Синхронные машины. Машины постоянного тока (стр. 24 из 42)
Рис. 2.22 – Магнитное поле машины постоянного тока, создаваемое:
а–обмоткой возбуждения, б – обмоткой якоря, в-результирующее
Зависимость магнитного потока возбуждения Фв от м.д.с. Fв(кривая намагничивания–рис. 2.23) для машин постоянного тока подобна кривой намагничивания для синхронных машин. Однако при проектировании машин постоянного тока допускают большие индукции на участках магнитной цепи, чем в синхронных машинах (в зубцах, якоре, станине и полюсах), вследствие чего для них коэффициент насыщения Kнас = F/Fδ = ab/ac= 1, 2 ÷ 2. Расчет магнитной цепи машины постоянного тока производят так же, как и для машин переменного тока.
Рис. 2.23 – Кривая намагничивания машины постоянного тока
Реакция якоря. При работе машины под нагрузкой по обмотке якоря проходит ток, вследствие чего возникает м.д.с. якоря. Воздействие м.д.с. якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря. Для упрощения анализа явления реакции якоря будем пренебрегать насыщением магнитной цепи машины и считать, что м.д.с. Fв обмотки возбуждения и м.д.с. Faqобмотки якоря целиком расходуются на преодоление магнитными потоками воздушного зазора. В этом случае вместо указанных м.д.с. можно рассматривать соответствующие потоки: возбуждения Фв и реакции якоря Фаq. Магнитный поток Фаq, созданный м.д.с. якоря Faqв двухполюсной машине при установке щеток на геометрической нейтрали, направлен по поперечной оси машины (рис. 2.22, б), поэтому магнитное поле якоря называют поперечным. В результате действия реакции якоря симметричное распределение магнитного поля машины искажается; при этом результирующее магнитное поле оказывается смещенным к краям главных полюсов (рис. 2.22, в). При этом физическая нейтраль 0'–0' (линия, соединяющая точки окружности якоря, в которых индукция равна нулю) смещается относительно геометрической нейтрали 0–0 на некоторый угол β. В генераторах физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря; в двигателях – против направления вращения.
Чтобы построить кривую Bрез = f(x) распределения результирующей индукции вдоль окружности якоря, применим метод суперпозиции. Так как обмотка возбуждения является сосредоточенной, то кривая распределения создаваемой ею м.д.с. F'в = f(x) имеет форму прямоугольника, где F'в= 0,5Fв – м.д.с, приходящаяся на один воздушный зазор. В этом случае кривая индукции Bв = f(x) имеет форму криволинейной трапеции (рис. 2.24, а).
Для построения кривой м.д.с. Faqx=f(x) и создаваемой ею индукции Baqx = f(x) примем, что обмотка якоря равномерно распределена по его окружности. Тогда на основании закона полного тока м.д.с. якоря, действующая вдоль контура обхода через точки воздушного зазора на расстоянии х от оси главных полюсов,
, (2.11)а м.д.с, приходящаяся на один зазор,
, (2.11а)где A = iaN/(πDa) – линейная нагрузка якоря (число ампер, приходящихся на 1 см окружности якоря).
Следовательно, м.д.с. якоря Faqxизменяется линейно вдоль его окружности (рис. 2.24, б); под серединой главного полюса она равна нулю, а в точках, где установлены щетки, имеет максимальное значение. При ненасыщенной магнитной системе магнитная индукция в воздушном зазоре
, (2.12)где δx–величина воздушного зазора в точке х.
Из (2.12) следует, что под полюсом при δx=const индукция Вaqxизменяется линейно вдоль окружности якоря. Но в междуполюсном пространстве резко возрастает длина магнитной силовой линии, т.е. величина δx, и индукция Baqxрезко уменьшается. В результате кривая распределения Baqx = f(x) приобретает седлообразную форму. Кривую распределения результирующей индукции Bрез = f(x) можно получить путем алгебраического сложения ординат кривых Bв = f(x) и Baqx = f(x). Как видно из рис. 2.24, в, максимум индукции Bмакс имеет место под краями главных полюсов.
Реакция якоря, таким образом, оказывает следующее влияние на магнитное поле машины:
а) физическая нейтраль 0'–0' (см. рис. 2.22) смещается относительно геометрической нейтрали 0–0 на некоторый угол β;
б) искажается кривая распределения индукции Bрез =f(x) в воздушном зазоре и возрастает индукция под краями главных полюсов, что ведет к повышению напряжения в секциях, стороны которых проходят зоны с увеличенной индукцией.
Кроме того, как будет показано ниже, результирующий магнитный поток машины при насыщенной магнитной цепи уменьшается.
Размагничивающее действие поперечного поля реакции якоря. Если магнитная цепь машины не насыщена, то кривая результирующей индукции в воздушном зазоре под действием реакции якоря искажается (рис. 2.24, в) но площадь ее остается равной площади кривой индукции при холостом ходе (рис. 2.24, а).
Рис. 2.24 – Распределение индукции в воздушном зазоре машины постоянного тока:
а–от обмотки возбуждения, б – от обмотки якоря, в-результирующее
Следовательно, результирующий поток Фрез при нагрузке будет равен потоку Фв при холостом ходе. Однако при насыщенной магнитной цепи реакция якоря будет уменьшать поток Фрез. Чтобы установить влияние м.д.с. Faqна величину потока Фреэ, рассмотрим зависимость результирующей индукции Bрез в воздушном зазоре от результирующей м.д.с. Fpeзx= F'в±Faqx, действующей в некоторой точке х зазора (рис. 2.25).
Примем, что в машине насыщены только зубцы якоря. Тогда м.д.с F'вбудет расходоваться на преодоление магнитного сопротивления одного воздушного зазора и одного зубцового слоя. В точках, лежащих пол серединой полюсов, эта м.д.с. создает индукцию Bср = Bв, так как в этих точках м.д.с. Faqx= 0. По мере приближения к одному из краев полюса, например к правому, у полюса N (см. рис. 2.24, в) индукция Bрезбудет возрастать до величины Bпрx, так как здесь действует м.д.с. F'в + Faqx;при приближении к другому краю этого полюса (в данном случае к левому) индукция будет уменьшаться до Влевх, так как здесь действует м. д. с. F'в–Faqx.Однако из-за нелинейного характера зависимости Bpeз=f(x) прирост индукции ΔBпрxу правого края полюса будет меньше, чем снижение индукции ΔBлевx. у левого края, вследствие чего результирующий поток машины уменьшится [см. косую штриховку в кривой индукции Bрез= f(x) на рис. 2.24, в].
Рис. 2.25 – Определение размагничивающего действия поперечного поля реакции якоря
Хотя снижение магнитного потока под действием м.д.с. якоря обычно невелико и составляет всего 1–3%, это существенно сказывается на характеристиках генераторов постоянного – тока и приводит к уменьшению э.д.с. Е машины при нагрузке по сравнению с э.д.с. Е0 при холостом ходе.
Если машина работает при небольших токах возбуждения, т.е. на прямолинейной части кривой намагничивания, то редакция якоря размагничивающего действия не оказывает. Аналогичный эффект будет и при очень большом насыщении, когда машина снова работает на прямолинейном участке кривой намагничивания.
Реакция якоря при сдвиге щеток с геометрической нейтрали. В этом случае окружность якоря с обмоткой можно разделить на четыре зоны (рис. 2.26). Две из них, охватывающие стороны секций в пределах угла 2α, образуют продольную м.д.с. Fad
Fad = (2a/n) A; (2.13)
две другие, охватывающие стороны секций в пределах угла (π–2а), – поперечную м.д.с.
Fa9 = [(n – 2a)/n] A. (2.13a)
Рис. 2.26 – Возникновение продольной (а) и поперечной (б) м. д. с. якоря при сдвиге щеток с геометрической нейтрали
Продольная м.д.с. Fadсоздает продольный поток Фаd, который может сильно увеличивать или уменьшать результирующий магнитный поток машины Фрез в зависимости от того, совпадает м.д.с, Fadс м.д.с. Fвили направлена против нее. Направление определяется тем, в какую сторону сдвинуты щетки. Если щетки сдвинуты по направлению вращения генератора или против направления вращения электродвигателя, то продольная м.д.с. Fadразмагничивает машину. При сдвиге щеток в обратном направлении м.д.с. Fadподмагничивает машину. Свойство продольной м.д.с. Fadизменять результирующий магнитный поток Фрез используется в некоторых специальных машинах, например в электромашинных Усилителях с поперечным полем. Поперечная м.д.с. Faqсоздает магнитный поток Фaq; она действует на поток Фрез так же, как и при расположении щеток на геометрической нейтрали.