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 Faqx изменяется 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 Вaqx изменяется линейно вдоль окружности якоря. Но в междуполюсном пространстве резко возрастает длина магнитной силовой линии, т.е. величина δx, и индукция Baqx резко 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. Faq на 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'в будет 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 Bрез будет 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 ΔBпрx у 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. Fad создает продольный поток Фаd, который может сильно увеличивать или уменьшать результирующий магнитный поток машины Фрез в зависимости от того, совпадает м.д.с, Fad с м.д.с. Fв или 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. Fad размагничивает машину. При сдвиге щеток в обратном направлении м.д.с. Fad подмагничивает машину. Свойство продольной м.д.с. Fad изменять результирующий магнитный поток Фрез используется в некоторых специальных машинах, например в электромашинных Усилителях с поперечным полем. Поперечная м.д.с. Faq создает магнитный поток Фaq; она действует на поток Фрез так же, как и при расположении щеток на геометрической нейтрали.
2.6 Круговой огонь на коллекторе
При эксплуатации машины постоянного тока на коллекторе иногда возникает электрическая дуга или множество мелких электрических разрядов. Это явление называют круговым огнем.
Причиной возникновения кругового огня является чрезмерно высокое напряжение между смежными коллекторными пластинами.
Если напряжение между смежными пластинами превышает 25 В, то между этими пластинами возможно появление короткой электрической дуги.
При работе машины постоянного тока смежные коллекторные пластины могут оказаться замкнутыми через «мостик», образуемый угольной пылью или более крупными осколками щетки. В этом случае по «мостику» проходит ток, происходит его сгорание и возникает короткая дуга.
Процесс изменения тока в дуге описывается дифференциальным уравнением
, (2.14)
где ес–мгновенное значение э.д.с. секции; rс – активное сопротивление секции; Lc – индуктивность секции; Δид – падение напряжения в стволе дуги; Δиэ – околоэлектродное падение напряжения в электрической дуге.
Величина Δиэ для медных электродов составляет 20–23 В, что и определяет в основном минимальную величину напряжения между коллекторными пластинами, при которой возможно появление кругового огня.
Дальнейшее (после появления короткой дуги) развитие процесса зависит от параметров электрической машины: ее мощности, величины активного сопротивления и индуктивности секции, частоты вращения ротора и т.д.
В машинах малой мощности, у которых секции обмотки якоря имеют довольно большое активное сопротивление и индуктивность, ток в короткой дуге невелик, и явление кругового огня протекает сравнительно безвредно. В этом случае на коллекторе в зонах, где действует значительное напряжение между пластинами, возникает небольшое искрение. Это явление иногда называют потенциальным искрением, так как оно обусловлено повышенной разностью потенциалов между пластинами коллектора. При более мощных коротких дугах происходит оплавление смежных пластин, при этом образуются кратеры диаметром 2–3 мм и на коллекторе наблюдаются так называемые вспышки. Это явление более опасно, так как оплавленные края коллекторных пластин вызывают быстрый износ щеток, а иногда их полное разрушение.
В мощных машинах, а также машинах средней и малой мощностей с высокими значениями напряжения между коллекторными пластинами, единичная короткая дуга между смежными пластинами перерастает в мощную дугу. Эта дуга перекрывает значительную часть коллектора или даже замыкает накоротко щеткодержатели разной полярности (перекрытие коллектора). Возникновение мощной дуги на коллекторе сопровождается сильным световым и звуковым эффектом (в крупных машинах это похоже на взрыв бомбы). Большой ток якоря, возникающий при перекрытии коллектора, вызывает срабатывание защиты и повреждает поверхность коллектора, изоляторы щеткодержателей и т.д., т.е. выводит машину из строя.
Процессы перерастания единичной вспышки в круговой огонь очень быстротечны, что затрудняло их изучение. Было создано немало различных гипотез, пока не удалось сфотографировать весь процесс скоростной кинокамерой (4000 кадров в секунду). На рис. 2.27, а показала схема развития единичной вспышки в круговой огонь. Короткая дуга возникает из-за наличия «мостика» между» пластинами а и b. Ток в дуге быстро увеличивается и пространство над коллектором ионизируется, т.е. заполняется раскаленными парами меди. По мере вращения коллектора все большее пространство становится ионизированным и, наконец, дуга перекрывает несколько пластин, что ведет к еще большему возрастанию тока. Дальнейшее развитие процесса носит случайный характер, но всегда сопровождается повреждением коллектора и других деталей машины. Процесс перерастания единичной вспышки в мощную дугу длится 0,01–0,001 с и поэтому не удается создать от него какую-либо защиту.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36
