Электродвижущая сила машины постоянного тока
ЭДС обмотки якоря наводится основным магнитным потоком и определяется суммой ЭДС секций, входящих в одну параллельную ветвь
E |
a |
E |
N / 2a |
|
, |
|
пр |
|
|
где N – число пазовых проводников; 2a – число параллельных ветвей.
Eпр |
B |
li v |
- ЭДС одного пазового проводника, |
|||||||||
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
активная длина которого li |
||||||
Окружная скорость якоря |
|
|
|
v Da n / 60 2 p n / 60 |
||||||||
где |
Da 2 p |
- длина окружности якоря. |
||||||||||
|
|
Ea B li |
|
|
2 pn / 60 N / 2a |
|||||||
или с учетом |
|
B li |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
E |
a |
|
|
|
|
60a |
|
e |
n, |
|
|
|
|
pN / |
|
n |
C |
|
|||||
|
C |
|
|
|||||||||
где |
e pN / 60a - постоянная для данной машины. |
|||||||||||
Электромагнитный момент машины постоянного тока
На каждый проводник обмотки якоря с током |
ia действует |
||||||||||||||||
электромагнитная сила |
|
Fэм |
B liia |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Совокупность всех сил Fэм, действующих на плечо, равное радиусу |
|||||||||||||||||
сердечника якоря |
D / 2 , создает электромагнитный момент |
||||||||||||||||
|
|
|
|
аM Fэм |
N Da / 2 |
|
|
|
|
|
|||||||
Учитывая, что ток параллельной ветви ia =Ia / 2a, получим |
|||||||||||||||||
|
|
M B li Ia / 2a |
N |
Da / 2 |
|
|
|
||||||||||
Диаметр якоря выразим через полюсное деление Da= 2p / |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
M pN / |
|
2 a |
I |
a |
C |
M |
I |
a |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
где C |
M |
|
|
|
|
2 a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
pN / |
|
|
- постоянная для данной машины |
|||||||||||||
Электромагнитный момент машины постоянного тока
Подставив выражение основного магнитного потока Ф = Еа /(Сеn), получим
|
M 60 / |
|
2 n |
E |
I |
a |
9.55P |
/ n P |
/ |
|
|
|
|
|
|
a |
|
эм |
эм |
|
|
||
|
где 2 n / 60 - угловая скорость вращения |
|
|
||||||||
Pэм Ea Ia |
- электромагнитная мощность машины постоянного тока |
||||||||||
В машинах равной мощности электромагнитный момент больше у машин с меньшей частотой вращения.
Коммутация в машинах постоянного тока
Обмотка якоря МПТ разделяется щетками на две (в волновых обмотках) или на несколько пар параллельных ветвей.
При работе МПТ обмотка якоря вращается относительно неподвижных щеток, поэтому секции обмотки якоря непрерывно переходят из одной параллельной ветви в другую.
Направление вращения
ia |
|
ia |
ia |
|
ia |
|
ia |
ia |
|
ia |
|
ia |
ia |
|
ia |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i2 |
i1 |
|
|
|
i2 |
i1 |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
2 |
|
|
1 |
|
2 |
|
|
1 |
|
|
2 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2ia |
|
|
2ia |
|
|
2ia |
t = 0 |
|
t = 0,5Tk |
|
t = Tk |
||||
В процессе переключения секция замыкается щеткой накоротко, а ток секции изменяет свое направление на противоположное.
Коммутация в машинах постоянного тока
Процесс переключения секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую и связанные с ним явления в короткозамкнутых секциях называют коммутацией машин постоянного тока.
Время в течении которого секция обмотки якоря накоротко замкнута щеткой называют периодом коммутации T.
Коммутация – сложный процесс, зависящий от большого числа факторов. Поэтому точный и строгий анализ этого явления чрезвычайно труден.
Предположим: а) ширина щетки bщ равна ширине коллекторной
пластины bк
bщ = bк;
б) сумма ЭДС, индуцируемых в короткозамкнутой секции
равна нулю |
∑e = 0. |
При этом изменение тока в к. з. секции будет определяться только контактными сопротивлениями между щеткой и коллекторными пластинами.
Этот случай носит название коммутации сопротивлением.
Ток в к. з. секции изменяется по линейной зависимости от t.
Такая коммутация называется прямолинейной.
Коммутация в машинах постоянного тока |
|
|||
|
|
Кроме того: |
|
|
+ia |
|
1) в процессе коммутации в |
||
|
короткозамкнутой секции индук- |
|||
1 |
2 |
тируется ЭДС самоиндукции |
||
|
|
t |
e Ldi |
|
0 |
|
|
||
|
|
|
L |
dt |
|
|
-ia |
|
|
|
|
стремится |
воспрепят- |
|
|
|
которая |
||
|
Tk |
ствовать изменению тока. |
||
|
|
В результате происходит |
||
|
|
|
||
замедленная коммутация (кривая 2) – плотность тока под набегающим |
||||
краем щетки j1 – уменьшается, а под сбегающим краем j2 – возрастает. |
||||
2) Если щетка перекрывает несколько коллекторных пластин, то в рассматри- |
||||
ваемой секции будут наво-диться ЭДС взаимоиндукции eM, которые |
||||
увеличивают суммарную eL. |
|
|
|
|
3) При вращении якоря в КЗ секции индуктируется ЭДС вращения eк, при |
||||
пересечении проводниками секции внешнего магнитного поля, которое может |
||||
образоваться в зоне коммутации, как за счет реакции якоря, так и |
||||
добавочными полюсами. |
|
|
|
|
|
Коммутация в машинах постоянного тока |
|
|
||||
ЭДС вращения eк может изменять свой знак в зависимости от направления |
|||||||
поля в зоне коммутации и направления вращения. |
|
|
|
||||
|
|
|
|
При этом может осуществляться: |
|||
|
|
|
|
3 – ускоренная коммутация |
|||
+ia |
|
|
|
eк eL |
(разные знаки) |
||
1 |
2 |
|
eL eк |
0 |
|
|
|
|
4 |
|
|
||||
|
|
|
|
t |
|
|
|
0 |
3 |
|
|
4 – сильно замедленная |
|||
|
|
коммутация |
e |
e |
0 |
||
|
|
|
|
||||
|
5 |
|
|
-ia |
L |
к |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
5 – сильно ускоренная |
|
||
|
|
Tk |
|
коммутация |
e |
e |
0 |
|
|
|
|
|
L |
к |
|
|
Коммутация под сбегающим краем щетки при j2 = 0 обеспечивает |
||||||
безыскровое размыкание контура к. з. секции. При этом j1 имеет повышенное |
|||||||
значение, но оно в определенных границах, не представляет опасности, т.к. |
|||||||
безыскровое замыкание контура осуществляется легче, чем размыкание. |
|
||||||
Коммутация в машинах постоянного тока
Причины искрения:
1) Электромагнитного характера – искрение |
возникает, если к. з. секция |
в момент размыкания имеет достаточный |
запас электромагнитной |
энергии Li 2 |
/ 2 в результате воздействия eL и eк. |
c |
|
В результате разряда этой энергии возникает искрение на сбегающем
крае щетки.
Искрение на набегающем крае щетки возникает при резко ускоренной коммутации, при значительном преобладании eк и больших плотностях
тока j1. |
|
2) Потенциального характера – |
при неравномерном распределении |
индукции в зазоре между некоторыми соседними коллекторными пластинами возможно появление большого напряжения, которое определяется ЭДС,
|
|
|
наводимой в секциях, присоединенных к этим пластинам |
e 2Bxlva |
|
|
||
Предельные значения Uк max: 25 28 |
|
|
В – в ЭМ большой мощности; |
||
30 35 В – в ЭМ средней мощности; |
||
50 60 |
В – в ЭМ малой мощности. |
|
Коммутация в машинах постоянного тока
Причины искрения:
3) Механического характера –
а) коллектор: |
– эксцентрическое расположение коллектора на валу; |
|
– плохая балансировка вращающихся частей; |
|
– неровности поверхности коллектора; |
|
– выступающие края изолирующих прокладок между |
|
пластинами. |
б) щеточный аппарат: – недостаточно точное закрепление щеткодержателя на щеточном пальце;
– неравномерное распределение пальцев по окружности коллектора;
–недостаточно жесткое крепление щеточной траверсы;
–неправильный выбор марки щетки.
Способы улучшения коммутации
1). Уменьшение ЭДС eL – достигается уменьшением числа витков секции (стремятся к wc =1), снижением магнитной проводимости паза (пазы выполняют меньшими по высоте и большими по ширине)
Коммутация в машинах постоянного тока
Способы улучшения коммутации
2). Создание в зоне коммутации коммутирующего поля:
а) сдвигом щеток с геометрической нейтрали – в МПТ небольшой мощности, не имеющих ДП.
В генераторах щетки сдвигают по направлению вращения, в двигателях – против направления вращения.
Недостаток: требуемый угол сдвига изменяется в зависимости от нагрузки.
б) применением добавочных полюсов ДП:
ДП устанавливаются между главными полюсами МПТ.
|
Обмотка ДП соединяется последова- |
|
ДП |
тельно с обмоткой якоря. |
|
|
КО |
ДП |
М
ДП |
ДП |