Содержание
Предыдущий § Следующий

Глава пятая

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ МАШИНЫ ПРИ НАГРУЗКЕ

§ 5-1. Реакция якоря и ее виды

Явление реакции якоря. Во второй главе было рассмотрено магнитное поле машины постоянного тока при холостом ходе (/„ = = 0), создаваемое обмоткой возбуждения. Картина магнитного поля для этого случая при 2р = 2 изображена на рис. 5-1, а. При нагрузке машины (1_а =£ 0) обмотка якоря создает собственное магнитное поле, картина которого при установке щеток на геометрической нейтрали и при отсутствии возбуждения (t_B = 0) изображена на рис. 5-1, б. Как видно из рис. 5-1, б, ось поля якоря направлена по оси щеток 1—1. Развиваемый в машине электромагнитный момент можно рассматривать как результат взаимодействия полюсов поля якоря N_a — S_a (рис. 5-1,6) и полюсов поля возбуждения N — S (рис. 5-1, а),

Поля якоря и индуктора, действующие совместно, образуют результирующее поле, характер которого на основании рис. 5-1, а и б показан на рис. 5-2. Полярность полюсов и направления токов якоря на этом рисунке соответствуют случаю, когда в режиме генератора (Г) якорь вращается по часовой стрелке, а в режиме двигателя (Д) — против часовой стрелки.

Рис. 5-1. Магнитное поле индуктора (а) и якоря (б)

Из рис. 5-2 видно, что под влиянием поля якоря результирующее поле машины изменяется. Это явление называется реакцией якоря.

Поперечная реакция якоря. При установке щеток на геометрической нейтрали /—1 (рис. 5-1, б) поле якоря направлено поперек оси полюсов, и в этом случае оно называется полем поперечной ре.акции якоря.

Как следует из рис. 5-2, поперечная реакция якоря вызывает ослабление поля под одним краем полюса и его усиление под другим, вследствие чего ось результирующего поля поворачивается в генераторе по направлению вращения якоря, а в двигателе — в обратную сторону. Если условно, как это иногда делается, рассматривать линии магнитной индукции в качестве упругих нитей, то возникновение электромагнитного момента можно рассматривать как результат действия упругих сил этих нитей, стремящихся сократиться и повернуть якорь. Из рис. 5-2 видно, что при такой трактовке явлений направления действия моментов совпадают с реальными как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.

Под воздействием поперечной реакции якоря нейтральная линия на поверхности якоря, на которой 5 = 0, поворачивается из

положения геометрической нейтрали /—/ на некоторый угол р в положение 2—2 (рис. 5-2), которое называется линией физической нейтрали. В генераторе физическая нейтраль повернута в сторону вращения якоря, а в двигателе — в обратную сторону.

Из рис. 5-1, б следует, что при вращении якоря в проводниках, показанных в левой части рис. 5-1, б, поле поперечной реакции

Рис. 5-2. Результирующее магнитное поле при установке щеток на геометрической нейтрали

Рис. 5-3. Поле продольной реакции якоря

якоря индуктирует э. д. с. одного направления, а в правой — другого, В результате этого при установке щеток на геометрической нейтрали суммарная э. д. с. от поля реакции якоря в каждой параллельной ветви обмотки и на щетках равна нулю.

Продольная реакция якоря. Если щетки сдвинуты с геометрической нейтрали на 90° эл. (рис. 5-3), то поле якоря действует вдоль оси полюсов и называется полем продольной реакции якоря. Это поле в зависимости от направления тока в якоре оказывает на поле полюсов намагничивающее или размагничивающее действие, и в результате его взаимодействия с полем полюсов электромагнитный момент не возникает. Индуктируемая при вращении якоря э. д. с. на щетках будет в этом случае также равна нулю.

Общий случай реакции якоря. Обычно щетки устанавливаются на геометрической нейтрали. Однако в результате неточной установки щеток, а также сознательных действий персонала щетки могут быть сдвинуты с геометрической нейтрали на некоторый угол а (рис. 5-4, а), причем 0 < а < 90° эл. В таком общем случае поверхность якоря на протяжении двойного полюсного деления можно

разбить на две пары симметричных секторов: 1) аб и гв, 2) аг и бе. Токи первой пары секторов (рис. 5-4, б) создают поле поперечной реакции якоря, а токи второй пары (рис. 5-4, в) — поле продольной реакции якоря.

Указанные на рис. 5-4, а полярности полюсов и направления токов якоря соответствуют вращению якоря в режиме генератора (Г) по часовой стрелке, а в режиме двигателя (Д) — против часовой стрелки.

Рис. 5-4. Разложение н. с. реакции якоря при сдвиге щеток с нейтрали (а) на поперечную (б) и продольную (в)

Как следует из рис. 5-4, при повороте щеток генератора в направлении вращения и щеток двигателя против направления вращения возникает размагничивающая продольная реакция якоря, вызывающая уменьшение потока полюсов. При сдвиге щеток в обратном направлении возникает намагничивающая продольная реакция якоря, вызывающая увеличение потока полюсов.

§ 5-2. Влияние реакции якоря на магнитный поток машины

Н. с. поперечной реакции якоря. Рассмотрим вопросы количественного учета влияния реакции якоря на магнитный поток машины. При этом для простоты примем следующие допущения: 1) якорь не имеет пазов, однако влияние пазов на магнитное сопротивление зазора учитывается введением в рассмотрение эквивалентного воздушного зазора б' = &₆6 (см. § 2-2); 2) проводники якоря распределены равномерно по окружности якоря. Получаемые при этом результаты достаточно точны для практических целей.

На рис. 5-5, а изображена машина в развернутом виде на протяжении двойного полюсного деления, причем щетки установлены на геометрической нейтрали. Характер возникающего поля поперечной реакции якоря также показан на рисунке, Величины, относя-

а возле края полюсного наконечника

Размагничивающее действие поперечной реакции якоря. При

%_х = const .кривая индукции B_aqx повторяла бы кривую F_aqx- Однако в тйеждуполюсном пространстве Х_х уменьшается, и B_aqx = = / (*) принимает форму кривой / на рис. 5-5, в. На этом же рисунке кривая 2 представляет собой распределение индукции поля возбуждения в зазоре. Кривая индукции результирующего поля 3 получается при отсутствии насыщения путем сложения ординат кривых / и 2. В действительности вследствие насыщения магнитной цепи результирующая индукция на тех участках, где поля складываются, будет меньше арифметической суммы ординат кривых 1 и 2, а на участках, где поля вычитаются, — больше арифметической рав-ности ординат кривых 1 ш 2. Поэтому с учетом насыщения кривая индукции результирующего поля примет вид штриховой кривой 4. При отсутствии насыщения поперечная реакция якоря вызывает лишь искажение кривой поля в зазоре, однако поток одного полюса остается неизменным. Но при наличии насыщения уменьшение потока на том краю полюса, где поля складываются, будет больше, чем увеличение на том,краю полюса, где поля вычитаются. Это объясняется тем, что насыщение сильнее там, где сильнее результирующее поле.

Вследствие этого под влиянием насыщения поперечная реакция якоря всегда вызывает некоторое уменьшение потока полюсов, и в этом смысле говорят, что поперечная реакция якоря действует размагничивающим образом.

Следует отметить, что в некоторых случаях в машинах мощностью до 39—40 кет при номинальной нагрузке, а также в других машинах в таких режимах работы, когда поток возбуждения ослаблен, под воздействием реакции якоря возможно изменение направления («опрокидывание») поля под одним краем полюса. При Р_и > 50 кет величину б обычно выбирают такой, чтобы при номинальной нагрузке не происходило «опрокидывания» поля. С этой же целью в мощных машинах зазор под краями полюсных наконечников делают больше, чем под центром полюса. Это приводит также к улучшению условий коммутации сложных обмоток, так как распределение индукции поля возбуждения приближается к синусоидальному и з. д. с. от высших гармоник поля, которые могут вызвать большие разности напряжений между соседними коллекторными пластинами многоходовых петлевых обмоток, уменьшается.

Количественный учет влияния поперечной реакции якоря. Насыщение полюсных наконечников и тела якоря невелико, и поэтому

при количественном учете влияния поперечной реакции якоря достаточно учесть лишь насыщение зубцов. Для такого учета по данным расчета магнитной цепи при холостом ходе (см. гл. 2) строят так называемую переходную магнитную характеристику машины (рис. 5-6), представляющую собой зависимость индукции в воздушном зазоре В§ при холостом ходе от суммы н. с. зазора и зубцов:

¹ 02 ¹ о I ¹ г-

Пусть при холостом ходе В_ь определяется ординатой аб на рис. 5-6. Тогда н. с. воздушного зазора и зубцового слоя F_iz создаваемая обмоткой возбуждения, будет равна абсциссе Оа. Согласно изложенному выше (см. рис. 5-5), при нагрузке по центральной осевой линии полюсного наконечника (координата х = 0 на рис. 5-5). действует такая же н. с, однако в других точках воздушного зазора будет действовать н. с.

Если отложить на рис. 5-6 от точки а вправо и влево н. с. F_aqb, вычисленную по формуле (5-5), то действующая в разных точках на протяжении полюсного наконечника н. с. F_Ba

Рис. 5-6. Определение размагничивающего действия поперечной реакции якоря

будет равна абсциссам точек отрезка ваг, а индукция результирующего поля в зазоре

в этих точках на протяжении полюсного наконечника определится ординатами участка кривой дбе.

Отрезок вг на рис. 5-6 пропорционален ширине полюсного наконечника, и поэтому площадь фигуры вдбегав пропорциональна потоку полюса при нагрузке. В то же время площадь прямоугольника вжэг пропорциональна потоку полюса при холостом ходе. Поэтому площадь криволинейного треугольника без характеризует увеличение потока под одной половиной полюса, а площадь треугольника джб — его уменьшение под другой половиной полюса. Таким образом, разность площадей этих треугольников определяет уменьшение потока полюса под влиянием поперечной реакции якоря.

Заменим на рис. 5-6 фигуру вдбегав равновеликим ей по площади прямоугольником вилг. Тогда ордината ак представляет собой среднюю индукцию Ббн ^в воздушном зазоре при нагрузке, а отрезок

бк — АВ₆ — уменьшение средней индукции при нагрузке. По данным расчета магнитной цепи при холостом ходе можно отложить по оси ординат вместо В& пропорциональную ей величину потока Фа в воздушном зазоре. Тогда отрезок бк = ДФ^ непосредственно определяет уменьшение потока полюса под воздействием поперечной реакции якоря.

Отрезок ма = А/^г, на рис. 5-6 представляет собой величину н. с. возбуждения, эквивалентную размагничивающему действию поперечной реакции якоря. Соответствующим увеличением н. с. возбуждения размагничивающее действие реакции якоря может быть скомпенсировано.

Если перемещать точку а на рис. 5-6 при F_aqb = const вдоль оси абсцисс, т. е. рассматривать влияние поперечной реакции при разных условиях насыщения, то величина АФе будет изменяться так, как показано в нижней части рис. 5-6. Величина АФ₈ максимальна для точки, соответствующей колену переходной характеристики, и уменьшается от этой точки в обе стороны. Таким образом, влияние поперечной реакции якоря при I_a = const зависит от положения рабочей точки на магнитной характеристике машины.

При неизменной н. с. возбуждения зависимость A.F_qb и ДФ₆ от 1_а является сложной функцией. Однако при изменении 1_а в небольших пределах в области номинальной нагрузки можно без особой погрешности принять, что &F_gb та 1_а.

Подсчет площадей криволинейных треугольников вида джб и без на рис. 5-6 трудоемок. Поэтому различными авторами предложены более удобные методы определения ДФв и AF_gb.

Метод В. Т. Касьянова предусматривает проведение (рис. 5-7, а) прямых д'б и бе' таким образом, чтобы были соответственно равны площади треугольников джб и д'жб и площади треугольников без и бе'з. Достаточно точное проведение таких прямых возможно по глазомерной оценке. Затем прямая бе' продолжается до пересечения с линией еж в точке и. Тогда ДФ§ определяется площадью треугольника д'иб и

С другой стороны, если увеличить н. с. возбуждения на AFgi, (рис. 5-7, б), чтобы скомпенсировать таким образом влияние реакции якоря, это будет соответствовать увеличению потока на сумму площадей криволинейных прямоугольников джж'д' и зее'з', которая приближенно равна

Более точные результаты можно получить, если вычислить сначала AFgb по формуле (5-7), отложить это значение &F_qt, на рис. 5-7, б от точек виг вправо и вы-

Рис. 5-8. Н. с. реакции якоря при сдвиге щеток с нейтрали

Для компенсации продольной реакции якоря в этом случае достаточно увеличить или уменьшить F_v на величину F_ad в зависимости от того, является ли действие F_ad размагничивающим или намагничивающим. При таком методе не учитывается погрешность, связанная с тем, что поток рассеяния полюсов создается не н. с. F_d, а н. с. F_B. Однако эта погрешность невелика.

Учет размагничивающего действия поперечной реакции якоря в рассматриваемом случае производится так же, как при с — 0. Диаграмму н. с. якоря для этого случая показана на рис. 5-8, где кривые 1, 2 и 3 представляют собой соответственно полную, поперечную и продольную н. с. реакции якоря.

Если т — 2с > Ь₈ъ то учет влияния реакции якоря несколько усложняется. Этот случай в нормальных машинах на практике не встречается и поэтому здесь подробнее не рассматривается.

§ 5-3. Напряжения между коллекторными пластинами и компенсационная обмотка

Напряжения между коллекторными пластинами. Реакция якоря в определенных условиях может вызвать нежелательные по своим последствиям явления.

К числу таких явлений относится прежде всего увеличение напряжения между коллекторными пластинами вследствие искажения поля под воздействием поперечной реакции якоря.

При холостом ходе максимальное напряжение между соседними пластинами в случае, например, применения простой петлевой обмотки

м_к = 2B&wJ₆v_a,

где w_c — число витков секции.

При нагрузке максимальная индукция под одним из краев полюса (см. рис. 5-5, в) достигает некоторого значения 5_макс и

Предельное значение «_к._макс ограничивается возможностью возникновения электрической дуги между смежными пластинами. Поэтому обычно требуется, чтобы «_к._макс sc. 30 ч- 50 в.

Недопустимое повышение и_{к макс} может произойти либо вследствие увеличения Бе макс под воздействием реакции якоря (например, значительная перегрузка машины), либо вследствие уменьшения В^ (двигатели с регулированием скорости в широких пределах, см. гл. 10).

Искажение кривой поля тем значительнее, чем меньше воздушный зазор. Величину зазора в машинах средней и большой мощности выбирают обычно такой, чтобы при номинальном режиме индукция под краем полюса (х = Ь_&/2) не меняла своего направления («опрокидывание» поля). Согласно выражению (5-6), для этого необходимо, чтобы

F&z 3s у A_ab_s.

При D_a = 10 -J- 50 см обычно б « 0,009 D_a. Компенсационная обмотка.

Эффективным средством борьбы с искажением кривой поля и увеличением напряжения между коллекторными пластинами является применение компенсационной обмотки.

Она размещается в пазах, выштампованных в полюсных наконечниках (рис. 5-9, а), так, чтобы направления токов в этой обмотке и обмотке якоря в пределах каждого полюсного деления были противоположны. Если линейные нагрузки обеих обмоток равны

(А_а = А_{к 0}), то влияние поперечной реакции якоря в пределах полюсного наконечника устраняется полностью (рис. 5-9, б). Последовательное соединение этих обмоток обеспечивает такую компенсацию при всех нагрузках. Однако соблюдение условия А_а = А_{к 0} в точности не всегда возможно. В таких случаях в пределах полюсного наконечника сохраняется некоторое влияние поперечной реакции якоря и максимальное значение н. с. реакции якоря в нейтральной зоне

также увеличивается (рис. 5-9, в).

При наличии компенсационной обмотки величину воздушного зазора можно брать минимально допустимой по механическим условиям. Компенсационная обмотка обычно применяется в мощных и быстроходных машинах, когда U_H > 400 -5- 450 в, PJ2p > 80 -f-100 кет, машина подвергается перегрузкам более 20% и коммутация затруднена (реактивная э. д. с. е_г > 5 -*- 7 в — см. § 6-4 и 6-5).

Рис. 5-9. Расположение компенсационной обмотки (о) и диаграммы н. с. якоря (F_a), компенсационной обмотки (F_K. ₀) и результирующей н. с. (F_a -4- F_K, ₀) при равенстве (б) и неравенстве (в) линейных нагрузок якоря и компенсационной обмотки

Содержание
Предыдущий § Следующий