направлению вращения двигателя продольная реакция носит намагничивающий характер (рис. 6.10, б), а против направления вращения - размагничивающий (рис. 6.10, а). Направление поперечной реакции якоря не зависит от положения щеток.

Количественный учет влияния поля реакции якоря на результирующее поле производится на основе расчета магнитной цепи машины. С этой целью зубчатый якорь приводится к гладкому с равномерно распределенным по окружности якоря слоем проводников (рис. 6.11). Пусть N - общее число проводников обмотки якоря, а - ток в одном проводнике. Тогда МДС распределенной обмотки якоря в функции координаты x можно представить в виде линейного уравнения

,

где - линейная нагрузка якоря; - диаметр якоря.

Наклон зависимости меняется при изменении направления тока в проводниках якоря. Максимальная МДС

.

В общем случае при сдвиге щеток с геометрической нейтрали продольная и поперечная составляющие МДС реакции якоря имеют форму трапеций. При небольшом смещении щеток с геометрической нейтрали закон распределения МДС продольной реакции якоря можно принять прямоугольным аналогично закону распределения МДС обмотки возбуждения

,

где - смещение щеток относительно нейтрали.

Тогда результирующая МДС по продольной оси

,

где «+» соответствует намагничивающему действию МДС, а «-» - размагничивающему.

Результирующей МДС по характеристике холостого хода машины соответствует результирующий поток Ф.

Влияние поперечной реакции якоря на результирующее поле машины носит более сложный характер. Закон распределения индукции поля реакции якоря по поперечной оси

отличается от закона распределения МДС из-за неравномерности воздушного зазора (рис. 6.12). В зоне полюсов повторяет кривую , а в межполюсном пространстве индукция резко снижается из-за увеличения зазора d. Складывая кривую распределения индукции поля поперечной реакции якоря с кривой распределения индукции в зазоре от тока обмотки возбуждения, получим результирующую кривую

.

В ненасыщенной машине ослабление поля под одним краем полюса компенсируется его усилением под другим (кривая 2). В этом случае наложение двух полей ведет лишь к искажению магнитного поля, но среднее значение потока под полюсом остается неизменным.

В насыщенной машине усиление результирующего поля происходит на меньшую величину, чем его ослабление (кривая 1). Поэтому поперечная реакция якоря уменьшает результирующий поток Ф на величину, пропорциональную заштрихованной площадке каждого полюса.

Количественный учет размагничивающего действия поперечной реакции якоря осуществляется графоаналитическим методом. Линии поля поперечной реакции якоря замыкаются через полюсный наконечник, зазор, зубцы и ярмо якоря (рис. 6.9, б). Пренебрегая магнитным напряжением полюсного наконечника, рассчитывают переходную характеристику

.

По этой характеристике, задавая индукцию , находят МДС возбуждения , которая приходится на зазор, зубцы и ярмо якоря (рис. 6.13). Для определения результирующего поля в зазоре при нагрузке отложим от точки а в обе стороны отрезки , соответствующие МДС поперечной реакции якоря на расстоянии половины расчетной ширины полюсного наконечника (рис. 6.12). Треугольник bea характеризует размагничивающее действие реакции якоря, а треугольник acd - намагничивающее. Площадь треугольника acd меньше площади треугольника bea, поэтому результирующий поток ослабляется.

Треугольники bea и acd будем сдвигать вправо до тех пор, пока площади новых треугольников b¢e¢a и ac¢d¢ не станут равными. Величина смещения характеризует размагничивающее действие поперечной реакции якоря, поэтому результирующая МДС машины постоянного тока при нагрузке определяется выражением

.

Коммутация

Коммутацией называется процесс изменения направления тока в секциях при их переходе из одной параллельной ветви в другую.

На рис. 6.14 показан участок схемы простой петлевой обмотки в зоне щетки положительной полярности для трех моментов времени в пределах одного периода коммутации .

Период коммутации можно определить как время перемещения коллектора на ширину щетки:

.

При и время коммутации . Таким образом, процесс коммутации протекает быстро, и при этом в коммутируемой секции возникают ЭДС самоиндукции от изменения тока i в секции

и взаимоиндукции (если ширина щетки больше ширины коллекторной пластины) от изменения токов , , ... в соседних секциях

Коммутируемая секция находится на оси поля поперечной реакции якоря (рис. 6.15), поэтому в ней будет наводится еще ЭДС вращения

.

Кроме того, коммутируемая секция образует полное потокосцепление с полем возбуждения. В переходных режимах и в условиях регулируемого возбуждения в ней будет наводиться трансформаторная ЭДС

.

Таким образом, в коммутируемой секции действует сумма четырех ЭДС,

,

влияющая на характер изменения тока коммутации i.

Для расчета этого тока воспользуемся схемой рис. 6.16. Процессы в этой схеме описываются уравнениями Кирхгофа

Решая эту систему уравнений относительно тока i, получим

,

где .

С помощью этого уравнения можно выявить влияние различных факторов на ток коммутации.

Пусть , тогда изменение тока i будет происходить только в результате изменения сопротивлений щеточного контакта и :

.

Согласно классической теории коммутации, величина сопротивлений и обратно пропорциональна площади поверхности соприкосновения щетки с соответствующей коллекторной пластиной и :

; ,

где - площадь контакта под сбегающим краем щетки; - площадь контакта под набегающим краем щетки; R - общее сопротивление щеточного контакта; S - полная поверхность контакта щетки с коллектором.

С учетом этих соотношений, пренебрегая в силу ее малости по сравнению с суммой , получим

.

Согласно полученному уравнению, ток коммутации изменяется по линейному закону в функции времени (рис. 6.17), поэтому такая коммутация получила название прямолинейной. Ее отличительная особенность состоит в том, что плотность тока остается постоянной и одинаковой под набегающим и сбегающим краями щетки:

; .

Если , то на основной ток коммутации накладывается добавочный ток

.

На границах коммутационного интервала добавочный ток , так как , а внутри интервала коммутации ток добавляется к току линейной коммутации (кривая 2, рис. 6.18), если , и вычитается (кривая 3, рис. 6.18), если .

Коммутация, соответствующая кривой 2, называется замедленной, а кривой 3 - ускоренной. При замедленной коммутации ток под сбегающим краем щетки уменьшается медленнее, чем при прямолинейной. Поэтому плотность тока под сбегающим краем щетки возрастает до

,

что может стать причиной сильного искрения щеточного контакта.

При ускоренной коммутации плотность тока под сбегающим краем щетки снижается до

и может быть равной нулю, что предотвращает искрообразование. Однако при больших значениях отрицательного тока существенно возрастает плотность тока под набегающим краем щетки,

,

и вероятность искрения вновь повышается.

Согласно ГОСТ искрение оценивается по шкале, содержащей пять степеней искрения: 1 - отсутствие искрения; - слабое точечное искрение под небольшой частью щетки; - слабое искрение под большей частью щетки; 2 - искрение под всей щеткой; 3 - сильное искрение под всей щеткой с крупными вылетающими искрами. Длительная работа машины допускается при искрении 1 и степеней, которое не приводит к почернению коллектора и появлению нагара на щетках.

Чтобы коммутация удовлетворяла этим требованиям, необходимо снизить добавочный ток за счет уменьшения либо за счет увеличения суммарного сопротивления контура коммутации. Последнее осуществляется путем правильного выбора материала щеток с учетом условий работы машины постоянного тока.

Уменьшение достигается за счет снижения отдельных ее составляющих. ЭДС само- и взаимоиндукции снижается за счет уменьшения индуктивности секции на этапе проектирования машины. Максимальная величина реактивной ЭДС не должна превышать . Реактивная ЭДС всегда положительна, так как стремится поддержать уменьшающийся ток коммутируемой секции,

.

Положительное значение имеет и ЭДС вращения ( ), если щетки установлены на геометрической нейтрали (рис. 6.19). В этом нетрудно убедиться, используя правило правой руки. Однако если сдвинуть щетки с геометрической нейтрали , то в зоне коммутируемой секции будет кроме поля реакции якоря действовать поле основных полюсов. На физической нейтрали сумма этих полей равна нулю. Если щетки сдвинуть за физическую ней-

траль, то ЭДС вращения коммутируемой секции будет отрицательной и может скомпенсировать реактивную ЭДС

.

Однако при изменении нагрузки реактивная ЭДС меняется и для ее компенсации необходимо корректировать положение щеток, что в условиях эксплуатации неприемлемо. Поэтому щетки оставляют на геометрической нейтрали, а чтобы скомпенсировать реактивную ЭДС в зоне коммутации устанавливают дополнительные полюсы (рис. 6.20). Обмотки дополнительных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря, поэтому их МДС пропорциональны току якоря

.

Величина МДС должна быть такова, чтобы не только скомпенсировать МДС поперечной реакции якоря , но и создать поле противоположного направления , при котором ЭДС вращения

превышала бы по модулю реактивную ЭДС на 15%. При этом

,

что соответствует несколько ускоренной коммутации.

Дополнительные полюсы устанавливаются на всех машинах постоянного тока мощностью выше 1 кВт.

В машинах большой мощности для улучшения коммутации наряду с дополнительными полюсами применяют компенсационную обмотку. Проводники компенсационной обмотки размещают в пазах наконечников главных полюсов и включают последовательно с обмоткой якоря таким образом, чтобы их МДС были направлены встречно (рис. 6.21). При одинаковой линейной нагрузке компенсационная обмотка автоматически компенсирует реакцию якоря в пределах полюсного наконечника при любых нагрузках машины. Оставшееся в зоне коммутации поле компенсируется дополнительными полюсами.

Компенсационная обмотка устраняет размагничивающее действие поперечной реакции якоря и выравнивает магнитное поле в воздушном зазоре, что благоприятно сказывается на напряжении между коллекторными пластинами. Среднее напряжение между коллекторными пластинами пропорционально средней индукции в зазоре , а максимальное определяется (рис. 6.12) и может в машинах без компенсационной обмотки превышать среднее в 1,7-1,8 раза. Большое напряжение между коллекторными пластинами ( ) может стать причиной возникновения электрической дуги, которая щетками распространяется на весь коллектор, образуя «круговой огонь», и машина выходит из строя. Применение компенсационной обмотки позволяет снизить максимальное напряжение между коллекторными пластинами в 1,2-1,3 раза и тем самым уменьшить вероятность «кругового огня».