Синхронные машины. Машины постоянного тока (стр. 29 из 42)
Примем ек1 = ек2 = ек3= · · · = екn= ек.ср и усредним число коротко-замкнутых секций. Тогда, полагая п = γ, запишем:
. (2.47а)Поскольку проводимость для суммарного потока взаимоиндукции Ф'м + Ф"м во много раз больше проводимости для потока рассеяния ФL, т.е. Mк>>Lс, и практически, как показали экспериментальные исследования, d∑iк/dt = Avа/ωс=const, получим
, (2.47б)Откуда
. (2.48)Сравнивая выражения (2.48) и (2.32), можно установить, что перекрытие щеткой нескольких коллекторных пластин уменьшает величину ек.ср. Это объясняется тем, что увеличивается период коммутации Tк=γπDa/(Kva), а следовательно, снижается средняя величина реактивной э.д.с.
. (2.49)Таким образом, и для рассмотренного случая условие безыскровой коммутации будет иметь вид ер.ср + ек.ср. = 0. При выполнении его ток в секции за период коммутации изменяется на величину
, (2.50)и коллекторная пластина выходит из-под щетки без разрыва тока. Такую коммутацию называют среднепрямолинейной.
В каждом слое паза якоря реальной машины находится несколько секций, что дает возможность выполнять для них общую изоляцию относительно корпуса, а это увеличивает коэффициент заполнения паза медью и значительно снижает габариты машины и ее стоимость. Секции, расположенные в одних и тех же пазах, имеют хорошую магнитную связь; индуктивность их Lc приблизительно равна взаимоиндуктивности Мп. Поэтому выход из-под щетки коллекторных пластин, связанных со всеми секциями паза, кроме последней, не вызывает электрической дуги даже при разрыве тока, так как малы переходная индуктивность и энергия, выделяющаяся в дуге. Это явление хорошо известно и в практике эксплуатации коллекторных машин – подгорают пластины коллектора, кратные числу секций в пазу. По указанной причине некоторые исследователи коммутации предлагали последнюю секцию в пазу называть самостоятельной, а те секции, которые не вызывают искрения, – несамостоятельными. Следовательно, при расчете коммутации следует стремиться к тому, чтобы не рвался ток при выходе из-под щетки пластины, связанной с самостоятельной секцией, т.е. заканчивающей коммутацию в пазу.
Для каждой из коммутируемых секций, лежащих в одном слое рассматриваемого паза, можно написать уравнение
, (2.51)где Мп–взаимоиндуктивность рассматриваемой секции с другими коммутируемыми секциями, лежащими в одном и том же слое данного паза; Мк–взаимоиндуктивность рассматриваемой секции с другими коммутируемыми секциями, лежащими в соседних пазах. Так как Lc= Mn,то
. (2.51а)Обозначая полный ток во всех секциях, лежащих в каждом слое, через iп = i1 + i2 + · · · + inполучаем
. (2.52)Уравнение (2.52) по форме соответствует уравнению (2.46а), т.е. коммутацию нескольких секций, лежащих рядом в одном пазу, можно рассматривать как коммутацию одной секции, имеющей начальный ток iп в течение времени Тп.
Средняя величина реактивной э.д.с. при коммутации всех секций, лежащих в каждом слое паза, с учетом (2.42):
. (2.53)Соответственно из условия ер.ср + ек.ср = 0 должна выбираться и средняя величина коммутирующей э.д.с.
Обычно γ < uп, что обусловливает некоторые особенности коммутации. Типичная диаграмма изменения тока паза inпри коммутации показана на рис. 2.36, а. На первом этапе, когда начинается коммутация секций n-го паза, продолжается коммутация секций предшествующего (n-1) – го паза.
Из условия средне прямолинейной коммутации имеем
Рис. 2.36 – График изменения тока паза (а) и распределение тока между отдельными секциями паза (б) в процессе коммутации:
1 – 4 – токи в сторонах секций верхнего слоя паза,
5 -8 – то же, нижнего слоя паза
, (2.54)Поэтому
. (2.54а)Иными словами, наличие коммутирующих секций в предшествующем пазу уменьшает скорость изменения тока в секциях рассматриваемого паза. В течение времени Т'п, когда происходит коммутация секции только n-го паза, скорость изменения тока iп максимальна и равна (diп/dt)n= Avа/ωс.
Когда начинается процесс коммутации в секциях последующего (n+1) – го паза, скорость изменения тока снова замедляется:
(2.54б)Токи между пазами, в которых находятся коммутируемые секции, распределяются соответственно величинам коммутирующих э.д. с. и количеству секций, находящихся в режиме коммутации. Распределение токов между короткозамкнутыми секциями одного паза определяется в основном их активными сопротивлениями, включая сопротивление щеточного контакта. Оно носит в значительной мере случайный характер (рис. 2.36, б), что объясняется нестабильностью щеточного контакта.
В рассматриваемом случае величина остаточного тока, возникающего при нарушениях коммутации,
,а электромагнитная энергия, выделяющаяся на дуге при искрении, связанном с разрывом остаточного тока,
.Способы улучшения коммутации. В современных машинах основным средством улучшения коммутации является применение добавочных полюсов, при помощи которых в коммутационной зоне создается магнитное поле, индуктирующее коммутирующую э.д.с. ек.ср требуемой величины. Только в машинах малой мощности (менее 300 Вт) удается обойтись без добавочных полюсов.
Рис. 2.37 – Сдвиг щеток с геометрической нейтрали (а) и кривая результирующего магнитного поля в зоне установки щеток (б)
Создание коммутирующей э.д.с. путем сдвига щеток с геометрической нейтрали 0–0 на некоторый угол αза физическую нейтраль (рис. 2.37), так чтобы коммутируемые секции оказались в зоне действия магнитного поля с индукцией Врезтребуемой величины и направления, применяется крайне редко. В этом случае удается добиться безыскровой работы машины только для одного направления вращения и при одной определенной нагрузке. Изменять же сдвиг щеток в зависимости от направления вращения и режима работы машины практически очень сложно.
Добавочные полюсы устанавливают между главными полюсами (рис. 2.38). Они создают в зоне коммутации магнитное поле с индукцией Вктакой величины, чтобы при вращении якоря в коммутируемых секциях индуктировалась э.д.с. ек.ср = – ер.ср.
Рис. 2.38 – Расположение добавочных полюсов в машине:
1 – добавочные полюсы, 2 – обмотка добавочных полюсов, 3 – обмотка возбуждения, 4 – главные полюсы
Обмотку добавочных полюсов включают последовательно в цепь якоря, а магнитную систему выполняют ненасыщенной. Поэтому коммутирующая э.д.с. ек.ср оказывается пропорциональной току якоря и его линейной скорости va, которая в свою очередь пропорциональна частоте вращения:
. (2.55)Следовательно, э.д. с. ек.ср изменяется по такому же закону, как и реактивная э.д. с:
. (2.56)Поэтому если осуществить взаимную компенсацию э.д.с. ер.ср + ек.ср = 0 для какого-то одного режима работы, то их компенсация автоматически обеспечивается и при других режимах. Полярность добавочных полюсов зависит от направления вращения и режима работы машины. В генераторном режиме полярность добавочного полюса должна быть такой же, как у следующего за ним по направлению вращения главного полюса; в двигательном режиме – как у предшествующего ему по направлению вращения главного полюса.
Сердечники добавочных полюсов изготовляют обычно массивными из стальной поковки, хотя иногда применяют и шихтованные, из листов электротехнической стали. Последнее делается в тех случаях, когда в токе якоря имеются переменные составляющие (двигатели пульсирующего тока и т.д.), для того чтобы и э.д.с. ектоже имела переменные составляющие, пропорциональные току якоря.
Величина индукции Вкпод добавочным полюсом обычно мала, так как мала и средняя величина коммутирующей э.д.с. – ек.ср =3 ÷ 10 В. Однако м.д.с. обмотки добавочных полюсов должна быть очень большой, так как она направлена против поперечной составляющей Faq = τAм.д.с. реакции якоря. Поэтому обмотка каждого полюса должна иметь м.д.с.