Синхронные машины. Машины постоянного тока (стр. 42 из 42)
(2.107а)и переменной, которая изменяется с двойной частотой,
(2.107б) 
Рис. 2.105 – Графики изменения тока, потока и электромагнитного момента универсального коллекторного двигателя и его векторная диаграмма при работе на переменном токе
Электромагнитный момент двигателя является переменным, а в отдельные промежутки времени даже тормозным, однако якорь двигателя вращается с равномерной частотой, так как он имеет сравнительно большой момент инерции. Среднее значение момента
Характеристики двигателя при работе на переменном токе
Векторная диаграмма однофазного коллекторного двигателя (рис. 2.106, б) строится на основании уравнения
(2.108)где ∑r и ∑x – суммы активных и реактивных сопротивлений в цепи обмотки якоря.
Э. д. с, индуктируемая в обмотке якоря,
, (2.109) 
.Из (6.109) можно получить зависимость частоты вращения от тока якоря:
. (2.110)На основании (2.108) и (2.109) строятся зависимости n = f(Iа), M = f(Ia) и n= f(M). Так как способ возбуждения машины при работе на постоянном и переменном токе остается неизменным, а формулы (2.108) и (2.109) для частоты вращения n и момента М имеют такую же структуру, как и формулы (2.76) и (2.77а), механические характеристики двигателя при работе в двух указанных режимах будут приблизительно одинаковыми. Однако при переменном токе в числителе (2.109) появляется дополнительный член jİа∑x сдвигающий механическую характеристику двигателя в область более низких частот вращения (рис. 2.106, а, кривая 2). Для того чтобы приблизить ее к механической характеристике, имеющей место при работе на постоянном токе (кривая 1), часть витков обмотки возбуждения при переходе на питание переменным током отключают, т.е. уменьшают магнитный поток машин. При этом обеспечивается одинаковая номинальная частота вращения двигателя в обоих режимах работы (кривая 3).
Рис. 2.106 – Механические и рабочие характеристики универсального коллекторного двигателя
В связи с уменьшением магнитного потока двигателя при работе на переменном токе его магнитная система оказывается менее насыщенной, чем при работе на постоянном токе. Поэтому при работе в рассматриваемом режиме зависимость M = f(Ia) приближается к параболической; зависимость n = f(Ia) к гиперболической в большем диапазоне изменения тока, чем при постоянном токе, а механическая характеристика становится более мягкой.
Рабочие характеристики двигателя при его работе на постоянном (сплошные линии) и переменном (штриховые линии) токе имеют приблизительно одинаковую форму. При переменном токе ток якоря больше, чем при постоянном токе, из-за появления реактивной составляющей и увеличения активной составляющей вследствие возрастания потерь в стали. По этим же причинам к. п. д. двигателя при переменном токе меньше, чем при постоянном.
Регулирование частоты вращения при работе на постоянном токе осуществляют путем включения в цепь якоря реостата, изменения питающего напряжения и тока возбуждения (путем шунтирования обмотки возбуждения реостатом). При переменном токе регулирование частоты вращения осуществляют в основном изменением питающего напряжения; реже–включением реостата в цепь якоря.
Рис. 2.107 – Возникновение реактивной и трансформаторной э. д. с. в универсальном коллекторном двигателе
Коммутация при работе на переменном токе. В этом случае в коммутируемой секции кроме реактивной э. д. с. ериндуктируется еще трансформаторная э.д.с. етр, так как эта секция пронизывается переменным магнитным потоком. Реактивная э.д.с. возникает так же, как и в машине постоянного тока, в результате изменения тока iaв коммутируемой секции при переходе ее из одной параллельной ветви в другую. Однако в данном случае токи +iaи – iaв каждой параллельной ветви (рис. 2.107, а) не остаются постоянными, а изменяются по синусоидальному закону
.Следовательно, реактивная э.д.с. eр,пропорциональная производной di/dt,будет зависеть от величины тока iaв момент коммутации, т.е. в разные моменты времени она будет различной. Если пренебречь периодом коммутации Ткпо сравнению с временем Т0 между двумя последовательными коммутациями, то можно считать, что производная
, (2.111)а реактивная э.д.с.
, (2.112)где
– максимальное значение реактивной э.д.с, которое имеет место при максимальном токе якоря Iam.Таким образом, реактивная э. д.с. совпадает по фазе с током якоря. Она пропорциональна частоте вращения n (период коммутации Ткобратно пропорционален n)и току якоря Iа, так же как в машинах постоянного тока.
Трансформаторная э.д.с. индуктируется в коммутируемой секции переменным магнитным потоком машины. Так как магнитный поток изменяется по закону Ф = Фmsinωt, то при установке щеток на геометрической нейтрали
, (2.113)где ωc– число витков в секции.
Следовательно, если не учитывать небольшого угла γ, то она будет сдвинута относительно реактивной э. д. с. на 90°. Результирующая э.д.с. в коммутируемой секции будет изменяться по синусоидальному закону и в некоторые моменты времени будет иметь максимальное значение
. (2.114)Установка дополнительных полюсов обеспечивает компенсацию реактивной э.д.с. Трансформаторная же э.д.с. остается нескомпенсированной и создает добавочный ток, замыкающийся через щетки. Это ухудшает коммутацию машины, а следовательно, может вызвать опасное искрение и значительные радиопомехи. Особенно неблагоприятные условия возникают при пуске двигателя, когда трансформаторная э. д. с. достигает большой величины из-за увеличенных значений пускового тока и потока возбуждения.
По указанной причине коллекторные машины переменного тока средней и большой мощностей не получили широкого применения. В коллекторных двигателях малой мощности трансформаторная э.д.с. невелика и практически не ограничивает его нагрузку, как это имеет место в более мощных машинах. Однако срок службы щеток, коллектора и всей машины при работе на переменном токе сокращается по сравнению со сроком службы на постоянном токе.
Список литературы
1. Копылов И.П. Электрические машины. – М.: Энергоиздат, 2004.
2. Брускин Д.Э., Зерохович А.Е., Хвостов В.С. Электрические машины. Т. 1,2. – М.:, Высш. шк., 1987.
3. Токарев Б.Ф. Электрические машины, – М.: Энергоиздат, 1990.
4. Копылов И.П. Математическое моделирование энергетических машин. Учебник. – М.:, Высш. шк., 2001.
5. Гольдберг, Свириденко Я.С. Проектирование электрических машин. Учебник для ВТУзов. – М.:, Высш. шк., 2001.
6. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. – М.:, Энергия, 1988.
7. Кацман М.М. Электрические машины. – М.: Энергоиздат, 1990.
8. Вольдек А.И. Электрические машины. – Л.: Энергия, 1984.
[1] В дальнейшем для обозначения потока первых гармоник магнитного поля, основных гармоник э.д.с. и токов в формулах и на векторных диаграммах будут применяться соответствующие буквенные символы без индекса «1»,
[2] Для обозначения величин в относительных единицах используют те же буквенные символы, но со звездочками
[3] В генераторном и двигательном режимах чередование полярности главных и добавочных полюсов различно, чем и объясняется наблюдающаяся иногда разница в искрении щеток машины при генераторном и двигательном режимах.
[4] Это не относится к электродвигателям с последовательным возбуждением, в которых коммутационная напряженность машины определяется условиями эксплуатации и при малых частотах вращения может быть большей из-за увеличения тока якоря.