Синхронные машины. Машины постоянного тока

Заметное улучшение коммутации происходит также из-за возникновения в проводниках обмотки якоря вихревых и контурных (в сложных обмотках) токов. Часть нескомпенсированной энергии коммутируемых секций выделяется в виде тепла, создаваемого вихревыми токами, что должно быть учтено при расчете, путем уменьшения результирующей индуктивности секции.

Уменьшению искрения способствует увеличение длины коллектора, однако это ведет к увеличению габаритов и длины машины. Плотность тока под щетками не играет существенного значения, однако не следует выбирать ее чрезмерной, так как при перегрузках возможен перегрев отдельных коллекторных пластин. Особенно опасно это явление для двигателей постоянного тока, работающих в условиях затяжных пусков (например, для тяговых двигателей электровозов, экскаваторов и т.п.). Во избежание перегрева отдельных пластин и возникновения деформации коллектора плотность тока под щетками при длительных перегрузках таких машин не должна превышать 20 А/см2.

Важную роль в процессе коммутации играют щетки, которые по своей физической природе являются нелинейными сопротивлениями. При быстром увеличении плотности тока под сбегающим краем щетки сопротивление щетки резко возрастает, что ведет к уменьшению остаточного тока или полному его устранению, даже в случае, когда коммутация является неидеальной. В электрических машинах большой и средней мощностей применяют электрографитированные щетки с большим падением напряжения в скользящем контакте (2,4–3,5 В на пару щеток). Такие щетки получают в электропечах путем нагревания заготовок из угля и кокса до температуры 2000–2500° С, при этом они принимают структуру графита, а поэтому называются электрографитированными. На рис. 2.41 показаны типичные зависимости падения напряжения 2Δищ в контакте «коллектор – щетка» от плотности тока Δщ для электрографитированных (кривая 1) и угольно-графитных (кривая 2) щеток. Соответствующим выбором марки щетки часто удается улучшить коммутацию машины. В тихоходных машинах применяют твердые щетки с наибольшим переходным сопротивлением. Для быстроходных машин (при линейной скорости 40 м/с и выше) приходится брать мягкие щетки, хотя они быстрее изнашиваются и имеют меньшее переходное сопротивление.

Рис. 2.41 – Зависимости падения, напряжения под щетками от плотности тока

Таблица 2.2

Технические данные наиболее часто используемых марок щеток и области их применения приведены в табл. 2.2. Подбор щеток обычно производится экспериментально.

На характер коммутации оказывает также влияние дифференциальный поток рассеяния, проходящий по коронкам зубцов, и поток главных полюсов.

Дифференциальный поток рассеяния по коронкам зубцов Фz (см. рис. 2.42, а) замыкается через сердечник добавочного полюса. При вращении якоря изменяется положение середины паза с коммутируемыми секциями относительно сердечника (см. положения паза, показанные на рис. 2.42, а, б), что приводит к изменению потока Фz и периодическому изменению индуктивности секции Lc.

Рис. 2.42 – Изменение дифференциального потока рассеяния, проходящего по коронкам зубов, при перемещении паза с коммутируемыми секциями:

1 – сердечник добавочного полюса, 2 – паз

Величина реактивной э.д.с. будет при этом определяться выражением

                                            (2.60)

и может существенно отличаться от средней э.д.с. ер.ср. В результате возникает искрение под щетками. Для уменьшения дифференциального потока рассеяния целесообразно увеличивать зазор под добавочным полюсом. В машинах большой мощности этот зазор обычно делают равным 8 – 15 мм, соответственно увеличивая число витков обмотки добавочных полюсов. Иногда, для того чтобы уменьшить скорость изменения потока Фz, на наконечники дополнительных полюсов устанавливают короткозамкнутые витки. Такой виток выполняют из меди или бронзы в виде фланца; он одновременно служит конструктивной деталью, крепящей катушку добавочного полюса. Однако, улучшая коммутацию в стационарных режимах, короткозамкнутые витки будут ухудшать коммутацию при резких изменениях тока якоря.

Влияние главных полюсов на процесс коммутации заключается в том, что поток Фв, созданный обмоткой возбуждения, частично попадает в зону коммутации. При симметричной магнитной системе и чередующейся полярности главных полюсов, как это обычно имеет место, величина результирующего потока в зоне коммутации не изменяется, т.е. сохраняется условие ер.ср + ек.ср = 0. Однако поле в зоне коммутации деформируется, усиливаясь, с одной стороны, и уменьшаясь, с другой. На рис. 2.43 показано распределение индукции Вк в зоне коммутации: а – созданной м.д. с. Fдo6 добавочных полюсов; б – созданной м.д.с. Fв главных полюсов; в-результирующего магнитного поля. Нарушение симметрии магнитного поля в зоне коммутации приводит к неблагоприятному характеру коммутации; при этом токосъем переносится на край щетки[3].

Еще большие расстройства коммутации могут возникнуть из-за нарушения магнитной симметрии машины, например, в результате технологических отклонений при установке щеткодержателей, главных или добавочных полюсов, когда изменяется поле в зоне коммутации. Чтобы уменьшить влияние поля главных полюсов на процесс коммутации, снижают величину полюсного перекрытия αi = bi/τ, так чтобы соблюдалось условие (1–αi)τ ≥ 2,5bз.к В машинах малой мощности, кроме того, увеличивают ширину наконечника добавочного полюса, который «экранирует» зону коммутации от потока главного полюса.

Рис. 2.43 – Распределение индукции Вк в зоне коммутации

В машинах с компенсационной обмоткой м.д. с. главных полюсов меньше, а следовательно, влияние поля главных полюсов на процесс коммутации меньше. Это позволяет несколько увеличивать полюсную дугу, т.е. коэффициент полюсного перекрытия αi.

Особенно велико влияние поля главных полюсов на коммутацию в машинах с несимметричной магнитной системой и в машинах с расщепленными полюсами. При этом изменение потока возбуждения приводит к изменению результирующего потока в коммутационной зоне, а следовательно, и к изменению среднего значения коммутирующей э.д.с. Это обстоятельство затрудняет создание мощных машин с расщепленными полюсами (электромашинных усилителей и регулируемых одноякорных преобразователей).

Оценка коммутационной напряженности машины. Качество коммутации проверяется визуально или при помощи специальных приборов (индикаторов искрения) во время контрольных стендовых испытаний. Однако часто, чтобы составить прогноз работы машины в эксплуатации, необходимо оценить напряженность коммутации теоретически. Такая необходимость возникает как при проектировании машины, так и при выборе типа машины для определенного технологического процесса, характеризующегося величиной и частотой перегрузок, вибрациями машины, частотой пусков, реверсов и т.д.

Наиболее распространенным критерием напряженности коммутации является средняя величина реактивной э. д. с, так как искрение возникает из-за неполной ее компенсации. Однако вполне определенного допускаемого значения реактивной э.д.с. установить не удалось, и различные заводы и фирмы придерживаются своих норм, ограничивая значение этой э.д. с. 3–10 В. Так, например, по рекомендациям завода «Электросила» в машинах большой мощности с петлевой и лягушачьей обмотками реактивная э.д.с. ер.ср при номинальной нагрузке не должна превосходить 7–10 В (меньшие значения относятся к быстроходным машинам с n ≥ 3000 об/мин). При волновых обмотках, которые применяют в машинах с током до 400 А и в тихоходных машинах с большим числом полюсов, реактивная э.д. с. не должна превышать 5 В. В машинах средней мощности с диаметром якоря до 30 см, в которых обычно применяют волновые обмотки с несколькими витками в секциях, значение ер.ср должно быть не более 2,5 – 3 В.

Другой критерий основан на определении величины электромагнитной энергии или мощности, выделяющейся под краем щетки при искрении в процессе коммутации. Электромагнитная энергия, выделяющаяся в возникающей дуге при разрыве остаточного тока iост = 2iпΔ = 2uпIaΔ,

,                         (2.46)

где

 –

степень некомпенсации реактивной э.д.с.

Соответствующая мощность, выделяющаяся под краем щетки при искрении и постоянно действующем расстройстве коммутации,

Pa = mWv,                                                                                     (2.62)

где m – число разрывов остаточного тока в секунду.

Так как искрение возникает при коммутации тока в каждой последней секции паза, то каждый разрыв остаточного тока соответствует перемещению коллектора на uп коллекторных делений. Следовательно,

.

При этом мощность

.                     (2.62а)

Величина представляет собой реактивную э.д.с. ер, вычисленную в предположении, что щетка перекрывает одну коллекторную пластину, (по формуле 2.32а), поэтому

,                                       (2.62б)

где iп = uпia – полный ток во всех секциях, лежащих в каждом слое паза.

Таким образом, при заданных технологии и условиях эксплуатации мощность, выделяющаяся под щеткой при искрении, зависит от полного тока паза 2iп и величины реактивной э. д. с, вычисленной в предположении, что bщ=tк.

Для более полной оценки напряженности коммутации по величине мощности, выделяющейся под щеткой при искрении, необходимо учитывать коммутационные свойства самих щеток. При расстройстве коммутации и применении электрографитированных, графитовых и угольно-графитных щеток искрение возникает равномерно по всей длине коллекторных пластин (при искрении коллекторные пластины обычно имеют по всей длине равномерный подгар с одного края), в результате чего происходит равномерная эрозия щеток и коллекторных пластин. Износ щетки будет зависеть от удельной мощности, выделяющейся на единице длины края щетки:

.                                           (2.63)

При этом kщ = iпeр.п/lщ является мерой оценки коммутационной напряженности машины. Обычно коммутация машины не вызывает затруднений, если kщ < 500 Вт/см. В общем случае величина kщ должна уточняться для каждого типа машины, исходя из особенностей ее технологии изготовления и условий эксплуатации. При этом должно учитываться демпфирующее действие вихревых токов в проводниках якоря, особенно заметное в машинах большой мощности.

Проведенные исследования показали, что если удельная мощность ри.уд, выделяющаяся под краем щетки, менее 1 Вт/см, то современные электрографитированные щетки уменьшают остаточный ток настолько, что искрения совершенно не наблюдается, т.е. для безыскровой коммутации необходимо, чтобы

 Вт/см.                                                      (2.64)

Из (2.64) можно определить ориентировочную величину допустимой степени некомпенсации

Или

.                                                    (2.65)

Режимы, при которых Δпр% ≤ 1 ÷ 2%, неизбежно сопровождаются искрением под щетками. Интенсивность износа коллекторных пластин должна оцениваться величиной kк = (km/z) 2 р, так как искрение, повреждающее данную пластину, возникает при выходе пластины из-под каждого щеткодержателя, число которых обычно равно числу полюсов 2 р, а число искрящих пластин равно числу пазов z. Рекомендуется, чтобы предельно допустимая величина kк не превосходила 20 – 30 Вт/см (при этом не будет чрезмерного износа коллектора).

Экспериментальная проверка коммутации и настройка добавочных полюсов. Обычно машины постоянного тока при выпуске с завода проходят контрольные испытания, в которые входит и проверка качества коммутации (обычно визуальная). Головные образцы машин проходят более основательную проверку коммутации, в процессе которой путем изменения величины воздушных зазоров в магнитной цепи добавочных полюсов устанавливают оптимальную величину коммутирующей э.д.с.

Основным методом проверки и наладки коммутации является экспериментальное определение зоны безыскровой работы (путем подпитки обмотки добавочных полюсов). Для этой цели в обмотку добавочных полюсов от специального генератора (рис. 2.44) подают дополнительный ток ΔI (ток подпитки), вследствие чего изменяется ее м.д.с. Fдo6. При этом изменяются индукция Вк в зоне коммутации и величина коммутирующей э.д.с. ек.ср. При проведении опыта, постепенно увеличивая м. д. с. добавочных полюсов, добиваются появления искрения под щетками и фиксируют ток подпитки +ΔI Затем изменяют направление тока подпитки и повторяют опыт, добиваясь снова появления искрения под щетками при токе – ΔI. Этот опыт проводят при постоянной частоте вращения n и различных значениях тока якоря. По полученным данным строят зону безыскровой работы машины (см. заштрихованную зону на рис. 2.45). Обычно при построении зоны безыскровой работы величину тока подпитки выражают в процентах от номинального тока якоря. Ширина зоны безыскровой работы характеризует устойчивость коммутации машины при случайных отклонениях условий коммутации от оптимальных, что всегда имеет место в эксплуатации. При номинальном режиме предельная допустимая неточность компенсации реактивной э.д.с. примерно равна половине ширины зоны безыскровой работы: Δпред% ≈ 0,5bв.ном%.

Рис. 2.44 – Схема экспериментальной установки для определения зоны безыскровой работы:

Я1 – якорь исследуемой машины: ОВ1 – ее обмотка возбуждения;

ДП – ее обмотка добавочных полюсов; Я2 – якорь вспомогательного генератора;

ОВ2 – его обмотка возбуждения

Рис. 2.45. Зоны безыскровой работы машины постоянного тока

Обычно добавочные полюсы настраивают так, чтобы середина зоны безыскровой работы соответствовала току подпитки, равному нулю. Этому режиму отвечает слегка ускоренная коммутация. Исключение составляют машины, работающие в широком диапазоне изменения частоты вращения. В этом случае также нужно настраивать добавочные полюсы по средней линии зоны безыскровой работы, но зону снимать при частоте вращения машины, близкой к максимальной (рис. 2.45, а). При такой настройке добавочных полюсов в области малых частот вращения машина будет недокоммутирована, т.е. поле в зоне коммутации будет слишком слабым (средняя линия ab зоны безыскровой работы на рис. 2.45, б лежит в области положительных значений тока подпитки ΔI).

Это объясняется тем, что при снижении частоты вращения уменьшается абсолютное значение реактивной э.д.с. и увеличивается роль падения напряжения в переходном контакте между щеткой и коллектором, которое не зависит от частоты вращения. В результате резко расширяется область допустимой перекоммутации, т.е. можно было бы увеличить м. д. с. добавочных полюсов. Несоответствие м. д. с. добавочных полюсов оптимальному расположению зон безыскровой работы при малых частотах вращения не имеет практического значения, так как в рассматриваемых режимах машина менее нагружена в коммутационном отношении и имеет более устойчивую коммутацию, чем при большой частоте вращения[4].

2.8 Генераторы постоянного тока

Свойства генераторов постоянного тока определяются в основном способом питания обмотки возбуждения. В зависимости от этого различают генераторы:

1) с независимым возбуждением–обмотка возбуждения получает питание от постороннего источника постоянного тока;

2) с параллельным возбуждением–обмотка возбуждения подключена к обмотке якоря параллельно нагрузке;

3) с последовательным возбуждением–обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря и нагрузкой;

4) со смешанным возбуждением–имеются две обмотки возбуждения: одна подключена параллельно нагрузке, а другая – последовательно с нею.

Рассматриваемые генераторы имеют одинаковое устройство и отличаются лишь выполнением обмотки возбуждения. Обмотки независимого и параллельного возбуждения, имеющие большое число витков, изготовляют из провода малого сечения, а обмотку последовательного возбуждения, имеющую небольшое число витков, – из провода большого сечения. Генераторы малой мощности иногда выполняют с постоянными магнитами. Свойства таких генераторов близки к свойствам генераторов с независимым возбуждением.

Генератор с независимым возбуждением. В этом генераторе (рис. 2.46) ток возбуждения Iв не зависит от тока якоря Iа, который равен току нагрузки Iн. Величина тока Iв определяется только положением регулировочного реостата rр.в, включенного в цепь обмотки возбуждения:

,                                                   (2.66)

где Uв – напряжение источника питания; rв – сопротивление обмотки возбуждения; rр.в-сопротивление регулировочного реостата.

Обычно ток возбуждения невелик и составляет 1–3% от номинального тока якоря.

Основными характеристиками, определяющими свойства генераторов постоянного тока, являются характеристики холостого хода, внешняя, регулировочная и нагрузочная.

Рис. 2.46. Принципиальная схема генератора с независимым возбуждением

Характеристикой холостого хода (рис. 2.47, а) называют зависимость U0 = f(Iв) при Iн= 0 и n = const. При холостом ходе машины, когда цепь нагрузки разомкнута, напряжение U0 на зажимах якоря равно э.д.с. Е = сеФn.

Обычно частота вращения якоря n поддерживается неизменной и напряжение при холостом ходе зависит только от величины магнитного потока Ф, т.е. оттока возбуждения Iв. Поэтому характеристика U0 = f(Iв) подобна магнитной характеристике Ф = f(Iв)

Рис. 2.47 – Характеристики генератора с независимым возбуждением

Характеристику холостого хода легко снять экспериментально. Вначале устанавливают ток возбуждения таким, чтобы U0 ≈ 1,25Uном; затем уменьшают ток возбуждения до нуля и снова увеличивают до прежнего значения. При этом получаются восходящая и нисходящая ветви характеристики, выходящие из одной точки. Расхождение этих ветвей объясняется наличием гистерезиса в магнитопроводе машины. При Iв = 0 в обмотке якоря потоком остаточного магнетизма индуктируется остаточная э.д.с. Еост, которая составляет 2–4% от Uном.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18