книги / Машины постоянного тока средней и большой мощности
..pdf
|
£ i = 2 e W c V t A f i |
|
(4.9) |
где среднюю, результирующую проводимость коммутируемой секции опре |
|||
деляем с учетом щеточного перекрытия |
|
|
|
I |
** • 2 ^ ‘( ^ я + ^ к ) + Л /1у |
- |
(4.10) |
В этой формуле 411* - |
среднее -число одновременно |
коммутируемых сто |
|
рон секций в коммутационной зоне,, которое зависит от расчетного ще
точного перекрытия |
{3^ |
, числа секций на паз |
V q и сокращения ша |
||||||
г а <5к |
и |
находится |
по |
кривым, |
представленным |
на рис. 4.6; £д - |
|||
длина |
лобовой |
части |
секции. |
|
|
|
|
||
Расчетное щеточное |
перекрытие |
|
|
|
|||||
где О щ р |
|
|
|
р ' ц » £ щ р / р к > |
|
|
.(4.11) |
||
- |
расчетная |
ширина' щетки с учетом' раздвижки щеток на |
|||||||
при установке |
их на щеточном бракете |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
5 щр~ Ьц + Ащ -Дч$ +-Рк (V- рг) |
(4 Л 2 ) |
||||
Удельные магнитные |
проводимости |
Х п ; Х к |
и |
Я д |
для полей па |
||||
зового рассеяния, по коронквм зубцов и лобового находят следующим
образом:
|
|
|
|
|
|
1 |
|
/ ^ |
п ' |
Ьг\ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вп )-} |
|
(4.13) |
|||
где |
flt |
^ |
высота .меди |
в пазу, |
|
|
|
- высота |
паза |
над медью;- 8а |
||||
ширина паза |
(рис. 4.9,а)';. |
- коэффициент демпфирования, обуслов |
||||||||||||
ленный влиянием вихровых и контурных токов в проводниках секций. |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
Я к |
" |
|
|
|
4*0,3) } |
|
|
(4.Д4) |
|
где |
4« , |
|
ширина |
золовки зубца^ |
$1, - зазор под башмаком добавоч |
|||||||||
нбго |
полюса ‘(рис . 4*9,6). |
|
|
® |
|
|
|
|
||||||
|
Величину |
Я д |
определяем |
по |
опытным.данным: |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
Д*А ** 0,4 .«• 0,75 ) |
|
|
(4.15) |
|||||
причем меньшее |
значение |
Я д |
соответствует немагнитному бандаку i:a |
|||||||||||
лобовых |
частях |
обмотки |
якоря, |
большее |
значение |
Я д |
- бандшху из |
|||||||
магнитной проволоки. Величина коэффициента демпфирования |
К ф |
при |
||||||||||||
обычных расчетах принимается равной I. Однако при уточненных расче |
||||||||||||||
тах реактивнойЭДС'коэффициента |
K ^ . K LP « учитывающие |
влияние |
вих- |
|||||||||||
16
гл |
Рис. 4.9. К расчету магин-тих провиднмостеП^Хп и |
|
и) |
б) |
?кс.'4Л0, Зависимости К trj = / (Т |
) (а} и K Rn*=f(Г^*) (Ь)при А=1 |
ревых и контурных токов в проводниках якорной обмотки на коммутацию, находятся для секций различного, конструктивного исполнения по кривым
К t,n -f(T t*f X') |
» построенным по методике, разработанной з ЛПИ (83 |
||||||||
(см.рис. 4.10,а). Относительная |
постоянная времени |
Т |
определя |
||||||
ется по формуле |
Т *= |
|
д - 2 / л й т |
|
|
|
(4Л6) |
||
|
|
|
/ропТо ? |
|
|
|
|||
где 6 |
- ширина меди паза; |
Тъ |
- высота |
секции; |
р |
- удельное со |
|||
противление меди; |
Т0 - время |
коммутации |
одного |
слоя меди |
паза для |
||||
любого типа обмотки |
|
_ |
|
|
|
|
|
||
|
|
Тс^Тк+ ( и „ - 1 ) Л ^ р г^(11п-1)рн]/ик |
(4.1?) |
||||||
Параметр |
А - относительная длина лобовой части |
секции. |
|
||||||
|
|
|
А = е л /е. |
|
|
|
|
<4.18) |
|
С возрастанием частоты вращения, |
как показывают |
(4 Л 6 ) и |
(4.17) , -по |
||||||
стоянная времени |
Т 1* увеличивается, а коэффициент |
Кип » согласно |
|||||||
рис. 4.10,а, уменьшается, что приводит к уменьшению резу льтирующей
проводимости j |
Таким образом, влияние |
вихревых- и контурных токов |
|||
на комг^ута^ию усиливается при |
возрастании |
частота вращения Ш Г . Для |
|||
крупных ]ЙГ постоянная времени |
Т1* = 3 - |
15 (2 0 ). Величина ;Kun.i |
|||
наименьшая для массивных проводников (например, при 7 /-= I0;/C^==0,5\ |
|||||
для разрезных секций |
с числом |
элементарных проводников С = 2 .или |
|||
С = 3 |
величина Кип |
несколько возрастает, а для нёразрезных секций |
|||
при С |
= 2 и |
С = 3 |
Кип возрастает в большей степени (см.рис.4.1 0 , |
||
а). Таким образом, демпфирующее' влияние фихревых и контурных токов,
особенно |
в случае неподразделенных (массивных) проводников, может |
||
привести |
к заметному уменьшению, реактивной ЭДС |
£ 4 (на 10 - 20$). |
|
Однако вихревые и контурнШ токи, возникающие в проводниках об |
|||
мотки во |
время коммутации, wtetoT й нежелательное действие, так как |
||
создают добавочные |
коммутационные потери Рдкм |
в обмотке.. Расчет |
|
этих потерь можно |
произвести j используя кривые |
Кяяг=Дг'*А)| по-* |
|
строенные для секций различной конструкции по методике, .разработан
ной в ЛПИ |
[ 8 ] |
. -По этим крив'ый (рис. 4.10,6)> рассчитав |
предвари |
||
тельно |
V * |
и |
А по (4.16) |
й (4 ’.18)', определяем значение |
коэффици |
ента |
Кцп |
возрастания сопротивления секций во. время коммутации. К о |
|||
эффициент возрастания сопротивления всей обмоткй якоря находим «6 |
|||||
формуле |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ч , |
= 1 + Т ^ ( К*П - 0 > |
(4,19) |
?,де Т^~Х fVd - время повоете якоря на полюсное деление.
5-1
Добавочные коммутационные потери в меди якоря
Рук м = г а ( К » а - 7 Д а . |
(4£0) |
Расчеты показывают, что р неблагоприятных случаях (при С = I и высокой частоте вращения) добавочные коммутационные потери сравнимы с основными потерями в меди обмотки якоря и составяг величину, прево сходную 0,5# Рп машины. В то же -ремя по ГЭДТу при расчете КОД машины все добавочные потери (в меди и стали) принимаются равными
ОЖ Рн
Вкаждом конкретном случае при проектировании Ш Г необходимо кон струкцию обмотки якоря выбирать так, чтобы обеспечить, с одной сторо
ны, надежную коммутацию, а с другой г получить допустимое значение добавочных потерь Ру км
4.4.Взаимное демпфирование коммутируемых секций на завершающем этапе коммутации и оценка их демпфирующие свойств
Рассмотрим более подробно результирующую индуктивность комичутиру-
емой секции в. момент ее размыкания |
на.завершающей |
стадии коммутации. |
От величины этой индуктивности, как |
показано |
в разделе 4 Л , за |
висит энергия., .выделяемая под краем щетди .з виде электрического раз ряда .(выражение 4.2),
Исследование. выполним на примере простой петлевой обмотки, рас
смотренной б предыдущем параграфе (2р. = 4, Z |
= 40, К |
= 120; Уп = |
||||||
3, lf\ |
X = 20.;. |
= 5).- ГЗ момент'размыкания |
I-й секция, как. видно |
|||||
к й 'рис. |
4 .'II;а, сказываются |
замкнутыми накоротко секция 2 |
к О |
r::ci: |
||||
той.же'Полярности:', |
в секции |
Z |
и- о |
(22 я 33) |
замкнуты ,:;еruoil дру |
|||
гой полярности. Так / секции |
I; |
2 , ’3, |
расположенные рядом г> одних и |
|||||
тех же |
пасах, имеют |
тесную |
взеимоиндуктипную связь ( |
0,95 Ьс )» |
||||
а между |
секциями. I, |
2, 3 и |
секциями |
1 ; , 2 У , (У взашоиндуктивчая |
||||
связь значительно слабее, ..то-для простота будем учитывать электрома гнитную связь между секциями,, расположенным^ своими сторонами рядом я одном.слое. Итак, происходит размыкание остаточного тока в 1-й секций, которая имеет тесную электромагнитную связь со 2-й и 3-й секциями. Эти две секции можно заменить одним короткозамкнутым кон туром, поскольку индуктивные параметры 2-й и 3-й секц:!П практически одинаковы (при щеточном перекрытии рш, = 2 будет Замкнута накоротко
55
только одна 2-я секция). Таким |
|
||||
образом, приходим к схеме, пред |
|
||||
ставленной на рис. 4.12, состо |
|
||||
ящей из двух контуров с индук |
|
||||
тивностями |
Lit |
, Lz и М |
|
||
один из которых разрывается и |
|
||||
при этом возникает |
напряжение |
|
|||
разрыва |
Ур |
Так |
как процесс |
|
|
размыкания происходит очень |
|
||||
быстро, |
то |
падением напряжения |
|
||
в сопротивлениях этих контуров |
|
||||
Zt и -^2 |
можно пренебречь. |
6) |
|||
Тогда получаем |
систему уравне |
|
|||
ний |
V. |
|
_. |
|
|
L*1 ' |
dti |
|
сьъ2 |
|
|
d t |
|
|
|
|
|
Mdt + U dt
Кроме того, для первого конту ра можно написать'
L p i ( d i i / d t ) = U p . (4 22)
Откуда* результирующая индуктивт ность размыкаемого контура
Рис 4 .П., Условия взаимного демпфирования при размыкании секции равноеекционной (а) и ступенчатой (б) петлевой обмотки
L p i - V p Jdif/dt • (4.23)
Feniaa систему уравнений <4.21), находим’производную
di, |
l o ?Uzl |
UpL 2 |
_ |
____ |
, |
(4.£4) |
|
|
|
|
|
|
|
" |
I k Л / ' Ь Ь - * |
|
« ■ ( * - & > |
|
|
|
Подставляя ее в (4.23), |
получим |
г |
|
|
|
|
|
Lp>~ |
и г г)^_ |
|
(4.25) |
||
Для рассматриваемого случая~ |
|
|
|
|
||
|
Lpt s Lj (.1 “0,95■) ~Q,1LQ-. |
Up |
|
|||
Таким образом, результирующая |
индуктивность |
первой секции |
||||
оказывается маленькой. При размыкании остаточного тока |
А ь этой сек |
|||||
56
ции только 0 ,1 часть энергии, запасенной в магнитном поле этой сек
ции, выделится под сбегающим краем щётки и искрение практически бу
дет отсутствовать. Зта секция, имеющая тесную электромагнитную связь с соседней замкнутой накоротко секцией, была названа Дрейфусом неса
мостоятельно коммутирующей (по |
терминологии В.Л Толкунова [ 9 ] - не |
обособленной). |
|
В. U.Толку новым было введено |
понятие коэффициента демпфирования |
Gp , представляющего собой отношение результирующей (динамической) индуктивности секции Lj> к собственной (статической) индуктивности
Lc и характеризующей ту часть энергии магнитного поля секции, кото
рая выделяется в щеточном контакте при размыкании секции, т.е.
Gp - |
L p /L c - Waf/Wc |
(4.2t' |
Так как в момент размыкания |
остаточного тока Дъ |
В 1-й секции |
тесной магнитной связи почти такой же ток индуктируется в соседних замкнутых накоротко секциях, то энергия магнитного поля всех этих секций изменяется,мало, и 'лишь небольшая ее часть выделяется в щеточ
ном контакте.. Нетрудно заметить, что в данном случае для первой сек ции <?р — 6 ,1.
При размыкании' тока А ь во -2 ;й секции имеет место аналогичная
картина, так как рядом с ней расположена 3-я замкнутая накоротко секция. Таким образом, 2-я секция также является несамостоятельно
коммутирующей'(необособленной) и для |
нее |
- 0 ,1. |
и Qpz= 0 ,1. |
В других условиях находится 3.-я, |
последняя |
секция |
в пазу,. Она |
тлеет заметно-меньшую индуктивную связь .'с 4-й |
и 5-й секциями (а так |
же 4 / и 5 7 ), расположенными в соседнем пазу |
( М' & (0,28 -0,32) |
Ьг |
)• |
секции ь р 5 = (I - 0,32е ) = 0,9 |
|
Результирующая индуктивность 3-й |
|
Lc |
, а коэффициент демпфирования |
Qp~ 0,9. (В действительности в |
данной обмотке, вследствие одновременного размыкания секций 3 и З 7 ,
Qp |
возрастает и становится примерно равным 1,5). |
||
3-я секция (последняя в пазу) названа самостоятельно коммутирую |
|||
щей |
(или обособленной). При размыкании остаточного тока этой секции |
||
почти вся |
энергия (90%)’, запасенная в магнитном поле этой секции, |
||
выделится |
под щеткой в виде электрического разряда и, если при этом |
||
W |
щ> Y/щ Кр , то |
возникает искрение. |
|
Рассмотрим теперь ступенчатую обмотку, для чего в предыдущей |
|||
обмотке примем шаг |
Щ = 28 и получим дее коротких секции одну длин-. |
||
ную |
(рис. |
4.11,6). |
|
57
При размыкании I-й секции 2-я,рядом расположенная,- остаетс/Г зам кнутой накоротко. Следовательно, I-я секция, как й л предыдущем при
мере, будет несамостоятельно коммутирующей (необособленцой) |
и для |
|
||||
нее Lp, ~ 0,1 |
и |
Qpi~ 0 ,1. |
|
|
|
|
В других условиях при размыкании |
находится Z-п секция, |
левая |
сто |
|||
рона которой лежит в верхнем слое одного и того же .паза рядом |
со |
сто |
||||
роной короткозамкнутой 3-й |
секции. Правая сторона;2-й с.екцкк-находит |
|||||
ся последней в никнем елее паза 10 и |
не имеет тесной магнитной связи |
|||||
с нижней стороной 2-й секции, расположенной в следующем пазу |
И . |
|
||||
Взаимная индуктивность |
этих секций |
Mv = СО,45 - 0,55) Ьс |
|
В этом |
||
случае при. упрощенном расчете результирующая индуктивность 2 -й сек
ции Lp2 |
- Lc |
(I - 0,5^)-- |
0,75 Lc i |
а коэффициент демпфирования |
Cfp2 - |
0,75. |
При размыкании |
3-ii-секции |
эерхние. стороны-.3-Й .'и. 4-Я |
секций, расположены с разных пазах I и 2 , а нижние стороны - в одном пазу II. Взаимная индуктивность этих секций -MN ,= (0,72 - 0,77).
Поэтому приближенно Lp3 |
= Lc \l - 0,73^) =• О Д ^ с - |
•• а 0р3= ЬлЪд. |
|
Таким образом, в ступенчатой обмотке на |
паз .приходится две обо |
||
собленных (или скорее частично обособленных) |
секции, |
и. в отличие от |
|
равносекционной обмотки, |
имеющей одну обособленную секцию на паз, |
||
коэффициенты демпфирования в ступенчатой обмотке мекыце, чем в рав носекционной. Это обстоятельство является благоприятным длЯ укеньшения вероятности возникновения искрения, так как энергия;магнитного
поля секций слоя лаза дважды, |
но в меныдем количестве,; выделяется |
|||
под щеткой при. выходе из под |
нее наядой. вто|йй.:Л.:кая^Й'';т^^еЙ' кол4 |
|||
лекторной пластииы. В случае равносекционной обмотки эта.энергия^ |
||||
основном в большем количестве |
выделяется в. щёточном, контакте только |
|||
один раз при размыкании последней, секции |
Паза, при'.вьаодё;Кз-прд дет |
|||
ки каждой третьей коллекторной пластины. |
|
|
|
|
Изложенные выше теоретические -соображения-, подтверждаются экспери |
||||
ментальными исследованиями. Осциллограмма |
напряжения |
lip |
.насбегаю |
|
щем крае щетки представлена.на рис..4.13. |
Напряжение. |
Ир |
измерялось |
|
с помощью.специальной вспомогательной |
узкой щетки,''устано.вленной ря |
|
дом со сбегающим краем основной щетки |
и передающей на, осциллограф. |
|
потенциал коллекторной пластины (рис. 4. II ,а) . Другой, вывод вибрато |
||
ра осциллографа подключается непосредственно к рабочей |
щетке, машины, |
|
в качестве которой использовался двигатель постоянного |
тока 200 кВт, |
|
450 В, 500 А, 500 об/мин., имеющий равносёкционную простую: пет левую обмотку с lift = 3 (рис.4.13,а). Из рисунка видно:, что напряжение, меж-
58
Рис. 4.1.2. К bnr-еделенип реоультир^ лцей индуктивности Up размыкаемой секций
о о> ГО ОС tJjSl
Рис.. |
1.13. ОсципограмшИрдл* |
машин: а)ЭдГ-200В, У =Ь50об/мин. |
«п =3лзамедленная |
коммутация): 6) П0-550,П- =3000об/мин. |
|
|
Уг, =2 (ускоренная |
коммутация) |
ду щеткой и коллекторной пластиной» примерно ровное I В, в момент вы-
59
хода из-под щетки I-й и 2-й пластины лишь незначительно повышалось, но при выходе каждой 3-й пластины напряжение Up скачкообразно во-, зрастало до 3,5 В, что соответствует началу искрения под сбегающим
краем щетки (при-замедленной коммутации).
Приведенные выше расчеты коэффициента демпфирования, как было замечено ранее, являются приближёнными, так как не было учтено влия ние других короткозамкнутых секций, индуктивно связанных с размыкае мой секцией. Результаты более полных расчетов коэффициента Gp , вы полненных по методу Б.П.Толкунова [ '9 ] , приведены в табл.4 Л .
В машинах средней и большой мощности при относительно больших
размерах проводников обмотки якоря на процесс коммутации оказывают
влияние |
вихревые |
и контурные токи, возникающие в этих проводниках. |
|||
|
|
|
|
.Таблица 4.1 |
|
Коэффициенты демпфирования |
Qp для различных типов якорных |
||||
обмоток (без учета влияния вихревых и контурных токов) |
|||||
Тип |
Ревносекционная |
Ступенчатая |
Равносекцион |
Обмотка |
|
обмотки |
Уг* |
|
|
ная трехедой |
г,падкого |
якоря |
|
|
ная |
якоря |
|
Qp |
1,4? |
0*62-0,67 |
0,Ь5-0,Ъ0 |
0,53-0,57 |
0,£5-0,70 |
|
|
|
|
(0 ,5 •- нео- |
|
|
|
|
|
|
бособд.) |
Можно видеть, что это влияние будет возрастать на завершающем этапе коммутации в момент размыкания остаточного тока,'так как процесс раэт
мыкания протекает значительно быстрее процесса собственно коммутации, |
||||
а время размыкания Хр в десятки раз Меньше |
периода коммутации сек-* |
|||
ции Тн |
. В результате этого, демпфирующие свойства обмотки якоря |
|||
возрастают, а коэффициент демпфирования Q p |
заметно снижается, и |
|||
это зависит от конструктивного исполнения секций обмотки якоря. |
||||
В Ш М |
f 10 7 |
был разработан метод расчета |
коэффициента' демпфиро |
|
вания |
Qp |
с учетом влияния вихревых и контурных токов, а также |
||
сопротивления Ry |
контуров короткозамкнутых секций (в том числе со |
|||
противления щеточного |
контакта), В результате выполненных расчетов |
|||
для |
секций различного |
исполнения построены зависимости Qp |
( Т * , |
|
X |
» |
К <TL * R y* |
) (рис. 4 Л 4 Ь В качестве исходных величин |
|
приняты |
: относительная постоянная времени |
|
||
|
|
|
T * e fl06hz/f>6nT 7 |
(4.27) |
60