Параллельная работа синхронных генераторов с сетью (стр. 11 )

Рассмотрим реакцию якоря в случае, когда щетки установле­ны на геометрической нейтрали (на поперечной оси q). Если по обмотке якоря при отсутствии возбуждения (IВ = 0) пропустить ток Iа, то он создаст магнитное поле, примерный характер рас­пределения которого показан на рис. 19.2, 6. Ось этого поля совпа­дает с геометрической нейтралью — поперечной осью, поэтому магнитное поле якоря при щетках, расположенных на геометри­ческой нейтрали, называют поперечным полем якоря. Это маг­нитное поле будет неподвижно в пространстве, так как при лю­бом положении якоря распределение тока по проводникам будет таким, как показано на рисунке.

Рис. 19.3. Распределение ре­зультирующего магнитного поля машины постоянного тока при нагрузке

В общем случае, когда Iа ≠ 0 и Iв ≠ 0, поле якоря суммируется с полем воз­буждения, образуя результирующее магнитное поле машины. Примерный характер распределения результиру­ющего поля показан на рис. 19.3. По рисунку видно, что воздействие по­перечного поля якоря искажает маг­нитное поле машины: под одним кра­ем полюса поле усиливается, а под другим ослабляется. Такую реакцию якоря называют поперечной.

Для того чтобы определить харак­тер распределения магнитного поля в воздушном зазоре машины при на­грузке, найдем соответствующие распределения МДС и индукции поперечного поля якоря. При расчетах обычно делают допущение, чт проводники обмотки якоря равномерно распределены по его окружности. При этом через каж­дый из N проводников обмотки якоря протекает ток параллель­ной ветви Iа = Iа /(2а). Тогда линейная нагрузка якоря

А = Iа N/(πDа). (19.7)

Чтобы получить более наглядную картину распределения по­перечного магнитного поля якоря в воздушном зазоре, развер­нем статор и якорь машины в прямую линию, как показано на рис. 19.4, а. Примем за начало отсчета точку 0 поверхности якоря, лежащую на продольной оси (оси полюсов). Эта ось является осью симметрии для магнтного потока якоря (см. рис. 19.2, б). На рас­стоянии х по обе стороны от этой линии проведем одну из индук­ционных линий магнитного потока.

Рис. 19.4. Развернутые в линию статор и якорь (а) и распределение МДС якоря (б) вдоль воздушного зазора

Полный ток в пределах, охватываемых индукционной линией, равен 2xA=2Fqx, где Fqx — поперечная МДС якоря на один воздуш­ный зазор, которая при х=0 тоже равна нулю. С увеличением х поперечная МДС якоря возрастает, достигая максимального значения Fqmax на геометрической нейтрали (при х=±τ/2):

Fqmax =τA/2. (19.8)

При х > τ/2 МДС Fqx уменьшается, так как линия поля в этом случае будет охватывать часть проводников с противоположным направлением тока. Распределение поперечной МДС якоря пока­зано на рис. 19.4, б. Поперечную МДС якоря Fqx можно предста­вить в виде двух составляющих, одна из которых (Fδx) равна маг­нитному напряжению воздушного зазора δх, а другая (∑Fстx) — сумме магнитных напряжений ферромагнитных участков магнит­ной цепи:

Fqx = Fδx +∑Fстx

Предположим, что магнитная система машины не насыщена, т. е. ∑Fстx =0. Тогда

Вδx = μ0Fqx /δх (19.9)

Магнитная индукция поперечного поля якоря в воздушном зазоре согласно (19.9), пропорциональна МДС Fqx и обратно про­порциональна длине воздушного зазора δх. Если принять, что воз­душный зазор под полюсным наконечником постоянен, то закон изменения магнитной индукции Вδx будет повторять закон изме­нения МДС Fqx. В межполюсном промежутке, несмотря на возра­стание поперечной МДС якоря Fqx, магнитная индукция Вqx из-за резкого увеличения воздушного зазора начинает уменьшаться и в машине без дополнительных полюсов достигает своего минималь­ного значения на геометрической нейтрали (рис. 19.5). С учетом насыщения (∑Fстx ≠0) истинная кривая индукции В’qx пройдет ниже. Максимальное значение индукции Вqx будет наблюдаться под краями полюсного наконечника.

Рис. 19.5. Распределение поперечного магнитного поля якоря в воздушном зазоре

Направление тока в проводниках обмотки якоря при нагрузке (рис. 19.6, а) соответствует направлению движения якоря, пока­занному стрелками при работе машины в генераторном (Г) и двигательном (Д) режимах.

Рис. 19.6. Полюсное деление маши­ны (а) и распределение поля воз­буждения (б), поля якоря (в), ре­зультирующего поля (г) в воздуш­ном зазоре

В машине с ненасыщенной магнитной системой распреде­ление результирующего магнит­ного поля в зазоре машины при нагрузке можно получить, при­менив принцип наложения, т. е. путем суммирования в каждой точке х кривых распределения индукции поля возбуждения Вδ0x (рис. 19.6, б) и индукции поперечного поля якоря Вqх (рис. 19.6, в) В итоге получится кривая распределения резуль­тирующего магнитного поля в воздушном зазоре Вδх(н), показанная сплошной линией на

рис.19.6, г.

Рис. 19.7. Разложение МДС якоря при щетках, установленных не на гео­метрической нейтрали:

а — распределение тока в проводниках обмотки; б — образование поперечной МДС q ; в — образование продольной МДС d

Иногда в машинах постоян­ного тока щетки не устанавли­вают на геометрической нейт­рали, а смешают от нее в ту или иную сторону на угол а. Тако­му сдвигу соответствует распре­деление тока в проводниках об­мотки якоря, показанное на рис. 19.7, а, которое, в свою оче­редь, соответствует сдвигу ще­ток по направлению вращения якоря, если машина работает в режиме генератора, или против направления вращения якоря при ее работе в режиме двига­теля.

МДС якоря направлена по линии установки щеток и будет смещена от геометрической ней­трали на угол α. В этом случае МДС якоря, как и в синхронных машинах, можно разложить на две составляющие. Для этого разобьем поверхность якоря на секторы, симметричные относительно оси полюсов d. Проводники с током одной пары симметричных секторов (рис. 19.7, б) будут создавать поперечную МДС якоря q, направленную по геометри­ческой нейтрали. Проводники другой пары секторов (рис. 19.7, в) будут создавать продольную МДС якоря d, направленную по оси полюсов.

Как видно из рис. 19.7, при α = π/2 в машине будет существо­вать только продольная МДС якоря. При этом продольная реакция якоря, как и в синхронных машинах, может быть как размагни­чивающей (что соответствует рис. 19.7), так и подмагничивающей, если щетки сместить в противоположном направлении.

19.4. Влияние реакции якоря на работу машины постоянного тока

Из сопоставления рис. 19.6, б и г можно сделать следующие выво­ды о влиянии реакции якоря на работу машины постоянного тока:

1. При нагрузке машины постоянного тока под влиянием попе­речной реакции якоря происходит искажение магнитного поля: под одним краем полюса оно ослабляется, а под другим — усили­вается. При работе машины в генераторном режиме ослабление поля происходит на набегающем крае полюса, а усиление — на сбегающем. При работе машины в двигательном режиме картина будет обратной.

2. Точки, в которых кривая результирующего поля проходит через нуль, смещаются с геометрической нейтрали. Эти точки Ф и Ф' определяют положение так называемой физической нейтрали. По отношению к геометрической нейтрали физическая нейтраль смещается в сторону вращения якоря при работе машины в режи­ме генератора и против вращения якоря — при работе ее в режиме двигателя (см. рис. 19.3). Так как индукция Вqх зависит от тока якоря, то положение физической нейтрали меняется с изменени­ем нагрузки. При холостом ходе физическая и геометрическая ней­трали совпадают.

3. В машине с ненасыщенной магнитной цепью поток сохраня­ет то же значение, что и при холостом ходе, поскольку ослабле­ние магнитного поля под одной половиной полюса компенсиру­ется усилением магнитного поля под другой половиной полюса (см. рис. 19.6).

4. В машине с насыщенной магнитной цепью нельзя получить результирующее магнитное поле методом наложения. Распределе­ние результирующего магнитного поля в этом случае, показано на рис. 19.6, г штриховой линией. Из-за насыщения правого края полюсного наконечника магнитный поток при нагрузке оказыва­ется меньше потока при холостом ходе, поэтому считается, что

поперечная реакция якоря в машине с насыщенной магнитной цепью оказывает тем большее размагничивающее действие, чем больше ток якоря. Это размагничивающее действие поперечной реакции якоря выражается эквивалентной МДС Fqd, которая на­зывается продольной составляющей поперечной реакции якоря (ее расчет приводится в книгах по проектированию машин посто­янного тока).

Помимо указанных факторов реакция якоря влияет и на ис­крение машины. Напряжение между соседними коллекторными пластинами равно сумме ЭДС секций, включенных между этими пластинами, и зависит от распределения магнитной индукции в воздушном зазоре. В общем случае напряжение между различными соседними коллекторными пластинами неодинаково. Наибольшее практическое значение имеет максимальное напряжение Uк mах.

При использовании простой петлевой обмотки между сосед­ними коллекторными пластинами включена одна секция (см. рис. 18.12), а при использовании простой волновой — р секций (см. рис. 18.15). Если применяются сложные обмотки с числом хо­дов т, напряжение между соседними коллекторными пластина­ми уменьшается в т раз. Для петлевых обмоток т = а/р, а для волновых обмоток т = а (см. подразд. 18.4 и 18.5), поэтому в общем случае для любой обмотки с диаметральным шагом (у1 = τ) спра­ведливо выражение

Uк mах =2p ωs lδυaBδ max/a, (19.10)

где ωs — число витков в секции; lδ — расчетная длина машины; υa— окружная скорость якоря; Bδ max — максимальное значение маг­нитной индукции в воздушном зазоре.