Лекции / Лекция 30 Теории коммутации МПТ
.pdfприменяют анизотропные щетки, у которых поперечное сопротивление щетки существенно больше продольного, по которому протекает основной ток iа . Таким образом, удается уменьшить добавочный ток
iд без увеличения потерь в щеточном контакте от основного тока iа .
Улучшение коммутации путем уменьшения реактивной ЭДС.
Этот метод в первую очередь относится к машинам, не имеющим дополнительных полюсов. Значение реактивной ЭДС может быть получено по формуле Пихельмайера:
eр 2wsl Ava ,
где ws - число витков в секции, l - расчетная длина якоря, A - ли-
нейная нагрузка, va - окружная скорость якоря, - удельная магнит-
ная проводимость для потоков рассеяния коммутируемых секций.
Из последней формулы видно, что уменьшить реактивную ЭДС можно путем уменьшения входящих в нее величин. При проектировании машин постоянного тока стремятся увеличить число секций обмотки якоря, чтобы уменьшить число витков в каждой из них (обычно у машин средней и большой мощности ws 1). Стремятся также
уменьшить длину якоря за счет увеличения его диаметра. С повышением мощности машины для уменьшения реактивной ЭДС снижают номинальную частоту вращения (окружную скорость якоря va ).
Уменьшать линейную нагрузку якоря A для снижения eр , в боль-
шинстве случаев нецелесообразно, так как при этом увеличиваются размеры машины.
Уменьшение результирующей удельной магнитной проводимости достигается путем использования менее глубоких, но более широких открытых пазов на якоре (уменьшается проводимость пазового рассеяния), а также обмоток с укороченным шагом y1 (при этом часть
сторон коммутируемых секций, которые при диаметральном шаге располагались бы в одном пазу, перемещаются в соседние пазы, вследст-
вие чего ЭДС взаимной индукции eм уменьшается). |
|
|
|||
Уменьшение eр может |
быть достигнуто применением |
более |
|||
широких щеток (увеличением |
щ ). При этом увеличивается период |
||||
коммутации секции, уменьшается скорость изменения тока |
d |
i |
в |
||
dt |
|||||
|
|
к.с. |
|
||
ней и ЭДС самоиндукции es . Несмотря на то, что при этом возрастает
количество индуктивно связанных с ней секций, реактивная ЭДС уменьшается.
Практикой установлено, что для удовлетворительной коммута-
ции среднее значение e eр eвр в секции не должно превышать
0,5..0,7 В.
Улучшение коммутации путем создания коммутирующего поля в зоне коммутации. Наиболее целесообразным способом улучшения коммутации является компенсация реактивной ЭДС. Для этого в зоне, где располагаются проводники коммутируемых секций, необходимо создать такое магнитное поле, чтобы ЭДС вращения имела направление, противоположное направлению реактивной ЭДС и была бы равна или несколько превышала ее. Такое магнитное поле и наводимую им ЭДС называют соответственно коммутирующим полем и коммутирующей ЭДС eк . Если eр eк 0, то в машине будет прямолинейная
коммутация, а если eр eк 0, то коммутация будет носить ускорен-
ный характер. Для того чтобы получить оптимальную ускоренную коммутацию, следует увеличить ЭДС eк принять ее равной eк 1,1..1,15 ep .
Получить коммутирующее поле можно двумя путями: с помощью дополнительных полюсов и сдвигом щеток с геометрической нейтрали.
Создание коммутирующего поля с помощью дополнительных
|
полюсов |
является |
наилучшим |
||
|
способом |
улучшения |
коммута- |
||
|
ции в машинах постоянного то- |
||||
|
ка. В настоящее время дополни- |
||||
|
тельные |
полюсы |
применяются |
||
|
во всех машинах мощностью 1 |
||||
|
кВт и выше. |
|
|
|
|
|
Дополнительные |
полюсы |
|||
|
располагаются между основны- |
||||
|
ми полюсами по поперечной оси |
||||
|
машины |
(по |
геометрическим |
||
|
нейтралям), как показано на рис. |
||||
|
3.12. Щетки у машин с дополни- |
||||
Рис. 3.12. Схема установки допол- |
тельными полюсами также ус- |
||||
танавливаются |
на |
геометриче- |
|||
нительных полюсов |
ской нейтрали. |
Число дополни- |
|||
тельных полюсов обычно равно числу главных полюсов. Сердечники этих полюсов обычно собирают из отдельных листов электротехнической стали.
Магнитное поле дополнительного полюса создается катушкой, расположенной на его сердечнике. Катушки полюсов соединяются между собой, образуя обмотку возбуждения дополнительных полюсов. Полюсы должны иметь чередующуюся полярность, которая должна быть согласована с полярностью главных полюсов. Полярность каждого из дополнительных полюсов выбирается так, чтобы наводимая его полем ЭДС eк была направлена навстречу реактивной ЭДС. Как пока-
зано на рис. 3.12, если машина работает в режиме генератора, то дополнительный полюс должен иметь полярность следующего за ним (по направлению вращения якоря) главного полюса. В двигательном режиме полярность дополнительного полюса соответствует полярности предшествующего ему (по направлению вращения якоря) главного полюса. Магнитный поток дополнительных полюсов d имеет встречное направление по отношению к магнитному потоку якоря в зоне коммутации q .
Для того чтобы компенсация реактивной ЭДС происходила при любых значениях тока якоря, необходимо, чтобы магнитный поток дополнительного полюса и коммутирующая ЭДС изменялись, так же как реактивная ЭДС, пропорционально этому току. Для этого обмотка дополнительных полюсов включается последовательно с обмоткой якоря. Кроме того, магнитная цепь дополнительных полюсов должна быть ненасыщена, так как только при этом условии индукция
коммутирующего поля Bк и,
следовательно, ЭДС eк будут
пропорциональны току якоря. Поэтому воздушный зазор под дополнительными полюсами увеличивают по сравнению с зазором под главными полюсами. Увеличение воздушного зазора уменьшает пульсацию магнитного потока под полюсом из-
за зубчатого строения якоря, что также благоприятно сказывается на коммутации.
Создание коммутирующего поля путем сдвига щеток. Сдвиг щеток с геометрической нейтрали для получения коммутирующего
поля применяется в машинах, не имеющих дополнительных полюсов. Щетки сдвигаются с нейтрали таким образом, чтобы коммутируемые секции располагались за физической нейтралью, в зоне, где имеется поле главных полюсов. Щетки следует сдвигать с геометрической нейтрали по направлению вращения якоря у генераторов и против направления вращения – у двигателей.
Этот способ улучшения коммутации имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что компенсацию реактивной ЭДС при неизменном положении щеток можно получить только для одного значения тока якоря. Другой недостаток состоит в том, что этот способ можно применять только для машин с неизменным направлением вращения якоря.
При коммутации возникают электромагнитные колебания с частотой в несколько тысяч герц. Эти колебания вызывают радиопомехи, затрудняющие работу радиотехнической аппаратуры. Для борьбы с помехами обмотку дополнительных полюсов разбивают на две части, которые подсоединяют к щеткам разной полярности (рис. 3.13). Для того, чтобы эти высокочастотные колебания не выходили за пределы машины, между ее корпусом и выводами обмотки якоря включают конденсаторы (емкостной фильтр).
1
iк max
ia
2iраз
iраз
Оценка коммутирующей способности электрощеток.
Коммутирующая способность электрощеток определяется двумя факторами. Во-первых, каждая щетка для обеспечения удовлетворительной коммутации должна создать хороший контакт в механическом отношении; зависящий в основном от упругих свойств щетки и ее фрикционных характеристик. Во-вторых, щетка должна оказывать воздействие на ток ком-
Òмутируемого контура и в за-
Рис. 3.14. Изменение тока в коммутируемой секции на последних стадиях коммутационного цикла: 1 – при замедленной коммутации; 2 – при сильно ускоренной коммутации
вершающей фазе процесса обеспечивать отсутствие тока в сбегающей части щетки к моменту окончания коммутации.
Многочисленные экспериментальные исследования пока-
зали, что на завершающих стадиях коммутационного процесса происходит резкое уменьшение добавочного тока коммутации. Наличие коммутирующей способности у щеток ясно видно при рассмотрении осциллограмм добавочного тока (рис. 3.14). Если бы щетка выполняла роль рубильника, то ток разрыва соответствовал бы току, iк max.
Таким образом, щетки улучшают процесс коммутации при недокоммутации и перекоммутации, что невозможно добиться другими методами.
Коммутирующую способность щеток можно связать с ее вольтамперной характеристикой. О. Г. Вегнер вводит понятие о вынуждающей коммутирующей ЭДС
eк Uщ2 Uщ1 ,
При замедленном процессе коммутации плотность тока под сбегающей частью щетки больше, чем набегающей и Uщ2 Uщ1 . В
этом случае вынуждающая коммутирующая ЭДС действует встречно добавочному току коммутируемой секции, т.е. стремится ускорить процесс изменения тока.
Зависимость величины eк от свойств щетки, ярко выраженных в характере ее вольт-амперной характеристики, поясняется рис. 3.15 а, б.
Uщ,В
|
iк |
|
|
|
3 |
2 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
eк3 |
|
|
|
|
|
|
eк1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i1 |
|
|
|
|
eк2 |
|
i2 |
|
|
|
|
|
n |
1 |
2 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uщ1 |
|
eк |
Uщ2 |
|
|
|
|
2ia |
J1 |
J2 |
J,А/см2 |
||
Рис. 3.15. Направление добавочного тока iк |
и вынуждающей комму- |
|||||
тирующей ЭДС eк |
(а) и зависимость величины ЭДС eк от вида вольт- |
|||||
амперных характеристик щеток (б): 1 – Uщ const ; 2 – rщ const
Влияние различных марок щеток на характер процесса коммутации очевиден из сравнения безыскровых зон, построенных в виде зависимости тока Iп в долях номинального тока Iном якоря от тока яко-
ря (рис. 3.16).
Iп / Iном ,% |
Iп | Iном ,% |
I, À |
I, À |
Iп / Iном ,% |
Iп / Iном ,% |
I, À |
I, А |
Рис. 3.16. Безыскровые зоны машины, снятые при работе с разными марками щеток ( I 30 А, n 1500 об/мин)
Одна и та же машина ПН-145 при щетках ЭГ-14 и Г-20 коммутирует с недокоммутацией, а при щетках ЭГ-74А и ЭГ-4 – с перекоммутацией. Сравнение безыскровых зон свидетельствует о большой коммутирующей способности щетки Г-20. Следовательно, коммутирующую способность щетки можно оценить по ширине безыскровой зоны.
Улучшение коммутации применением составных щеток. Со-
ставные щетки, применяемые в настоящее время, можно подразделить на следующие группы:
1. Разрезные щетки, предназначенные для уменьшения дополнительного тока от ЭДС ep самоиндукции и обеспечивающие более бла-
гоприятную работу контакта в механическом отношении. Щетки данной группы широко распространены в настоящее время в реверсируемых машинах.
2. Комбинированные щетки, представляющие собой комбинацию из двух частей различного материала, при этом элемент щетки, расположенный со стороны набегающего края, выполняется из материала с малым сопротивлением щеточного контакта (металлографит), а элемент сбегающего края щетки – из материала с повышенным сопротивлением (электрографит).
Использование данного типа составных щеток ускоряет коммутацию за счет разности переходных сопротивлений в набегающей и сбегающей частях щеточного контакта.
a
б
ia
i
ia ia
i1 i2
n
1 2
2ia
1
2
ia
Составные |
щетки этой |
|
|
группы наиболее целесообраз- |
T |
||
но использовать |
в |
машинах |
|
малой мощности, которые, как |
Рис. 3.17. Схема коммутируемого |
||
правило, не имеют |
дополни- |
||
тельных полюсов. |
|
|
контура (а) и кривые тока при со- |
|
|
ставных щетках (б) |
|
На рис. 3.17, б представ- |
|||
лена кривая тока коммутируемой секции для щетки, составленной из двух равных по ширине частей: пары МГ-2 (часть А) и ЭГ-74 (часть В). Следует отметить, что двухступенчатость кривой выражается тем ярче, чем контрастнее щетки. Ускоряющее воздействие составных щеток объясняется следующим образом. Первый этап коммутации происходит при перекрытии коллекторных пластин 1-2 металлосодержащей частью А щетки (рис. 3.17, а). Щетка работает с постоянным падением напряжения Uщ1 const, кривая изменения тока соответст-
вует штриховой кривой 1. Если составные части щетки равны, то второй этап коммутации начинается при t 0,5T . В момент перекрытия коллекторных пластин частью В щетки в коммутируемом контуре скачкообразно увеличивается Uщ , так как Uщ2 значительно боль-
ше Uщ1 . Это равносильно тому, что в контур вводится добавочная коммутирующая ЭДС
eк Uщ2 Uщ1 ,
имеющая направление, встречное по отношению к ЭДС самоиндукции, что вызывает резкое ускорение коммутации тока секции (кривая 2
на рис. 3.17).
Чем большую ЭДС самоиндукции необходимо скомпенсировать, тем большей контрастности следует выбирать составные части щетки. Очевидно, что при составных щетках изменение направления вращения якоря не допустимо.
Широко распространены, например, следующие пары: