Электрические двигатели и генераторы

Электротехника
Электрические машины и трансформаторы
Определение фазных и линейных токов приемников
Электрическая машина
Принцип действия асинхронного двигателя
Трансформаторы

Векторная диаграмма трансформатора

Переходные процессы в трансформаторах
Трансформаторные устройства специального назначения
Холостой ход трансформатора
Опыт короткого замыкания
Трехобмоточный трансформатор
Измерительные трансформаторы.
Электрические двигатели и генераторы
Асинхронный генератор
Параметры асинхронной машины 
Регулирование скорости вращения

Однофазные асинхронные двигатели.

Асинхронный преобразователь частоты 
Генераторы переменного тока
Трехфазный синхронный генератор
Несимметричная нагрузка трехфазного генератора
Однофазный синхронный генератор
Синхронный двигатель 
Синхронные машины заводов Советского Союза
Машины постоянного тока – генераторы и двигатели
Генератор с параллельным возбуждением
Электромашинные усилители
Электромашинные преобразователи тока
 

Электродвижущие силы коммутируемой секции.

Вначале найдем реактивную э.д.с. При этом будем считать, что ширина секции равна полюсному делению и что ширина щетки bщ равна ширине коллекторной пластины bк. Для этого случая можем написать:

          (5-35)

Здесь мы опускаем знак минус и считаем, что закон изменения тока di/dt в коммутируемых секциях один и тот же, индуктивность LR учитывает и взаимную индуктивность. Ее мы можем найти следующим образом:

где  и wс – потокосцепление секции и ее число витков;
 R – расчетная магнитная проводимость, равная:

где l и lл – длины пазовой и лобовой частей секции (рис 5-33), п и л – коэффициенты магнитной проводимости (взаимная индукция учитывается умножением на 2 коэффициента п для пазовой части секции);  = 2·0,4п + lл/l·0,4л – коэффициент магнитной проводимости, отнесенный к единице длины пазовой (активной) части секции, следовательно,

LR = 2w2cl·10-8 .          (5-36)

Рис. 5-33. К определению реактивной э.д.с. eR.

 Мы определяем среднее значение реактивной э.д.с. еR. В соответствии с этим можем написать:

 

где

следовательно,

          (5-37)

где , см/с – окружная скорость якоря.

Подставляя (5-36) и (5-37) в (5-35), получим:

eR = 2wcAlva·10-8, В.          (5-38)

Полученная формула имеет большое практическое значение, хотя и не является точной. Она показывает, от каких в основном факторов зависит э.д.с. eR. Коэффициент  для нормальных машин лежит в сравнительно узких пределах и может быть определен опытным путем. Его значение для машин с открытыми пазами на якоре  = 3,7÷6, для машин с полузакрытыми пазами на якоре  = 6÷9; оно тем больше, чем больше глубина паза и чем меньше его ширина.

Коммутирующая э.д.с., наведенная в коммутируемой секции внешним полем, рассчитывается по следующей формуле

Eк = 2wcBкlva·10-8, В,          (5-39)

где Вк, Гс – индукция внешнего поля в коммутационной зоне.

д) Способы улучшения коммутации.

Дополнительные полюсы. Обратимся к равенству (5-30). Мы можем переписать его в следующем виде:

i = iпр + iдоб,          (5-40)

где  и .

Таким образом, ток коммутации i можно считать состоящим из тока прямолинейной коммутации iпр и накладывающегося на него добавочного тока iдоб.

Способы улучшения коммутации основаны на уменьшении добавочного тока iдоб. Его мы можем уменьшить, увеличивая r1 + r2, что достигается выбором щеток.

Чем больше ожидаемая результирующая э.д.с. е, тем тверже должны быть щетки, так как они создают в переходном контакте относительно большое сопротивление. Для небольших машин низкого напряжения берут мягкие (графитные) щетки. От правильного выбора щеток и от их качества в большой степени зависит коммутация. Лучшими считаются электро-графитированные щетки, полученные путем отжига угля в электропечах.

Уменьшение iдоб может быть также достигнуто путем уменьшения е.

Стремятся эту сумму э.д.с. сделать равной нулю:

е = eR + eк = 0.          (5-41)

Чтобы этого достигнуть, нужно создать в коммутационной зоне такое поле, которое бы наводило в коммутируемой секции э.д.с. ек, равную э.д.с. еR и направленную против нее. Поле в коммутационной зоне называется коммутирующим. Оно должно иметь определенную полярность. В малых машинах мощностью обычно не свыше 0,5 кВт надлежащее коммутирующее поле получают сдвигом щеток за физическую нейтраль по вращению в генераторе и против вращения в двигателе. Однако равенство ек=-еR при этом достигается только при некоторой определенной нагрузке, так как при изменении нагрузки физическая нейтраль смещается и указанное равенство нарушается. Чтобы различие между ек и eR было невелико, берут значение еR не свыше 1–2 В, что не вызывает затруднений в случае малых машин. Для машин средней и особенно большой мощности такое значение еR потребовало бы значительного увеличения размеров машин и было бы невыгодно.

В современных машинах для создания коммутирующего поля применяются дополнительные полюсы. Их обмотка, как указывалось, соединяется последовательно с обмоткой якоря (рис. 5-34). При этом коммутирующее поле увеличивается пропорционально току якоря, если магнитная цепь дополнительных полюсов слабо насыщена. Поэтому ек будет пропорциональна току якоря, так же как и еR. Следовательно, здесь мы получаем автоматичность действия дополнительных полюсов.

Рис. 5-34. Соединение обмотки дополнительных полюсов с обмоткой якоря.

 Число витков обмотки дополнительных полюсов должно быть так выбрано, чтобы ее н.с. не только компенсировала поперечную н.с. якоря, но и имела некоторый избыток, необходимый для создания в коммутационной зоне надлежащего поля.

На рис. 5-35 представлена кривая поля машины, имеющей дополнительные полюсы. Здесь же указаны необходимые полярности дополнительных полюсов при работе машины генератором и двигателем (см. также рис. 5-34).

Рис. 5-35. Кривая поля машины с дополнительными полюсами.

Необходимая полярность коммутирующего поля определяется на основании следующих рассуждений.

Обозначим условно направление тока в секции ia до коммутации стрелкой, как указано на рис. 5-36. Направление э.д.с. Еа параллельной ветви, в которой находится секция при работе машины генератором, будет такое же, как и тока ia. Пусть рассматриваемая секция замыкается щеткой. Ток ia будет уменьшаться. При этом возникает э.д.с. еR, которая по закону Ленца стремится поддержать прежнее значение тока. Следовательно, она направлена в ту же сторону, что и ia. Электродвижущая сила ек должна быть направлена против eR. Для этого коммутируемая секция должна находиться в поле противоположной полярности по отношению к полю, которое наводит э.д.с. Еа (см. рис. 5-34, где направление э.д.с. Еа, например, нижней параллельной ветви обмотки якоря определялось полем южной полярности).

Рис. 5-36. К определению полярности дополнительных полюсов генератора.

 Так как в двигателе Еа и ia имеют противоположные направления, то коммутирующее поле должно иметь ту же полярность, что и поле, наводящее э.д.с. Еа (рис. 5-37).

Рис. 5-37. К определению полярности дополнительных полюсов двигателя.

 Мы вначале приняли ширину щетки равной ширине коллекторной пластины. В действительности щетка берется шире коллекторной пластины в 2–4 раза (при простых волновых обмотках в 2–2,7 раза; при простых петлевых обмотках в 3–4 раза), что дает лучшее использование коллектора и улучшает коммутацию.

Ширина щетки не должна быть слишком большой, так как это может привести к чрезмерному расширению коммутационной зоны. По той же причине не следует брать шаг у1 с большим укорочением [обычно y1 = Zэ/2 p - (1÷3)]. Небольшое укорочение у1 сказывается благоприятно на коммутации, так как при этом несколько уменьшается eR за счет уменьшения э.д.с. взаимоиндукции. К тому же самому ведет выбор К/а, равного нечетному числу, и выбор ступенчатой обмотки (для мощных машин).

Для небольших машин (до 40–50 кВт) часто пазы на якоре выполняются скошенными примерно на одно пазовое деление. При этом уменьшается шум машины, так как не будут получаться резкие колебания индукции на концах полюсных наконечников, и уменьшаются колебания поля под дополнительными полюсами, что улучшает коммутацию.

Как отмечалось, н.с. дополнительных полюсов должна скомпенсировать в коммутационной зоне поперечную н.с. якоря и, кроме того, создать коммутирующее поле; следовательно, она должна быть равна (на пару полюсов):

Fд = A + Fк.          (5-42)

Здесь н.с, создающая коммутирующее поле,

Fк 1,2·1,6Bкд,          (5-43)

где коэффициент 1,2 учитывает магнитные напряжения стальных участков магнитной цепи дополнительных полюсов и зубчатость якоря;
д, см – воздушный зазор под дополнительным полюсом;
Вк – индукция коммутирующего поля, которая определяется из равенства ек=еR, после подстановки в это равенство (5-39) и (5-38), Гс:

Вк = A.          (5-44)

е) Круговой огонь на коллекторе. Компенсационная обмотка.

При работе машины постоянного тока может образоваться круговой огонь на коллекторе, под которым понимается электрическая дуга, охватывающая часть или весь коллектор по его цилиндрической поверхности. Явление кругового огня на коллекторе подробно исследовалось в Советском Союзе К. И Шенфером, О. Б. Броном, В. С. Александровым, А. И. Москвитиным и др. Исследования позволили выявить причины этого сложного явления. Оно может возникнуть при перегрузках машины. В этом случае сильно искажается поле под главными полюсами из-за поперечной реакции якоря (дополнительные полюсы компенсируют реакцию якоря только в коммутационной зоне). В результате возрастают максимальная индукция в воздушном зазоре и пропорциональное этой индукции максимальное напряжение Uк.м между соседними коллекторными пластинами (рис. 5-38).

Рис. 5-38. Максимальная индукция Bм в воздушном зазоре машины при ее перегрузке, определяющая максимальное напряжение Uк.м между соседними коллекторными пластинами (пунктирная кривая – кривая поля машины при холостом ходе).

 Если при этом поверхность коллектора загрязнена и он окружен воздухом, ионизированным вследствие искрения под щетками, то создаются условия для образования небольших электрических дуг между пластинами, которые в дальнейшем могут перейти в устойчивую мощную дугу. Такая дуга опасна для машины и может привести к серьезным повреждениям. В машинах небольшой и средней мощности нормального исполнения образование кругового огня на коллекторе наблюдается крайне редко. Это явление не следует смешивать с явлением кругового искрения, которое обычно не причиняет большого вреда машине, однако требует более частой чистки коллектора и приводит к более быстрому износу щеток и коллектора.

Для предотвращения кругового огня на коллекторе нужно иметь достаточное число коллекторных пластин на полюсное деление, чтобы напряжение между соседними коллекторными пластинами не было слишком большим. В мощных машинах, работающих с большими перегрузками (например, двигатели для крупных прокатных станов), кроме того, нужно применить компенсационную обмотку, чтобы не было искажения поля под главными полюсами. Проводники компенсационной обмотки, которая соединяется последовательно с обмоткой якоря, закладываются в пазы полюсных наконечников (рис. 5-39). Она при этом компенсирует поперечную реакцию якоря под главными по­люсами при всех нагрузках машины.

Рис. 5-39. Машина с компенсационной обмоткой в пазах полюсных наконечников.

 Компенсационная обмотка обычно применяется для мощных и быстроходных машин при мощности на один полюс свыше 80–100 кВт, при U>400 В, если машина подвергается перегрузкам свыше 120% и если eR>6 В. Применение ее для нормальных машин становится экономически целесообразным при мощностях свыше 900 кВт, даже если указанные условия отсутствуют.

Электромагнитный вращающий момент 

Электромагнитный вращающий момент может быть найден, исходя из закона электромагнитных сил.

Согласно этому закону сила, действующая на проводник (рис. 5-40),

Fx = Bxil.          (5-45)

Рис. 5-40. К определению электромагнитного вращающего момента.

 Общая сила, действующая на якорь при числе проводников обмотки якоря N и токе в проводнике Ia/2a,

.          (5-46)

Искомый вращающий момент

.          (5-47)

Подставив вместо диаметра якоря  и учитывая, что Bсрl = Ф, получим:

, Дж , кг·м          (5-48)

или

M = cмIa,          (5-49)

где  – постоянная для данной машины величина.

Поток Ф в предыдущих равенствах представляет собой поток, определяемый действительной кривой поля машины при нагрузке и положением щеток (рис. 5-40).

То же самое выражение для вращающего момента можно получить, исходя из электромагнитной мощности машины Рэм=ЕаIа:

, Дж.

В генераторе электромагнитный момент действует против вращения и является, следовательно, тормозящим по отношению к первичному двигателю. Момент, создаваемый первичным двигателем, уравновешивает электромагнитный момент генератора и момент, соответствующий механическим и магнитным потерям в генераторе.

В двигателе электромагнитный момент действует по вращению и уравновешивает тормозящий момент нагрузки на валу и момент, соответствующий механическим и магнитным потерям в двигателе.

Электротехника