Электродвижущая сила и электромагнитный момент якоря

МП машины, создаваемое обмоткой возбуждения, концентрируется главным образом в пределах магнитопровода — полюсов и якоря (рис. 8.4).

Изменения магнитного потока через виток обмотки якоря, вращающегося в магнитном поле с индукцией В

Рис. 8.4. Изменения магнитного потока через виток обмотки якоря, вращающегося в магнитном поле с индукцией В

При вращении якоря с угловой скоростью С1 активные части I каждой петли обмотки перемещаются параллельно самим себе по дугам, длины которых dx примерно равны соответствующему линейному перемещению точек окружности якоря с диаметром D за время dt:

Изменение потока Ф, пронизывающего каждый виток обмотки (см. рис. 8.4), которое определяется перемещением обеих его активных сторон, описывается уравнением

где Bt и В , — магнитная индукция в зонах первой и второй активных сторон с длиной I.

Не внося существенной ошибки в конечный результат, можно индукцию в пределах полюсного деления принять постоянной и равной В. Тогда последнее уравнение приобретает вид

Число таких последовательно соединенных витков w в одной параллельной ветви обмотки, имеющей N активных стержней на якоре и 2а параллельных ветвей, равно IV/(2а). Магнитный поток одного полюса Ф при сделанных допущениях равен произведению среднего значения индукции В на площадь поверхности якоря под одним полюсом St. Площадь поверхности St у машины с числом пар полюсов р определяется геометрически очевидным равенством

За время dt полное изменение потокосцепления сР? контура каждой параллельной обмотки якоря при его вращении в поле полюсов равно

Отсюда следует основное уравнение ЭДС вращения, индуцируемой в якоре МПТ:

Коэффициент с = Np /(2па) зависит от конструктивных и схемных параметров и для данной машины — величина постоянная. Магнитный поток Ф незагруженной машины зависит от магнитодвижущей силы полюсов (определяемой у данной машины током ie и числом витков обмотки возбуждения) и от магнитного сопротивления магнитопровода. При ненасыщенном магнитопроводе

Зависимость ЭДС е машины от тока возбуждения ie (рис. 8.5,а) при постоянстве угловой скорости ротора (якоря) называется характеристикой холостого хода (XX). Нелинейность этой характеристики в области больших значений тока возбуждения / определяется насыщением магнитопровода. Ненулевое значение ЭДС при /. = 0 объясняется действием остаточного намагничивания (коэрцитивными силами) магнитопровода. В своей ненасыщенной части характеристика XX приближенно описывается пропорциональной зависимостью е = cje . Напряжение на щетках (клеммах) МПТ в генераторном режиме без нагрузки равно ЭДС якоря: u(i = 0) = 0.

Характеристика XX генератора постоянного тока

Рис. 8.5. Характеристика XX генератора постоянного тока: а — при постоянной угловой скорости Q; б — при постоянном потоке возбуждения Ф

При постоянстве тока возбуждения /. и соответствующем ему в режиме XX постоянстве потока Ф напряжение генератора постоянного тока пропорционально его угловой скорости (рис. 8.5,6). Последнее позволяет использовать МПТ как датчики угловой скорости: напряжение на их якоре пропорционально угловой скорости вала. Сконструированные специально для этой цели машины называют тахогенераторами. Их мощность обычно не превышает десятков ватт.

При протекании по обмотке якоря тока i возникают электромагнитные силы взаимодействия тока и МП, создающие вращающий электромагнитный момент, который может быть рассчитан с помощью закона Ампера. Более простым путем электромагнитный момент можно определить, пользуясь энергетическими соотношениями. Электромагнитная мощность МПТ Рэм = ei с точностью в несколько процентов равна механической мощности на валу Р = С1Ми. Момент Ми является вращающим моментом первичного двигателя при генераторном режиме МПТ или моментом торможения присоединенного механизма при двигательном режиме. Приравнивание Ми и М с учетом (8.6) позволяет получить уравнение электромагнитного момента М МПТ, который в установившихся режимах почти равен Ми :

Уравнение (8.7) справедливо как для генераторного, так и для двигательного режима машины. В генераторном режиме направления действия электромагнитного момента и угловой скорости противоположны, а в двигательном — совпадают. Направления ЭДС е и тока i в генераторном режиме совпадают, а в двигательном — противоположны.

При вращении якоря коллекторные пластины поочередно входят в контакт со щетками через малое сопротивление переходного контакта пластина — щетка. Переходя с одной пластины на другую, щетки соединяют их и тем самым замыкают накоротко подсоединенные к ним участки обмотки (коммутируемые секции).

Распределение индукции В в воздушном зазоре по окружности якоря МПТ в режимах XX (1) и нагрузки (2)

Рис. 8.6. Распределение индукции В в воздушном зазоре по окружности якоря МПТ в режимах XX (1) и нагрузки (2)

В таких секциях возникают ЭДС самоиндукции, взаимоиндукции (с соседними секциями) и вращения в МП, искаженном реакцией якоря. В конечном итоге переход щетки с пластины на пластину сопровождается искрением в контактах пластина — щетка, вызывающим обгорание поверхностей коллекторных пластин и щеток. Дополнительные полюса МПТ способствуют устранению (ослаблению) искрения под щетками, обусловленного коммутационными явлениями.

Протекание по обмотке якоря тока i вызывает эффект, называемый реакцией якоря. Он проявляется в искажении МП, создаваемого полюсами. При больших токах якоря это искажение оказывается существенным (рис. 8.6) и вызывает уменьшение полезного потока и, следовательно, ЭДС якоря. Кроме того, появляется искрение в контактах щетки — коллектор. Для ослабления действия реакции якоря у МПТ мощностью примерно в 1 кВт и более предусматриваются дополнительные полюса (ДП), имеющие обмотки ОДП, обтекаемые током якоря (рис. 8.7). Они корректируют полезное магнитное поле машины тем сильнее, чем больше искажающее действие реакции якоря.

Схематический разрез МПТ, имеющей основные и дополнительные полюса с обмотками, обтекаемыми током якоря

Рис. 8.7. Схематический разрез МПТ, имеющей основные и дополнительные полюса с обмотками, обтекаемыми током якоря

МПТ используются преимущественно как двигатели. В процессе их эксплуатации требуется систематическая чистка коллектора от окислов и нагара, а также периодическая замена изнашивающихся щеток. Это существенный недостаток МПТ.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >