Реакция якоря и компенсационная обмотка

Общие положения. Поперечная МДС якоря, возникающая при прохождении тока по обмотке якоря, взаимодействует с МДС обмотки возбуждения главных полюсов (реакция якоря) деформируя, а при насыщенной магнитной цепи — также ослабляя поле главных полюсов. Чем больше нагрузка якоря, тем значительнее уменьшение магнитного потока. В двигателях с относительно небольшим падением напряжения в обмотках якорной цепи указанное уменьшение Ф может вызвать неустойчивость скоростной характеристики, т. е. повышение частоты вращения при увеличении нагрузки. На уменьшение Ф также влияет, но в меньшей мере МДС, создаваемая коммутационными токами в короткозамкнутых секциях.

При работе двигателей в системе автоматического регулирования устойчивость скоростной характеристики может быть обеспечена элементами этой системы. У других двигателей размагничивающее действие МДС якоря может быть компенсировано применением стабилизирующей последовательной обмотки главных полюсов, однако введение такой обмотки требует в случае реверса двигателя переключения выводов стабилизирующей обмотки, по которой протекает ток якоря. Уменьшению размагничивающего действия МДС содействует применение в машинах эксцентричного зазора.

При деформации кривой поля также повышается максимальное напряжение между соседними коллекторными пластинами U_{k max}, в результате чего может усилиться искрение на коллекторе и возникнуть круговой огонь. Наиболее радикальным способом компенсации МДС якоря и ликвидации предпосылок к образованию кругового огня является применение в машинах компенсационной обмотки, размещаемой в пазах наконечников главных полюсов. Однако при этом усложняется конструкция машины и ее стоимость. Компенсационную обмотку применяют главным образом в машинах с h > 355 мм, работающих с большими кратковременными перегрузками и в широком диапазоне регулирования частоты вращения путем изменения тока в обмотках возбуждения главных полюсов.

Критерии необходимости применения компенсационной обмотки. При определении необходимости применения компенсационной обмотки учитывают, что в качестве основных показателей коммутационной надежности машин постоянного тока с тяжелым режимом работы следует принимать не только среднюю величину реактивной ЭДС короткозамкнутой секции и максимальное напряжение между соседними коллекторными пластинами, но также потенциальную напряженность коллектора в зоне набегающего края полюса. Чем круче фронт потенциальной кривой в указанной зоне, тем больше вероятность возникновения кругового огня. Критерием крутизны является градиент потенциала в зоне набегающего края полюса, именуемый фактором коммутационной стойкости.

Если для упрощения принять прямолинейное изменение напряжения между соседними коллекторными пластинами в промежутке между краем полюса и началом коммутационной зоны (рис 10-24), то фактор коммутационной стойкости (В/мм)

(10-74)

Здесь

; (10-75)

g – количество перекрытых щеткой коллекторных делений; предварительно принимаем g = N_ш.

Рис. 10-24. К определению фактора коммутационной стойкости:

1 –потенциал на коллекторе, соответствующий набегающему краю полюса;

2 –потенциальная кривая (действительная); 3 –принимаемая потенциальная кривая; 4 –щетка.

Поперечная МДС якоря (А)

. (10-76)

В (10-74) подставим значение F ₂, соответствующее максимальной кратковременной перегрузке, а (F_п+F_пос) — максимальной частоте вращения при регулировании ослаблением поля главных полюсов. Значения F_п+F_пос при 2 р =4 предварительно можно принять:

Укорочение шага обмотки, выраженное количеством коллекторных делений,

. (10-77)

Исследование коммутационных параметров построенных электрических машин показало, что для обеспечения высокой стойкости против возможного возникновения кругового огня значение _к у машин, не подвергающихся тряске, не должно превышать 1,8 В/мм; если _к>1,8, то необходимо применение компенсационной обмотки. Для повышения коммутационной надежности машин компенсационная обмотка может быть применена и при _к<1,8 В/мм.

Устройство и типы обмотки. Компенсационная обмотка соединяется с обмоткой якоря последовательно и таким образом, чтобы МДС обеих обмоток были направлены навстречу друг другу. Последовательное соединение компенсационной обмотки с обмоткой якоря обеспечивает автоматичность компенсации МДС якоря при изменении нагрузки. Количество проводников компенсационной обмотки N₁, приходящееся на полюсную дугу, определяют, исходя из того, чтобы МДС компенсационной обмотки одного полюса F₁ была равна или близка по величине поперечной МДС обмотки якоря F'₂, приходящейся на полюсную дугу;

; (10-78)

, (10-79)

где ₁ – количество параллельных ветвей компенсационной обмотки.

Степень компенсации МДС F'₂ в пределах полюсной дуги

. (10-80)

При k_к =100% полная компенсация имеет место на протяжении полюсной дуги; за ее пределами остается нескомпенсированной небольшая часть МДС F ₂, не оказывающая существенного влияния на величину U_кmах.

Количество проводников компенсационной обмотки одного полюса, необходимое для полной компенсации,

. (10-81)

По конструктивным соображениям не всегда удается выполнить условие 100%-ной компенсации. В этих случаях можно несколько (на ±15%) отступать от указанного условия.

При токе якоря ₂>1000¸1500 А применяют стержневую компенсационную обмотку с прямоугольными полузакрытыми пазами (рис. 10-25, ). Проводники обмотки выполняют из медных стержней прямоугольного поперечного сечения и соединяют между собой дугами посредством пайки; если станина разъемная, то в местах разъема вместо пайки используют болтовые соединения.

Для лучшего охлаждения, а также более равномерного распределения МДС F ₁ в полюсном наконечнике, объем тока _п1S в пазу ограничивают 2500 А. Для выполнения этого условия может возникнуть необходимость соединения компенсационной обмотки в две параллельные ветви ( ₁=2), а в некоторых случаях параллельного соединения стержней, расположенных в соседних пазах. При двух параллельных ветвях компенсационной обмотки в каждую ветвь должны входить полюсы одноименной полярности. Больше двух параллельных ветвей применять нецелесообразно, так как при этом может возникнуть неравномерное распределение токов между ветвями.

При необходимости укладки в пазу нескольких проводников в машинах с 2 р =4 и ₂ < 1000 А применяют однослойные секционные компенсационные обмотки, укладываемые в открытые пазы (рис. 10-25, б). Такие обмотки удобны в производстве и обладают большой надежностью из-за сокращения количества паек в несколько десятков раз. При ₂<500 А применяют ₁=1, при ₂ > 500 A — ₁=2.

Рис. 10-25. Стержневая () и сек-ционная (б) компенсационные обмотки

Для приближенной оценки правильности вычислительного сопротивления обмотки r₁ следует учитывать, что r₁ составляет в среднем (0,35¸0,7) r₂.

Стержневая обмотка. Предварительное количество пазов на полюс

, (10-82)

где N_ш — количество стержней - проводников, расположенных в пазу рядом.

Количество пазов на полюс Z₁' округляют до ближайшего четного числа, которое у машин с h =355¸500 мм обычно находится в пределах 6—12. При этом во избежание вибраций, вызываемых колебаниями магнитного потока в зазоре, следует при отсутствии скоса пазов якоря соблюдать условие

. (10-83)

При наличии скоса пазов якоря на одно зубцовое деление соблюдение указанного условия не обязательно.

После выбора Z₁ корректируют значения N₁ и N _ш, уточняют МДС F₁, k_k и ток в пазу

(10-84)

В зависимости от N_ш ниже приведены значения 2 b_и и h _и при стержневой компенсационной обмотке с изоляцией классов нагревостойкости В, F, Н:

Конструкция изоляции стержневой компенсационной обмотки приведена в приложении 34.

Размеры стержней, пазов и соединительных дуг, а также сопротивление стержневой обмотки определяют в такой последовательности.

Высота шлица полузакрытого паза (мм)	=0,5	(10-85)
Зубцовое деление в наиболее узком месте зубцов полюсного наконечника (мм)		(10-86)
Коэффициент магнитного рассеяния наконечников главных полюсов	=1,05	(10-87)
Предварительная магнитная индукция в наиболее узком месте зубцов (Тл)	=l,7	(10-88)
Предварительная ширина зубца в наиболее узком месте (мм)		(10-89)
Предварительная ширина паза в штампе (мм)		(10-90)
Общая толщина изоляции в пазу по его ширине (мм)	2 — §10-5
Припуск на сборку полюса по ширине паза (мм)	bc =0,3	(10-91)
Меньший предварительный размер стержня (мм)		(10-92)
Принимаемый ближайший стандарт- ный размер стержня (мм)	aст – из приложения 2
Предварительная площадь поперечно- го сечения стержня (мм2)		(10-93)
Больший предварительный размер стержня (мм)		(10-94)
Принимаемый ближайший стандарт- ный размер стержня (мм)	bст – из приложения 2
Площадь поперечного сечения стержня при принятых размерах (мм2)	Scт – из приложения 2
Уточненная ширина паза в штампе (мм)		(10-95)
Общая толщина изоляции в пазу по высоте паза (мм)	hи – §10-5
Припуск на сборку полюса по высоте паза (мм)	hc =0,3	(10-96)
Уточненная высота паза в штампе (мм)		(10-97)
Уточненная плотность тока в стержне (А/мм2)		(10-98)
Уточненная ширина зубца в наиболее узком месте (мм)		(10-99)
Уточненная магнитная индукция в наиболее узком месте зубцов (Тл)		(10-100)
Длина стержня (мм)		(10-101)
Больший предварительный размер соединительной дуги (мм)		(10-102)
Принимаемый ближайший стандарт- ный размер дуги (мм)	– из приложения 2
Предварительная плотность тока в дуге (А/мм2)		(10-103)
Предварительная площадь поперечного сечения дуги (мм2)		(10-104)
Меньший предварительный размер дуги (мм)		(10-105)
Принимаемый ближайший стандартный размер дуги (мм)	– из приложения 2
Площадь поперечного сечения дуги при принятых размерах (мм2)	– из приложения 2
Уточненная плотность тока в дуге (А/мм2)		(10-106)
Средняя длина дуги (мм)		(10-107)
Сопротивление стержней компенса- ционной обмотки при температуре 200С (Ом)		(10-108a)
То же, дуг компенсационной обмотки		(10-108б)
Общее сопротивление компенсацион- ной обмотки при температуре 200С		(10-108в)

Здесь J'_ст – предварительная плотность тока в стержне 5 А/мм² при классе нагревостойкости изоляции В, J'_ст =5,6 А/мм² при классе F и J'_ст =6,3 А/мм² при классе Н. Уточненные ширину и высоту паза округляют до ближайшей десятой доли миллиметра. Принимают ширину шлица паза b_ш1 =3 мм.

Секционная обмотка. Предварительное количество витков обмотки в пазах, приходящихся на полюс, и пазов

; (10-109)

, (10-110)

где – количество витков в секции (задаются).

Количество пазов на полюсе Z₁ округляют до ближайшего четного числа, находящегося, как и у стержневой обмотки, в пределах 6 -12, соблюдая при этом условие (10-83).

После выбора Z₁ корректируют значение , уточняют МДС

, (10-111)

степень компенсации по (10-80), а также ток в пазу

. (10-112)

Эффективные проводники при площади поперечного сечения S ≥ 25 мм² подразделяют на с элементарных проводов (из условий удобства производства размеры провода не должны выходить за пределы 3,28×8 мм). Размещают провода обычно большей стороной по ширине паза.

Количество витков, лежащих рядом в пазу, N_ш =1 или 2. Количество витков, расположенных по высоте паза,

. (10-113)

Плотность тока J'₁ принимают равной у'_ст.

Конструкция изоляции секционной компенсационной обмотки приведена в приложении 35.

Размеры проводов и пазов, а также сопротивление секционной обмотки определяют в такой последовательности.

Зубцовое деление в наиболее узком месте зубцов полюсного наконечника (мм)		(10-114)
Предварительная ширина зубца в наиболее уэком месте (мм)	– по (10-89)
Предварительная ширина паза в штампе (мм)	– по (10-90)
Общая толщина изоляции в пазу по его ширине (мм)	2 – из табл. 10-13
Больший предварительный размер голого проводника (мм)		(10-115)
Принимаемый ближайший стандартный размер (мм)	b – из приложения 2
Предварительная площадь поперечного сечения проводника (мм2)		(10-116)
Меньший предварительный размер проводника (мм)		(10-117)
Принимаемый ближайший стандарт- ный размер (мм)	a – из приложения 2
Площадь поперечного сечения провод- ника при принятых размерах (мм2)	S – из приложения 2
Уточненная ширина паза в штампе (мм)		(10-118)
Общая толщина изоляции в пазу по его высоте (мм)	– из табл. 10-13
Высота клина (мм)	=2,5	(10-119)
Высота шлица паза (мм)	=1,0	(10-120)
Припуск на сборку полюса по высоте паза (мм)	=0,3	(10-121)
Уточненная высота паза в штампе (мм)		(10-122)
Уточненная плотность тока в обмотке (А/мм2)		(10-123)
Уточненная ширина зубца в наиболее узком месте (мм)	– по (10-99)
Уточненная магнитная индукция в наиболее узком месте зубцов (Тл)	–пo (10-100)
Средняя ширина секции (мм)		(10-124)
Длина одной лобовой части витка (мм)		(10-125)
Средняя длина витка (мм)		(10-126)
Сопротивление компенсационной об- мотки при температуре 200С (Ом)		(10-127)
Длина вылета лобовой части обмотки (мм)		(10-128)

Здесь =0,3 мм—припуск на сборку полюса по ширине паза; — общая толщина изоляции в пазу по его высоте (табл. 10-13). Уточненные ширину и высоту паза округляют до ближайшей десятой доли миллиметра.

Таблица 10-13

Класс нагревостойкости изоляции	Значения 2 (мм) при следующих Nш	Значения (мм) при следующих Nв
В	2,22	2,78	3,68	4,24	4,8
F; H	2,5	2,9	3,6	4,0	4,4