Реакция якоря. При работе электрической машины в режиме холостого хода (/я = 0) ее э. д. с. создается обмоткой возбуждения главных полюсов (рис. 2.9, а), а магнитное поле распределяется симметрично относительно оси полюсов. При нагрузке вокруг проводников обмотки якоря образуется магнитное поле (рис. 2.9, б), ось которого направлена по оси щеток, расположенных на геометрической нейтрали ГН. Воздействие м. д. с. обмотки якоря на магнитное поле машины называется реакцией якоря. Число магнитных линий, пересекающих поверхность якоря, не везде одинаково: наибольшая густота - под серединой полюса, наименьшая - по геометрической нейтрали. В витках, расположенных по самой нейтрали, э. д. с. не индуктируется.
При вращении якоря под нагрузкой результирующий магнитный поток будет распределяться, как показано на рис. 2.9, в. Под левой частью северного полюса он будет ослаблен потоком якоря, имеющим противоположное направление потоку, создаваемому полюсами. Под правой частью северного полюса силовые линии потока якоря имеют одинаковое направление с основным потоком, поэтому в этой части густота магнитного потока увеличивается. Подобное явление будет наблюдаться и у южного полюса. В результате действия реакции якоря основной магнитный поток исказится и как бы повернется на небольшой угол в направлении вращения якоря. Линия ФН, проходящая через точки на поверхности якоря с индук-
цией В = 0, является физической нейтралью. Смещение нейтрали повлечет за собой перемещение щеток на такой же угол, так как они должны замыкать накоротко те витки, в которых э. д. с. не индуктируется.
Таким образом, если машина работает как генератор, то при нагрузке ее щетки необходимо сдвигать по направлению вращения якорей. С увеличением нагрузки угол сдвига увеличивается. Если электрическая машина работает в качестве электродвигателя, то в ней также действует реакция якоря, поэтому ее щетки приходится сдвигать в направлении, противоположном вращению якоря.
Практически смещение щеток при работе электрической машины представляет большие затруднения в эксплуатации, а для тяговых машин вообще невыполнимо, так как они работают в широком диапазоне изменения нагрузки и скорости. При сдвиге щеток с геометрической нейтрали, кроме поперечной м. д. с. якоря Л,,, (рис. 2.10), появляется продольная м. д. с. якоря 1^д, которая суммируется алгебраически с м. д. с. создаваемой обмоткой возбуждения. При сдвиге щеток с геометрической нейтрали по направлению вращения продольная м. д. с. якоря уменьшает результирующее магнитное поле генератора и увеличивает его при смещении щеток против направления вращения.
Искажение основного магнитного потока под действием поперечной м. д. с. якоря может привести к резкому увеличению напряжения между смежными коллекторными пластинами. У тяговых электродвигателей максимальное напряжение между двумя коллекторными пластинами ик ,11ах может превысить в 3 раза его среднее значение икср. По опытным данным, для нормальной работы тяговых двигателей напряжение икср не должно превышать 20 В; при работе двигателей в режиме электрического торможения -14 В; для тяговых генераторов-14- -16 В. Если икср будет превышать указанные значения, то на коллекторе может возникнуть искрение.
Ограничение иКтах обусловлено возможностью возникновения кругового огня на коллекторе, т. е. мощной электрической дуги, замыкающейся между щетками разной полярности. В тяговых машинах с заземленной цепью якоря возможен переброс дуги и на корпус.
Для тяговых машин с толщиной изоляции между коллекторными пластинами 0,8-1,2 мм ик не должно быть больше 35-40 В
гнахв режиме наименьшего возбуждения, для поддержания возникшей дуги достаточно напряжения 25-28 В. Для вспомогательных машин «кгпах равно 60-70 В.
Коммутация. Процесс изменения направления тока в секции обмотки якоря, связанный с переходом ее из одной параллельной ветви в другую, называется коммутацией, а секция - коммутируемой.
Время 7"к, в течение которого секция замкнута накоротко щеткой и коммутируется, называется периодом коммутации. Обычно Гк равно 0,001-0,0003 с.
Рассмотрим процесс коммутации в секции простой петлевой обмотки при различных положениях щетки относительно коллекторных пластин. Для простоты считаем, что ширина коллекторной пластины и щетки одинакова. На рис. 2.11, а показано положение секции в начале коммутации. Щетка перекрывает коллекторную пластину 1, и ток якоря 1н, пройдя щетку, распределяется по обеим сторонам коммутируемой секции поровну. Когда якорь вращается, то коллекторные пластины сдвигаются относительно щетки и в какой-то момент щетка равномерно перекрывает обе коллекторные пластины 1 и 2. Тогда через коммутируемую секцию ток протекать не будет, а в параллельных ветвях он будет равен 1„/2.
Следовательно, за время перекрытия щеткой обеих коллекторных пластин ток в секции уменьшается от 1я/2 до нуля. Изменение тока вызывает наведение э. д. с. самоиндукции е3 (а также взаимоиндукции, если в процессе коммутации участвует несколько секций), а так как процесс происходит быстро, то в коммутируемой секции возникает довольно большая э. д. с. самоиндукции и взаимо-
Рис. 2.11. Ток коммутации: а -■- изменение тока коммутации в коммутируемой секции; б - добавочный ток коммутации в коммутируемой цели кольцевого якоряиндукции. Эту э. д. с. называют реактивной ер. а наводимый сю ток - током коммутации.
Электродвижущая сила самоиндукции и взаимоиндукции действует всегда так, чтобы поддерживать в цепи установившееся значение тока. При вращении якоря в коммутируемой секции индуктируется э. д. с. внешнего поля ек, имеющегося в зоне коммутации (части поверхности якоря, занимаемой сторонами коммутируемых секций). Электродвижущая сила вращения ек от внешнего поля называется коммутирующей. Она может иметь разные знаки, смотря по тому, в поле какой полярности - северной или южной - находится коммутируемая секция.
В общем случае в коммутирующей цепи имеются обе э. д. с. ер и ек. Под действием суммы этих э. д. с. в замкнутой щеткой коммутирующей цепи возникает добавочный ток коммутации г\ (рис."2.11, б).
По мере набегания щетки на пластину 1 ток 1г возрастает, а ток 1-2 уменьшается, следовательно, ток направлен против тока 1г(еР препятствует происходящим в цепи изменениям) и согласно с током 12- Поэтому плотность тока на сбегающем конце щетки будет больше, чем на набегающем; это может вызвать искрение щеток. Сбегание щетки с коллекторной пластины можно рассматривать как размыкание цепи; если запас электромагнитной энергии в этой цепи достаточно велик, т. е. велика е, и плотность тока на сбегающем крае щетки, то при размыкании цепи она рассеивается в форме искры размыкания. В конце процесса коммутации (см. рис. 2.11, а) щетка сойдет с коллекторной пластины 1 и перекроет только пластину 2, вследствие чего ток в коммутируемой секции изменит свое направление по сравнению с первоначальным.
Искрение на коллекторе вызывает нагревание и порчу его поверхности, нарушение работы щеточного аппарата, вследствие чего машина работает ненадежно. Чтобы степень искрения не превышала допустимого значения, необходимо скомпенсировать реактивную э. д. с. ер, но так как реактивная и коммутирующая э. д. с. в течение периода коммутации изменяются, то оперируют средним значением реактивной э. д. с. ерср. По опытным данным для тяговых электродвигателей врср не должна превышать 4 В. Для наиболее тяжелого режима работы двигателя при наибольшем ослаблении возбуждения ерср не должна быть больше 8--9 В. Для тяговых генераторов ерСр не должна превышать 8 В.
Уменьшения ерср практически можно достичь уменьшением числа витков в секции обмотки якоря и уменьшением коэффициента удельной суммарной магнитной проводимости. В тяговых машинах тепловозов применяют только одновитковые секции. Для уменьшения удельной магнитной проводимости применяют укороченные шаги обмотки или ступенчатую обмотку. Для улучшения процесса коммутации используют два основных способа: применяют добавочныеполюсы и производят подбор щеток с повышенным электрическим сопротивлением (электрографитированные), уменьшая тем самым добавочный ток коммутации.
В условиях эксплуатации мерами предупреждения искрения являются содержание в чистоте поверхности коллектора, конуса, канавок между пластинами, своевременное удаление с рабочей поверхности коллектора подтеков, царапин, заусенцев, смена сколотых и изношенных щеток и пр.
Добавочные полюсы. Добавочные полюсы располагают по нейтрали, т. е. между главными полюсами. Они предназначены создавать магнитное поле, индуктирующее в коммутируемых витках э. д. с, направленную против реактивной э. д. с. Чтобы магнитное поле действовало только в зоне коммутации, ширину полюсов делают небольшой.
Обмотки добавочных полюсов всегда включаются последовательно с обмоткой якоря для того, чтобы происходило автоматическое усиление действия добавочных полюсов при увеличении внешней нагрузки, вызывающей усиление реакции якоря и реактивной э. д. с. в коммутируемых секциях.
У генераторов полярность добавочных полюсов должна быть такой, чтобы шел разноименный добавочный полюс. При работе машины в режиме двигателя за главным полюсом должен располагаться одноименный добавочный полюс. Число добавочных полюсов не обязательно должно быть равным числу главных полюсов; оно иногда меньше 2р. В машинах, несущих ответственную нагрузку, оно всегда равно 2р.
Площадь поперечного сечения сердечников добавочных полюсов выбирается такой, чтобы индукция магнитного поля была сравнительно небольшой -0,6- 0,7 Тл. Это необходимо для увеличения предельной нагрузки, при которой происходит насыщение магнитной цепи добавочных полюсов. С этой же целью обычно воздушный зазор под добавочными полюсами делают значительно большим, чем под главными.
При относительно небольшом полезном потоке добавочных полюсов их м. д. с. получается значительной, так как большая ее доля идет на компенсацию поперечной м. д. с. реакции якоря.
Витки обмотки добавочных полюсов стараются разместить ближе к якорю, а между остовом машины и сердечником добавочного полюса устанавливают немагнитные прокладки (Н П) с тем, чтобы разделить воздушный зазор между сердечником полюса и якорем на две части (рис. 2.12). Это позволяет уменьшить рассеивание магнитного потока и влияние на коммутацию вихревых токов, индуктируемых в остове и сердечнике главного полюса при резких изменениях тока якоря.
Вихревые токи задерживают изменение магнитного потока добавочных полюсов.
При резких изменениях нагрузки изменение потока добавочных полюсов может отставать от изменения тока 1я вследствие влияния вихревых токов. В этом случае коммутация расстраивается. Чтобы этого не происходило, сердечники добавочных полюсов в машинах, работающих с резкопе-ременной нагрузкой, изготовляют из отдельных листов стали.
Если в электрической машине имеются добавочные полюсы, то щетки должны устанавливаться на геометрической нейтрали. В действительности в тяговых машинах щетки устанавливают под серединой главных полюсов. Это объясняется тем, что секции обмотки якоря имеют определенный шаг по пазам, т. е. они выгнуты таким образом, что к коллекторным пластинам, с которыми соприкасаются щетки, присоединяются проводники, расположенные на нейтральной линии (под добавочными полюсами).
Компенсационная обмотка. Добавочные полюсы компенсируют действие реакции якоря только в зоне коммутации. Наиболее эффективное средство борьбы с вредным действием поперечной реакции якоря - с искажением основного поля и увеличением напряжения между коллекторными пластинами - использование компенсационной обмотки. В пазах полюсных наконечников главных полюсов укладывают стержни (проводники) так, чтобы направления токов в них и обмотке якоря в пределах каждого полюсного деления были противоположны.
Компенсационная обмотка включается последовательно с обмоткой якоря, тем самым обеспечивается компенсация поперечной реакции якоря при всех нагрузках. Компенсационная обмотка усложняет конструкцию, увеличивает расход меди и стоимость машины, ухудшает отвод тепла из зоны полюсных наконечников. Поэтому она применяется в мощных и быстроходных машинах, подвергающихся большим перегрузкам.
Вредное влияние поперечной м. д. с. якоря может быть ослаблено увеличением воздушного зазора по краям полюсного наконечника главного полюса путем скоса наконечника либо выполнения эксцентричного очертания его поверхности. Такой способ широко используется при конструировании тяговых электродвигателей.
Вихревые токи. При вращении в магнитном поле сердечника якоря в нем индуктируются э. д. с, и токи, которые, замыкаясь накоротко в толще сердечника, могут достигать больших значений и вызывать чрезмерный его нагрев. Для уменьшения вихревых токов сердечники электрических машин набирают из листов электротехнической стали, изолированных друг от друга лаковым мокры тиом. Это преграждает путь распространению вихревых токов и уменьшает поперечное сечение сердечника.
Мощность и к. п. д. электрических машин. Потребляемая мощность машин постоянного тока определяется произведением тока на напряжение:
Я = (2.16) а для однофазных машин переменного тока
Р^Шсощ, (2.17)
где 1 и І1 эффективные значении нжа и напряжения; еоьо, коэффициент мощности, для трехфазных машин переменного токи
1> = [Цфи^ощ, (2.18)
где 1ф и ('ц, фазовый юк и фазовое напряжение; (( угол сдвига фаз между фазовым током и фазовым напряжением.
Мощность трехфазной машины также может быть выражена через линейный ток 1., и линейное напряжение ІІл\
р= Vз/л(У.1cosф.
Превращение одного вида энергии в другой, т. е. электрической энергии в механическую (электродвигатель) или механической в электрическую (генератор), сопровождается рядом потерь. Основные потери:
электрические потери возникающие при прохождении токапо обмоткам полюсов и якоря, и потери в переходном сопротивлении щеточных контактов. Эти потери пропорциональны квадрату тока: \/\, = 1';
потери в стали (магнитные) АЛ,, возникающие вследствие перемагничивания сердечника якоря (гистерезис) и индуктирования вихревых токов, пропорциональны индукции В и частоте вращения:
\Р,, = В2 піи;
механические потери от трения вала якоря в подшипниках, трения теток о коллектор и сопротивления воздуха вращению якоря пропорциональны частоте вращения:
\Рш., = п.
Все виды потерь вызывают нагрев машины. Отношение полезной мощности (мощности на валу электродвигателя или на зажимах генератора) к потребляемой (электрической мощности, потребляемой электродвигателем, или механической мощности, затрачиваемой на вращение якоря генератора) называется коэффициентом полезногодействия машины п. К. п. д. тепловозных тяговы.х генераторов составляет 0,94- 0,96, а тяговых электродвигателей - 0,90 0,94.
Для электродвигателя полезная мощность, кВт, где с/7Л-напряжение, подводимое к электродвигателю, В; 1тя -ток, потребляемый двигателем, А.
Полезная мощность генератора
(2.20)
Рис. 2.13. Изменение к. п. д. в зависимости от нагрузки
Полную мощность генератора находим по формуле
Рг полн = Рг/Т)г, или Рг „„.,„ = Рг-4-ЛР, (2.21) где ЛР = ДРэ., + ДР1.т-г-ЛРмех - основные потери мощности.
Характер изменения к. п. д. при изменении нагрузки показан на рис. 2.13. При холостом ходе полезная мощность равна нулю, следовательно, и г| равен нулю. При малых нагрузках магнитные и механические потери, оставаясь примерно постоянными, имеют относительно большое значение по сравнеию с полезной мощностью, поэтому к. п. д. небольшой. С увеличением нагрузки полезная мощность растет, а магнитные и механические потери изменяются незначительно, и хотя электрические потери увеличиваются, но сказываются сравнительно слабо; в результате к. п. д. увеличивается. Максимальное значение к. и. д. имеет при номинальном режиме или близком к нему При дальнейшем увеличении нагрузки к. п. д. падает, так как рост электрических потерь, пропорциональный квадрату тока, начинает превышать прирост полезной мощности (пропорциональный первой степени от тока).
⇐ | Принцип действия электрических машин | | Рудая К. И., Логинова Е. Ю. Тепловозы. Электрическое оборудование и схемы. Устройство и ремонт | | Материалы. Нагревание и охлаждение в электрических машинах | ⇒