Реакція якоря, комутація, потужність, к.к.д.
Реакція якоря. При роботі електричної машини в режимі холостого ходу (/ я = 0) її е. д. з. створюється обмоткою збудження головних полюсів (рис. 2.9, а), а магнітне поле розподіляється симетрично щодо осі полюсів. При навантаженні навколо провідників обмотки якоря утворюється магнітне поле (рис. 2.9, б), вісь якого направлена по осі щіток, розташованих на геометричної нейтрали ГН. Вплив м. Д. С. обмотки якоря на магнітне поле машини називається реакцією якоря. Число магнітних ліній, які перетинають поверхню якоря, не скрізь однаково: найбільша густота - під серединою полюса, найменша - по геометричної нейтрали. У витках, розташованих по самій нейтрали, е. д. з. НЕ индуктируется.
При обертанні якоря під навантаженням результуючий магнітний потік буде розподілятися, як показано на рис. 2.9, в. Під лівою частиною північного полюса він буде ослаблений потоком якоря, які мають протилежний зміст потоку, створюваному полюсами. Під правою частиною північного полюса силові лінії потоку якоря мають однаковий напрямок з основним потоком, тому в цій частині густота магнітного потоку збільшується. Подібне явище буде спостерігатися і у південного полюса. В результаті дії реакції якоря основний магнітний потік спотвориться і як би повернеться на невеликий кут в напрямку обертання якоря. Лінія ФН, що проходить через точки на поверхні якоря з індук-
єю В = 0, є фізичної нейтралью. Зсув нейтрали спричинить за собою переміщення щіток на такий же кут, так як вони повинні замикати ті витки, в яких е. д. з. НЕ индуктируется.
Таким чином, якщо машина працює як генератор, то при навантаженні її щітки необхідно зрушувати у напрямку обертання якорів. Зі збільшенням навантаження кут зсуву збільшується. Якщо електрична машина працює як електродвигуна, то в ній також діє реакція якоря, тому її щітки доводиться зрушувати в напрямку, протилежному обертанню якоря.
Практично зміщення щіток при роботі електричної машини представляє великі труднощі в експлуатації, а для тягових машин взагалі неможливо, так як вони працюють в широкому діапазоні зміни навантаження і швидкості. При зсуві щіток з геометричної нейтрали, крім поперечної м. Д. С. якоря Л. (рис. 2.10), з'являється поздовжня м. д. с. якоря 1 ^ д, яка підсумовується алгебраїчних з м. д. с. створюваної обмоткою збудження. При зсуві щіток з геометричної нейтрали по напрямку обертання поздовжня м. Д. С. якоря зменшує результуючий магнітне поле генератора і збільшує його при зміщенні щіток проти напрямку обертання.
Спотворення основного магнітного потоку під дією поперечної м. Д. С. якоря може привести до різкого збільшення напруги між суміжними колекторними пластинами. У тягових електродвигунів максимальна напруга між двома колекторними пластинами ик, 11ах може перевищити в 3 рази його середнє значення ікср. За досвідченим даними, для нормальної роботи тягових двигунів напруга ікср не повинно перевищувати 20 В; при роботі двигунів в режимі електричного гальмування -14 В; для тягових генераторів-14- -16 В. Якщо ікср буде перевищувати вказані значення, то на колекторі може виникнути іскріння.
Обмеження іКтах обумовлено можливістю виникнення кругового вогню на колекторі, т. Е. Потужної електричної дуги, що замикається між щітками різної полярності. В тягових машинах з заземленою ланцюгом якоря можливий перекидання дуги і на корпус.
Для тягових машин з товщиною ізоляції між колекторними пластинами 0,8-1,2 мм ик не повинно бути більше 35-40 В
гнахв режимі найменшого порушення, для підтримки виникла дуги досить напруги 25-28 В. Для допоміжних машин «кгпах одно 60-70 В.
Комутація. Процес зміни напрямку струму в секції обмотки якоря, пов'язаний з переходом її з однієї паралельної гілки в іншу, називається комутацією, а секція - комутованою.
Час 7 "до, протягом якого секція замкнута накоротко щіткою і комутується, називається періодом комутації. Зазвичай Гк одно 0,001-0,0003 с.
Розглянемо процес комутації в секції простий петлевий обмотки при різних положеннях щітки щодо колекторних пластин. Для простоти вважаємо, що ширина колекторної пластини і щітки однакова. На рис. 2.11, а показано положення секції на початку комутації. Щітка перекриває колекторну пластину 1, і струм якоря 1 н, пройшовши щітку, розподіляється по обидва боки комутованою секції порівну. Коли якір обертається, то колекторні пластини зсуваються щодо щітки і в якийсь момент щітка рівномірно перекриває обидві колекторні пластини 1 і 2. Тоді через коммутируемую секцію ток протікати не буде, а в паралельних гілках він буде дорівнює 1 "/ 2.
Отже, за час перекриття щіткою обох колекторних пластин ток в секції зменшується від 1-ша / 2 до нуля. Зміна струму викликає наведення е. д. з. самоіндукції є3 (а також взаємоіндукції, якщо в процесі комутації бере участь кілька секцій), а так як процес відбувається швидко, то в комутованій секції виникає досить велика е. д. з. самоіндукції і взаємодії
Мал. 2.11. Струм комутації: а - # 9632; - зміна струму комутації в комутованій секції; б - додатковий струм комутації в комутованій мети кільцевого якоряіндукціі. Цю е. д. з. називають реактивної ер. а що наводиться сю ток - струмом комутації.
Електрорушійна сила самоіндукції і взаємоіндукції діє завжди так, щоб підтримувати в ланцюзі стале значення струму. При обертанні якоря в комутованій секції индуктируется е. д. з. зовнішнього поля ек, наявного в зоні комутації (частини поверхні якоря, займаної сторонами комутованих секцій). Електрорушійна сила обертання ек від зовнішнього поля називається коммутирующей. Вона може мати різні знаки, залежно від того, в поле який полярності - північній або південній - знаходиться коммутируемая секція.
У загальному випадку в коммутирующей ланцюга є обидві е. д. з. ер і ек. Під дією суми цих е. д. з. в замкнутій щіткою коммутирующей ланцюга виникає додатковий струм комутації г \ (рис. "2.11, б).
У міру набігання щітки на пластину 1 ток 1г зростає, а струм 1-2 зменшується, отже, струм спрямований проти струму 1г (ЕР перешкоджає тим, що відбувається в ланцюзі змін) і згідно з струмом 12- Тому щільність струму на збігає наприкінці щітки буде більше, ніж на набігає; це може викликати іскріння щіток. Збігання щітки з колекторної пластини можна розглядати як розмикання ланцюга; якщо запас електромагнітної енергії в цьому ланцюзі досить великий, т. е. велика е, і щільність струму на збігає краї щітки, то при розмиканні ланцюга вона розсіюється у формі іскри розмикання. В кінці процесу комутації (див. Рис. 2.11, а) щітка зійде з колекторної пластини 1 і перекриє тільки пластину 2, внаслідок чого струм в комутованій секції змінить свій напрямок в порівнянні з початковою.
Іскріння на колекторі викликає нагрівання і псування його поверхні, порушення роботи щіткового апарату, внаслідок чого машина працює ненадійно. Щоб ступінь іскріння не перевищувала допустимого значення, необхідно компенсувати реактивну е. д. з. ер, але так як реактивна і коммутирующая е. д. з. протягом періоду комутації змінюються, то оперують середнім значенням реактивної е. д. з. ерср. За досвідченим даними для тягових електродвигунів врср не повинна перевищувати 4 В. Для найбільш важкого режиму роботи двигуна при найбільшому ослабленні збудження ерср не повинна бути більше 8-9 В. Для тягових генераторів ерСр не повинна перевищувати 8 В.
Зменшення ерср практично можна досягти зменшенням числа витків в секції обмотки якоря і зменшенням коефіцієнта питомої сумарної магнітної провідності. В тягових машинах тепловозів застосовують тільки одновиткового секції. Для зменшення питомої магнітної провідності застосовують укорочені кроки обмотки або ступінчасту обмотку. Для поліпшення процесу комутації використовують два основних способи: застосовують добавочниеполюси і виробляють підбір щіток з підвищеним електричним опором (електрографітні), зменшуючи тим самим додатковий струм комутації.
Додаткові полюси. Додаткові полюси розташовують по нейтрали, т. Е. Між головними полюсами. Вони призначені створювати магнітне поле, індукує в комутованих витках е. д. з, спрямовану проти реактивної е. д. з. Щоб магнітне поле діяло тільки в зоні комутації, ширину полюсів роблять невеликий.
Обмотки додаткових полюсів завжди включаються послідовно з обмоткою якоря для того, щоб відбувалося автоматичне посилення дії додаткових полюсів при збільшенні зовнішнього навантаження, що викликає посилення реакції якоря і реактивної е. д. з. в комутованих секціях.
У генераторів полярність додаткових полюсів повинна бути такою, щоб йшов різнойменний додатковий полюс. При роботі машини в режимі двигуна за головним полюсом повинен розташовуватися однойменний додатковий полюс. Число додаткових полюсів не обов'язково має дорівнювати кількості держав головних полюсів; воно іноді менше 2р. В машинах, що несуть відповідальну навантаження, воно завжди дорівнює 2р.
Площа поперечного перерізу осердя додаткових полюсів вибирається такий, щоб індукція магнітного поля була порівняно невеликою -0,6- 0,7 Тл. Це необхідно для збільшення граничного навантаження, при якій відбувається насичення магнітного кола додаткових полюсів. З цією ж метою зазвичай повітряний зазор під додатковими полюсами роблять значно більшим, ніж під головними.
При відносно невеликому корисному потоці додаткових полюсів їх м. Д. С. виходить значною, так як велика її частка йде на компенсацію поперечної м. д. с. реакції якоря.
Витки обмотки додаткових полюсів намагаються розмістити ближче до якоря, а між остовом машини і сердечником додаткового полюса встановлюють немагнітні прокладки (Н П) з тим, щоб розділити повітряний зазор між сердечником полюса і якорем на дві частини (рис. 2.12). Це дозволяє зменшити розсіювання магнітного потоку і вплив на комутацію вихрових струмів, індукованих в остові і осерді головного полюса при різких змінах струму якоря.
Вихрові струми затримують зміна магнітного потоку додаткових полюсів.
При різких змінах навантаження зміна потоку додаткових полюсів може відставати від зміни струму 1а внаслідок впливу вихрових струмів. У цьому випадку комутація розбудовується. Щоб цього не відбувалося, сердечники додаткових полюсів в машинах, що працюють з резкопе-пасової навантаженням, виготовляють з окремих листів стали.
Якщо в електричній машині є додаткові полюси, то щітки повинні встановлюватися на геометричної нейтрали. Насправді в тягових машинах щітки встановлюють під серединою головних полюсів. Це пояснюється тим, що секції обмотки якоря мають певний крок по пазах, т. Е. Вони вигнуті таким чином, що до колекторним пластин, з якими стикаються щітки, приєднуються провідники, розташовані на нейтральній лінії (під додатковими полюсами).
Компенсаційна обмотка. Додаткові полюси компенсують дію реакції якоря тільки в зоні комутації. Найбільш ефективний засіб боротьби зі шкідливою дією поперечної реакції якоря - з спотворенням основного поля і збільшенням напруги між колекторними пластинами - використання компенсаційної обмотки. У пазах полюсних наконечників головних полюсів укладають стрижні (провідники) так, щоб напрямки струмів в них і обмотці якоря в межах кожного полюсного поділу були протилежні.
Компенсаційна обмотка включається послідовно з обмоткою якоря, тим самим забезпечується компенсація поперечної реакції якоря при всіх навантаженнях. Компенсаційна обмотка ускладнює конструкцію, збільшує витрату міді і вартість машини, погіршує відведення тепла із зони полюсних наконечників. Тому вона застосовується в потужних і швидкісних машинах, що піддаються великим навантаженням.
Шкідливий вплив поперечної м. Д. С. якоря може бути ослаблене збільшенням повітряного зазору по краях полюсного наконечника головного полюса шляхом скоса наконечника або виконання ексцентричного обриси його поверхні. Такий спосіб широко використовується при конструюванні тягових електродвигунів.
Вихрові струми. При обертанні в магнітному полі сердечника якоря в ньому индуктируются е. д. з, і струми, які, замикаючись накоротко в товщі сердечника, можуть досягати великих значень і викликати надмірний його нагрівання. Для зменшення вихрових струмів сердечники електричних машин набирають з листів електротехнічної сталі, ізольованих один від одного лаковим мокрі тіом. Це перегороджує шлях поширенню вихрових струмів і зменшує поперечний переріз сердечника.
Потужність і к. П. Д. Електричних машин. Споживана потужність машин постійного струму визначається твором струму на напругу:
Я = (2.16) а для однофазних машин змінного струму
де 1 і І1 ефективні значенні нжа і напруги; еоьо, коефіцієнт потужності, для трифазних машин змінного токи
де 1ф і ( 'ц, фазовий юк і фазовий напруга; ((кут зсуву фаз між фазовим струмом і фазовим напругою.
Потужність трифазного машини також може бути виражена через лінійний струм 1. і лінійна напруга ІІл \
Перетворення одного виду енергії в інший, т. Е. Електричної енергії в механічну (електродвигун) або механічної в електричну (генератор), супроводжується рядом втрат. Основні втрати:
електричні втрати виникають при проходженні токапу обмоткам полюсів і якоря, і втрати в перехідному опорі щіткових контактів. Ці втрати пропорційні квадрату струму: \ / \, = 1 ';
втрати в сталі (магнітні) АЛ. що виникають внаслідок перемагнічування сердечника якоря (гістерезис) і индуктирование вихрових струмів, пропорційні індукції В і частоті обертання:
механічні втрати від тертя валу якоря в підшипниках, тертя тіток про колектор і опору повітря обертанню якоря пропорційні частоті обертання:
Всі види втрат викликають нагрів машини. Ставлення корисної потужності (потужності на валу електродвигуна або на затискачах генератора) до споживаної (електричної потужності, споживаної електродвигуном, або механічної потужності, що витрачається на обертання якоря генератора) називається коефіцієнтом полезногодействія машини п. К. п. Д. Тепловозних тягови.х генераторів становить 0,94- 0,96, а тягових електродвигунів - 0,90 0,94.
Для електродвигуна корисна потужність, кВт, де с / 7Л-напруга, що підводиться до електродвигуна, В; 1тя -струм, споживаний двигуном, А.
Корисна потужність генератора
Мал. 2.13. Зміна к. П. Д. В залежності від навантаження
Повну потужність генератора знаходимо за формулою
Рг повн = рг / Т) г, або рг ""., "= Рг-4-ЛР, (2.21) де ЛР = Дре. + ДР1.т-г-ЛРмех - основні втрати потужності.
Характер зміни к. П. Д. При зміні навантаження показаний на рис. 2.13. При холостому ході корисна потужність дорівнює нулю, отже, і г | дорівнює нулю. При малих навантаженнях магнітні і механічні втрати, залишаючись приблизно постійними, мають відносно велике значення по сравнеію з корисною потужністю, тому к. П. Д. Невеликий. Зі збільшенням навантаження корисна потужність зростає, а магнітні і механічні втрати змінюються незначно, і хоча електричні втрати збільшуються, але позначаються порівняно слабо; в результаті к. п. д. збільшується. Максимальне значення к. І. д. має при номінальному режимі або близькому до нього При подальшому збільшенні навантаження к. п. д. падає, так як зростання електричних втрат, пропорційний квадрату струму, починає перевищувати приріст корисної потужності (пропорційний першого ступеня від струму).