Способы улучшения коммутации тока тяговых электродвигателей

Способы улучшения коммутации тока тяговых электродвигателей

Коммутация. При вращении якоря секции его обмотки попеременно проходят под полюсами разной полярности и тем самым переключаются из одной параллельной ветви в другую. Процесс переключения секций из одной параллельной ветви в другую, называемый коммутацией, сопровождается изменением тока в секции и замыканием этой секции щеткой накоротко. Секции, замкнутые накоротко в процессе коммутации, называются коммутируемыми секциями. Коммутация в секции начинается с момента, когда коллекторные пластины перекрываются набегающим краем щетки, а заканчивается в момент выхода указанных коллекторных пластин из-под сбегающего края щетки. Рассмотрим процесс коммутации в одной из секций обмотки якоря при различных положениях щетки. Для простоты будем считать, что ширина щетки равна ширине коллекторной пластины. В начале коммутации (рис. 60, а) щетка перекрывает коллекторную пластину 1 и ток якоря /я разветвляется на две части, при этом по каждой параллельной ветви (правой и левой) протекают токи /я/2. В процессе вращения якоря щетка начинает перекрывать две коллек • торные пластины 1 я 2, при этом замыкает накоротко коммутируемую секцию /, 4, обо-

значаемую жирной линией. В момент равномерного перекрытия пластин / и 2 (рис. 60, б) через коммутируемую секцию ток протекать не будет, а в параллельных ветвях будут протекать токи /я/2.

В конце коммутации (рис. 60, в) щетка вновь будет перекрывать пластину 2, Ток в ком-мутируемой секции будет направлен противоположно его направлению в начале коммутации (см. рис, 60, а),

Таким образом, за время коммутации, определяемое частотой вращения якоря, рассматриваемая секция переходит из левой параллельной ветви в правую, За этот период токи в проводниках 2 и 3 остаются неизменными, равными /н/2, так как проводник 2 остается все время в правой, а проводник 3 — в левой параллельной ветви. Ток же в секции 1, 4 изменяется. В начальный период он уменьшается до нуля, это происходит в момент, когда щетка перекроет одинаковую площадь коллекторных пластин / и 2, дальнейшее движение секции /, 4 изменит направление тока на обратное, и он начнет увеличиваться. В конце периода коммутации к моменту схода щетки с коллекторной пластины / ток достигнет значения /я/2. Секция /, 4 в этот период будет находиться в первой ветви обмотки якоря (см. рис. 60, в).

Рассмотренный процесс коммутации не вызывает каких-либо неприятных последствий. Однако в обычных условиях работы тяговых двигателей коммутация протекает более сложно. Изменение тока от +1я/2 до —/я/2 происходит очень быстро—-примерно за 0,0001—0,001 с, а щетка перекрывает одновременно несколько коллекторных пластин. Измеиеиие тока в коммутируемых секциях приводит к изменению магнитного потока, который пронизывает проводники соседних секций. В результате этого в коммутируемой секции возникают э. д. с. самоиндукции и э. д. с. взаимоиндукции, совместно они представляют реактивную э. д. с. «р, В замкнутой накоротко секции реактивная э. д. с. ер вызывает

добавочный ток коммутации /н •= ер/гк. Сопротивление короткозамкнутой секции гк обычно очень мало и поэтому ток /к достигает больших значений.

Ток /к увеличивает общий ток в коммутируемой секции и сильно влияет на характер коммутации. Ввиду того что ток в коммутируемой секции в процессе коммутации стремится уменьшиться, а затем изменить свой знак, э. д, с. ер и ток коммутации /„ согласно правилу Леица должны противодействовать этому уменьшению; следовательно, в первую половину периода коммутации оии будут иметь направление, совпадающее с направлением тока в коммутируемой секции. Ток коммутации /к уменьшает ток *, (рис. 61) под набегающим краем щетки и увеличивает ток !а под сбегающим краем. Плотность тока под щетками становится неравномерной — повышенной под сбегающим краем щетки и пониженной под небагающим. В момент схода щетки с коллекторной пластины плотность тока может достичь большого значения, что приведет к повышенному искрению.

Рис. 62. К оценке качества коммутации:

Щ — — щетка; КП — коллекторная пластина; X — место образования искры

При неблагоприятном процессе коммутации между щеткой и пластиной может появиться электрическая дуга. Дуга может переходить от пластины к пластине, что приведет к возникновению кругового огня.

Для оценки качества коммутации применяют специальную шкалу, которая включает в себя пять степеней искрения (рис. 62). Нормальными для продолжительной работы двигателя считаются степени искрения 1, и 1 */я. Работа тягового двигателя со степенью искрения 2 допускается лишь при кратковременных перегрузках, а со степенью искрения 3, как правило, не допускается.

. Способы улучшения коммутации. Причин неудовлетворительной коммутации тяговых двигателей много, однако основной причиной искрения под щетками является добавочный ток коммутации /н, вызванный реактивной э. д. с. ер, следовательно, улучшить коммутацию можно уменьшением реактивной э. д, с. ер, уменьшением тока коммутации /н путем увеличения сопротивления в цепи коммутируемой секции и создания компенсирующей э. д. с. ен в коммутирующих секциях. Для увеличения суммарного сопротивления в цепи коммутируемой секции подбирают электрографитированные щетки, имеющие большое сопротивление, кроме того, увеличивают переходное сопротивление между щеткой и коллектором. Уменьшение реактивной э. д. с. при меньшей индуктивности секции предусматривают в конструкции тягового двигателя: секции делают одновитковыми и пазы якоря открытыми и не очень глубокими, Так как индуктивность верхнего слоя всегда меньше индуктивности нижнего слоя, то для уравнивания индуктивности одну сторону каждой секции располагают в верхнем слое, а другую — в нижнем.

Качество коммутации зависит и от ширины щетки: чем больше щетка одновременно перекрывает пластин коллектора, тем больше коммутируется секций и, следовательно, увеличивается реактивная э. д. с.

Компенсирующую э. д. с. еп в тяговых двигателях создают с помощью системы дополнительных полюсов. Магнитное поле дополнительных полюсов воздействует на поле реакции якоря в зоне коммутации и индуктирует в коммутируемой секции компенсирующую э.д.с. ея. Так как э. д. с. ер зависит от тока якоря, то для обеспечения ее компенсации з. д. с. ек должна также зависеть от тока якоря. С этой целью катушки дополнительных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря. Если компенсирующая э. д. с. еп равна реактивной э. д. с. ер, то будут иметь место идеальные условия коммутации (/,

Рис. 63. Нескомпенсированная э. д. с. ер’, возникающая вследствие насыщения магнитной цепи дополнительных полюсов

медленным, вследствие чего в коммутируемой секции появится некомпенсированная э. д. с. ер, которая вызовет искрение под щеткой (рис. 63). Для увеличения предельной нагрузки насыщения магнитной цепи дополнительных полюсов их выполняют сплошными из литой стали, а поперечное сечение делают таким, чтобы индукция магнитного поля в стали сердечников была сравнительно небольшой, кроме этого, воздушный зазор под дополнительными полюсами делают значительно большим, чем под главными полюсами.

Источник

Способы улучшения коммутации на коллекторе

Автор: Евгений Живоглядов.
Дата публикации: 18 марта 2012 .
Категория: Статьи.

Для создания хороших условий коммутации необходимо прежде всего обеспечить надлежащее состояние коллектора и щеточного аппарата, чтобы устранить механические причины искрения. Ниже рассматриваются способы обеспечения необходимых электромагнитных условий коммутации. Эти способы направлены на уменьшение добавочного тока коммутации или тока короткого замыкания коммутируемой секции и сводятся к следующим мероприятиям: 1) созданию коммутирующей электродвижущей силы (э. д. с.) с помощью добавочных полюсов или сдвига щеток с геометрической нейтрали, 2) уменьшению реактивной э. д. с. и 3) увеличению сопротивления цепи коммутируемой секции.

Добавочные полюсы

Основным способом улучшения коммутации в современных машинах постоянного тока является создание коммутирующего магнитного поля с помощью добавочных полюсов.

Добавочные полюсы устанавливаются между главными полюсами (рисунок 1) и крепятся болтами к ярму индуктора. Намагничивающая сила добавочных полюсов F_д.п должна быть направлена против намагничивающей силы реакции якоря F_aq, чтобы скомпенсировать ее и создать сверх того коммутирующее поле B_к для компенсации реактивной э. д. с. e_r. Следовательно, при отсутствии компенсационной обмотки F_д.п > F_aq, а при наличии ее F_д.п + F_к.о > F_aq. В последнем случае требуемое значение F_д.п меньше, так как основная доля реакции якоря компенсируется компенсационной обмоткой.

Рисунок 1. Расположение и полярность добавочных полюсов

Учитывая сказанное, на основании рисунка 1 можно сформулировать правило.

За главным полюсом данной полярности по направлению вращения якоря в режиме генератора должен следовать добавочный полюс противоположной полярности, а в режиме двигателя – добавочный полюс той же полярности.

Так как величины F_aq и e_r пропорциональны току якоря, то для их компенсации F_д.п и B_к также должны быть пропорциональны току якоря. Для удовлетворения этого условия обмотку добавочных полюсов соединяют последовательно с якорем, а добавочные полюсы выполняют с ненасыщенной магнитной системой. Поэтому при номинальной нагрузке в них допускается индукция не больше 0,8 – 1,0 Т. Так как на отдельных участках ярма индуктора магнитные поля главных и добавочных полюсов складываются, то во избежание насыщения этих участков индукция главного поля в ярме должна быть не больше 1,3 Т. Сердечники добавочных полюсов изготавливаются массивными из стальной поковки или листовой стали.

При таком устройстве добавочных полюсов индуктируемая ими коммутирующая э. д. с.

С другой стороны, реактивная э. д. с. Также пропорциональна I_аv_а:

Потому соблюдение условия e_к = e_r при изменении нагрузки и скорости вращения достигается автоматически.

При относительно малом полезном магнитном потоке добавочных полюсов их намагничивающую силу F_д.п приходится брать большой, так как значительная часть F_д.п (75 – 85%) расходуется на компенсацию F_aq. По этой причине коэффициент рассеяния добавочных полюсов велик: σ_д = 3 – 5 при отсутствии компенсационной обмотки и σ_д = 2 – 3 при наличии ее. Если обмотка добавочных полюсов располагается далеко от якоря (рисунок 2, а), то возникает большой поток рассеяния. Для уменьшения рассеяния обмотку добавочных полюсов размещают ближе к якорю (рисунок 2, б), а в крупных машинах, кроме того, подразделяют воздушный зазор на две части путем создания второго немагнитного зазора между ярмом и сердечником добавочного полюса (рисунок 2, б) с помощью немагнитных прокладок (н.п.), например, из меди, дюралюминия или гетинакса.

Рисунок 2. Добавочные полюсы с неподразделенным (а) и подразделенным (б) немагнитным зазором

Добавочные полюсы применяются в машинах с P_н > 0,3 кВт. Обычно число добавочных полюсов берется равным числу главных, однако в машинах мощностью до 2 – 2,5 кВт иногда делают половинное число добавочных полюсов. Применение добавочных полюсов позволяет увеличить линейную нагрузку машины и тем самым уменьшить ее размеры и стоимость.

Коммутация создает электромагнитные колебания частотой 1000 – 3000 Гц, которые распространяются по электрической сети, присоединенной к машине. Эти колебания вызывают радиопомехи, затрудняющие работу радиоприемной и другой радиотехнической аппаратуры. Для борьбы с этими помехами производят симметрирование цепи якоря машины, то есть обмотки, включенные последовательно с якорем, в том числе и обмотку добавочных полюсов, разбивают на две части, которые присоединяют к щеткам противоположной полярности (рисунок 3). Кроме того, между щетками разных полярностей и корпусом машины присоединяют конденсаторы для шунтирования высокочастотных колебаний на зажимах машины.

Рисунок 3. Подавление радиопомех

Улучшение коммутации путем сдвига щеток

В машинах мощностью до нескольких сотен ватт добавочных полюсов не ставят. Коммутирующее поле при этом можно создать путем сдвига щеток с геометрической нейтрали, благодаря чему в зоне коммутации начнет действовать поле главных полюсов (рисунок 4). Чтобы индуктируемая этим полем в коммутируемой секции э. д. с. e_к имела правильное направление, поле главных полюсов в зоне коммутации должно быть направлено против поля реакции якоря.

Рисунок 4. Улучшение коммутации путем сдвига щеток с геометрической нейтрали

Для этого в генераторе щетки необходимо повернуть в сторону вращения, а в двигателе – наоборот (рисунок 4).

Если поток главных полюсов Ф_σ изменяется пропорционально току якоря (машины с последовательным возбуждением), то при определенном, фиксированном положении щеток можно достичь хороших условий коммутации в широком диапазоне изменения нагрузки. Если же Ф_σ = const, то наилучшие условия коммутации достигаются только при одной, определенной нагрузке.

Установку щеток производят на глаз, наблюдая за искрением.

Уменьшение реактивной э. д. с.

Для обеспечения хорошей коммутации необходимо, чтобы e_r ≤ 7 – 12 В.

Зависимость e_r от различных величин очевидна из равенства:

где: ξ – магнитная проводимость якоря, Г/м. В малых и средних машинах, а также в крупных тихоходных машинах с малой длиной якоря ξ = (5 – 8) × 10 -6 Г/м, а в крупных машинах с большой длиной якоря и в крупных быстроходных машинах ξ = (3,5 – 5) × 10 -6 Г/м; w_с – число витков секции; l_σ – расчетная длина якоря, м; A_а – линейная токовая нагрузка якоря, А/м; v_а – окружная скорость якоря, м/с.

При этом надо отметить, что уменьшение линейной токовой нагрузки якоря A_а нецелесообразно с точки зрения использования материалов, а величины v_а = π × D_а × n и l_σ определяются номинальной мощностью машины. Следовательно, ограничение e_r зависит от возможностей уменьшения w_с и ξ.

В машинах мощностью более 50 кВт всегда w_с = 1.

Уменьшение ξ возможно за счет ослабления взаимной индукции между коммутируемыми секциями, что достигается укорочением шага на величину не более одного зубцового деления и применением ступенчатой обмотки. В последнем случае взаимоиндуктивная связь между секциями ослабляется вследствие того, что если верхние стороны u_п секций находятся в одном пазу, то их нижние стороны располагаются в разных пазах (рисунок 5, б).

Рисунок 5. Укладка секций равносекционной (а) и ступенчатой (б) обмоток при u_п = 2

Для уменьшения e_r в петлевых обмотках выбирают также отношение K/p равным нечетному числу, так как при этом секции, охватывающие соседние полюсы, коммутируются со сдвигом на время поворота коллектора на половину коллекторного деления и взаимная индукция соответственно ослабляется. К уменьшению ξ приводит также уменьшение отношения глубины паза к его ширине и увеличение коэффициента щеточного перекрытия β_к, поскольку в последнем случае знаменатель выражения ξ = (Λ_L + Λ_M) / (β_к — (a/p — 1)) растет быстрее числителя. Здесь Λ_M – средняя суммарная проводимость для потоков взаимной индукции, Λ_L – проводимость секции на единицу длины якоря.

Определенное снижение ξ получается также, если увеличивать высоту сечения проводника в пазу якоря. В этом случае вследствие эффекта вытеснения тока во время коммутации уменьшается индуктивность проводника и секции.

В петлевых обмотках при отсутствии уравнителей первого рода токи отдельных параллельных ветвей различны и поэтому различны также реактивные э. д. с. секций, коммутируемых различными щетками, и намагничивающие силы реакции якоря в зонах различных добавочных полюсов. Однако намагничивающие силы всех добавочных полюсов равны, так как они определяются полным током якоря. Вследствие сказанного равновесие между реактивной и коммутирующей э. д. с. нарушается и наступает расстройство коммутации. При наличии уравнителей первого рода указанные неблагоприятные обстоятельства устраняются.

Перспективно применение машин постоянного тока с беспазовым якорем, в которых обмотка якоря укладывается и укрепляется на поверхности цилиндрического якоря. В этом случае потоки рассеяния (рисунок 6) ослабляются, и поэтому реактивная э. д. с. значительно уменьшается. Уменьшается также реакция якоря. Такие машины имеют тот недостаток, что немагнитный зазор между полюсами и якорем увеличивается и требуется значительно более сильная обмотка возбуждения.

Рисунок 6. Магнитные потоки рассеяния секции

Увеличение сопротивления цепи коммутируемой секции

в принципе возможно за счет выполнения «петушков» с повышенным сопротивлением. Однако это приводит к уменьшению коэффициента полезного действия (к. п. д.) машины, а также к увеличению плотности тока у сбегающего края щетки (рисунок 7, б). Кроме того, такие «петушки» ненадежны в работе.

Существенным является подбор щеток с надлежащими характеристиками. При тяжелых условиях коммутации лучше работают твердые графитные щетки с повышенным переходным сопротивлением переходного контакта, однако при этом электрические потери в переходном контакте и механические потери на трение также больше. Щетки с круто поднимающейся вольт-амперной характеристикой благоприятны с точки зрения уменьшения плотности тока на сбегающем краю щетки и способствуют улучшению коммутации. Медно-графитные щетки, обладающие малым переходным сопротивлением, применяются только в машинах на напряжение до 25 – 30 В.

Для улучшения коммутации предложен ряд других мер, которые, однако, не находят широкого применения.

Улучшение коммутаций при переходных режимах и пульсирующем токе

Выше основное внимание уделялось коммутации при нормальных установившихся режимах работы. При резких переходных режимах (толчкообразная и пульсирующая нагрузка, сильные перегрузки, короткие замыкания и т. п.), а также при питании машин постоянного тока, в особенности от однофазной сети (например, железные дороги, электрифицированные на переменном токе), условия коммутации ухудшаются.

Одной из причин ухудшения коммутации при указанных условиях может являться наличие трансформаторной э. д. с. e_тр, которая возникает при изменении магнитного потока главных полюсов. Компенсация этой э. д. с. с помощью добавочных полюсов практически невозможна, так как закономерности изменения e_тр и e_к различны. В частности, e_тр вовсе не зависит от скорости вращения. Поэтому в необходимых случаях принимают меры к уменьшению e_тр. Например, в тяговых двигателях постоянного тока, устанавливаемых на электровозах переменного тока с выпрямителями, обмотки возбуждения главных полюсов шунтируются активными сопротивлениями. Вследствие большой индуктивности обмотки возбуждения пульсирующая составляющая выпрямленного тока при этом будет ответвляться в шунтирующее сопротивление и поток главных полюсов не будет содержать этой составляющей.

При быстрых изменениях тока в цепи якоря поток добавочных полюсов вследствие возникновения вихревых токов в массивной магнитной цепи и создаваемых ими магнитных потоков не будет изменяться пропорционально току якоря и компенсация реактивной э. д. с. нарушится. Улучшить коммутацию при этом можно с помощью индуктивной катушки, присоединяемой параллельно обмотке добавочных полюсов. Если постоянная времени

индуктивной катушки значительно больше постоянной времени обмотки добавочных полюсов, то ток в этой катушке будет меняться весьма медленно по сравнению с током в обмотке добавочных полюсов. Поэтому резкие изменения тока якоря ΔI воспринимаются этой обмоткой, и так как через нее проходит только часть полного тока якоря, то относительное изменение тока в обмотке добавочных полюсов будет больше, чем в обмотке якоря. Такая «форсировка» тока обмотки добавочного полюса позволяет добиться более быстрого изменения его магнитного потока и тем самым компенсировать в определенной мере влияние вихревых токов в магнитопроводе. Однако наиболее эффективной мерой улучшения коммутации в машинах с резко изменяющейся нагрузкой или при сильных пульсациях питающего тока является изготовление сердечников добавочных полюсов, а также ярма машины из листовой электротехнической стали.

Эффективной мерой улучшения коммутации при резко переменной нагрузке является также применение компенсационной обмотки, которая предотвращает опасность возникновения кругового огня, а также улучшает условия действия добавочных полюсов.

При значительных перегрузках машины, а в особенности при коротких замыканиях. сердечники добавочных полюсов насыщаются прежде всего за счет больших потоков рассеяния. В этом случае с помощью добавочных полюсов уже нельзя обеспечить компенсацию реактивной э. д. с. и коммутация сильно ухудшается. При наличии компенсационной обмотки поток рассеяния добавочных полюсов значительно уменьшается, в результате чего область их правильного действия увеличивается.

Источник: Вольдек А.И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.

Источник