Основное уравнение коммутации в машинах постоянного тока

Видео:Схема двигателя постоянного тока. Устройство и принцип работы.Скачать

Коммутация машин постоянного тока

Основные явления. Коммутацией в электрических машинах называется процесс переключения секций обмотки из одной параллельной ветви в другую и связанные с этим явления. На рис. 1.13, а показана секция перед коммутацией на рис. 1.13,б – секция в процессе коммутации (замкнутая накоротко через щетки 1, 2), на рис. 1.13,в – секция после коммутации.

Процесс переключения секции протекает достаточно быстро: время коммутации одной секции, называемое периодом коммутации Тк, составляет примерно 0,001 – 0,0003 с. Явления, происходящие при коммутации, существенно влияют на надежность и долговечность работы машины постоянного тока.

При плохой коммутации появляется значительное искрение под щетками и связанное с ним обгорание коллектора.

Ток i в короткозамкнутой секции 2 за время Тк меняет свое направление на противоположное: от +Iа до – Iа (рис. 1.14), где Iа – ток в параллельной ветви. Вследствие изменения тока в секции наводится ЭДС самоиндукции

.

Кроме этого, коммутируемая секция, если щетки расположены на геометрической нейтрали, пересекает поперечное поле якоря и поэтому в ней наводится ЭДС , называемая ЭДС вращения, где B_П – индукция поперечного поля. Обе ЭДС вызывают ток коммутации i_К, который замыкается по цепи: секция, коллекторная пластина, щетка, коллекторная пластина, секция (штриховая линия на рис. 1.13,б). От сопротивления этой цепи, а также от значений и направления е_L и зависит значение и направление тока i_К. Кроме того, по коммутируемой секции протекает часть тока якоря.

Если е_L и направлены навстречу друг другу и равны, то е_L + = 0 и ток в коммутируемой секции изменяется по закону i = Iа (1 – 2t / Tк), т.е. линейно (рис. 1.14, прямая 1). В этом случае плотность тока под щеткой везде одинакова и не изменяется в процессе коммутации – искрение под щетками не наблюдается.

Однако практически е_L + ≠ 0. В этом случае ток i_К алгебраически суммируется с частью тока якоря в коммутируемой секции и общий ток в коммутируемой секции изменяется в соответствии с кривыми 2 или 3 (рис. 1.14). В первом случае коммутация называется замедленной, во втором – ускоренной. В обоих случаях плотность тока под щеткой неодинакова, особенно она велика в набегающей части щетки для генератора и в сбегающей – для двигателя. В результате возникает искрение под щеткой и на коллекторе.

Пути улучшения коммутации. В предыдущем параграфе были рассмотрены электромагнитные причины плохой коммутации. Однако к искрению под щетками могут приводить и механические причины: неравномерный износ коллектора и его вибрация, чрезмерный износ щеток, выступание отдельных коллекторных пластин и изоляции и т.д. С учетом этого улучшение коммутации возможно несколькими путями:

Ø обеспечением в машине прямолинейной или несколько ускоренной коммутации; это достигается созданием в зоне коммутации секции дополнительного магнитного поля такой величины и направления, чтобы е_L + = 0 ;

Ø увеличением сопротивления короткозамкнутой цепи секции в целях уменьшения тока короткого замыкания; это достигается применением твердых графитовых щеток с повышенным переходным сопротивлением (мягкие медно-графитовые щетки с малым переходным сопротивлением применяются только в тихоходных машинах на напряжение до 30 В);

Ø тщательным контролем за состоянием поверхности коллектора и щеток.

Главным средством улучшения коммутации в машинах средней мощности являются дополнительные полюсы. Магнитное поле дополнительных полюсов подбирается таким образом, чтобы е_L + = 0 или было несколько больше нуля.

Дополнительные полюсы устанавливаются у всех машин постоянного тока мощностью свыше 1 кВт. В крупных машинах применение дополнительных полюсов сочетается с установкой компенсационной обмотки. В машинах малой мощности (менее 1 кВт) коммутацию настраивают поворотом щеток по направлению вращения у генераторов, а у двигателей – против направления вращения за положение физической нейтральной линии. Практически это положение определяется на глаз по наименьшему искрению под щетками. Улучшение коммутации поворотом щеток – малоэффективный метод, так как при изменении нагрузки положение физической нейтральной линии изменяется, а положение щеток остается фиксированным.

Видео:Электрические машины постоянного тока, устройство и принцип действияСкачать

Процесс коммутации

Автор: Евгений Живоглядов.
Дата публикации: 20 августа 2014 .
Категория: Статьи.

Видео:Электродвигатель постоянного тока. Принцип работы.Скачать

Период коммутации

Период коммутации T_к представляет собой время, в течение которого секция замкнута накоротко щеткой и коммутируется.

В случае простой петлевой обмотки секция, изображенная на рисунке 1, а в виде петли, присоединяется к соседним коллекторным пластинам. При этом значение T_к равно времени перемещения коллектора, вращающегося с окружной скоростью v_к, на ширину щетки b_щ:

Рисунок 1. Определение периода коммутации

Обозначим: D_к – диаметр коллектора,

– коэффициент перекрытия (обычно β_к = 2,0 – 4,0, а при сложных петлевых обмотках β_к достигает 7,0). Тогда

(n – число оборотов якоря; K – число пластин коллектора) и для простой петлевой обмотки, согласно выражению (1),

(5)

При сложной, m-ходовой петлевой обмотке (рисунок 1, б) между началом и концом секции располагается m – 1 коллекторных пластин. При этом секция замкнута накоротко в течение времени перемещения коллектора на длину дуги b_щ – (m – 1) × b_к, и, следовательно,

Подставив сюда b_щ = β_к × b_к, число ходов обмотки m = a / p (где а – число пар параллельных ветвей обмотки; p – число пар полюсов) и значение v_к из формулы (4), получим

(6)

Выражение (6) действительно также для простой петлевой обмотки (a / p = 1) и, кроме того, как можно показать, для простой и сложной волновых обмоток.

Пусть, например, мы имеем машину с простой петлевой обмоткой и n = 1500 об/мин = 25 об/с, K = 100, β_к = 2,5. Тогда по формуле (5) или (6)

Таким образом, процесс коммутации протекает быстро и по отношению к внешней цепи машины является периодическим процессом с частотой порядка 1000 – 3000 Гц.

Видео:Машины постоянного тока. Обмотки якоря. Лекция №22Скачать

Уравнения коммутации

Исследуем закономерности коммутации секции для простой петлевой обмотки и примем сначала для простоты, что ширина щетки равна коллекторному делению (рисунок 2).

Рисунок 2. Последовательные моменты коммутации секции

Составим второе уравнение Кирхгофа для коммутируемой секции (рисунок 2):

где i – ток в коммутируемой секции, принимаемый положительным для начального момента коммутации (рисунок 2, а); i₁, i₂ – токи, протекающие через соединительные проводники («петушки») и коллекторные пластины 1 и 2 к щетке; r_с – сопротивление секции; r_п – сопротивление «петушка»; r_щ1, r_щ2 – сопротивление щеточного контакта между пластинами 1 и 2 и щеткой; ∑e – сумма электродвижущих сил, индуктируемых в коммутируемой секции в результате процесса самоиндукции в короткозамкнутой секции и других явлений.

Кроме того, для узловых точек а и б на рисунке 2 можно составить два первых уравнения Кирхгофа:

Процесс коммутации определяется изменением во времени токов i, i₁, i₂. Эти токи могут быть определены из уравнений (7) и (8), если известны все другие величины. Однако в общем случае решение этих уравнений весьма затруднительно. Действительно, i_а, r_с и r_п можно считать постоянными и заданными величинами. Однако r_щ1 и r_щ2 являются весьма сложными математическими трудно определимыми функциями токов i₁, i₂ и времени t. То же можно сказать и о сумме электродвижущих сил ∑e. Поэтому ниже, следуя так называемой классической теории коммутации, находим приближенное решение, которое позволяет выявить основные закономерности процесса коммутации и определить способы ее улучшения.

Подставим i₁ и i₂ из уравнений (8) и (7). Тогда получим

(9)

Первый член этого выражения представляет собой так называемый основной ток коммутации секции, а второй член – добавочный ток коммутации. Очевидно, что знаменатели в выражении (9) определяют сопротивление короткозамкнутого контура коммутируемой секции. Добавочный ток коммутации поэтому можно рассматривать как ток короткого замыкания секции, определяемый электродвижущей силой ∑e.

Видео:Реактивная мощность за 5 минут простыми словами. Четкий #энерголикбезСкачать

Коммутация сопротивлением, прямолинейная коммутация

Рассмотрим сначала случай, когда ∑e = 0. При этом в секции существует только основной ток коммутации. Изменение тока секции i определяется только изменением r_щ1 и r_щ2, вследствие чего этот случай называется коммутацией сопротивлением.

(10)

В классической теории коммутации принимается, что r_щ1 и r_щ2 обратно пропорциональны контактным площадям S₁ и S₂ пластин 1 и 2 со щетками (рисунок 2). При этом предполагается также, что токи i₁ и i₂ распределяются равномерно по этим площадям.

Пусть начало коммутации соответствует времени t = 0 (рисунок 2, а), а конец t = T_к (рисунок 2, в). Тогда при b_щ = b_к

(11)

где S – полная контактная площадь коллекторной пластины со щеткой в положении, показанном на рисунке 2, а и в.

Пусть, далее, переходное сопротивление между щеткой и пластиной в предельных положениях в соответствии с рисунком 2, а и в равно r_щ. Тогда при указанных выше предположениях

(12)

Подставим теперь значения r_щ1 и r_щ2 из (12) в (10). Тогда найдем, что

(13)

Зависимость i от t, согласно выражению (13), является линейной (рисунок 3, а). Такую коммутацию поэтому называют прямолинейной.

Рисунок 3. Прямолинейная (а) и криволинейная (б) коммутация сопротивлением

Установим распределение плотности тока под щеткой для этого случая коммутации. Плотности тока под сбегающим и набегающим краями щетки соответственно равны:

На рисунке 3, а для некоторого момента времени t в соответствии с уравнениями (8) показаны также значения токов i₁ и i₂. При этом из рисунка 3, а следует, что

(14)

Очевидно, что при прямолинейной коммутации (рисунок 3, а) α₁ = α₂ = const. Поэтому в течение всего периода коммутации также j_щ1 = j_щ2 = const.

Таким образом, при прямолинейной коммутации плотность тока под всей щеткой на протяжении всего времени коммутации неизменна, как если бы щетки находились на сплошном вращающемся контактном кольце, а не на коллекторе. Такой случай коммутации поэтому является теоретически идеальным.

Можно показать, что и при b_щ > b_к коммутация простой петлевой обмотки является прямолинейной, если только ∑e = 0 и r_с = r_п = 0.

Если r_с ≠ 0 и r_п ≠ 0, то по равенствам (9) и (12) можно установить, что при ∑e = 0 ток i изменяется так, как показано на рисунке 3, б. Следовательно, в общем случае коммутация сопротивлением не является прямолинейной. Однако в обычных условиях отклонение кривой на рисунке 3, б от прямой линии мало, и им можно пренебречь.

Видео:КоммутацияСкачать

Замедленная и ускоренная коммутация

В общем случае, при ∑e ≠ 0, на основной ток коммутации накладывается добавочный ток, определяемый последним членом равенства (9):

или в соответствии с равенствами (12)

(16)

Зависимость сопротивления короткозамкнутого контура секции r_к от времени согласно выражению (16) изображена на рисунке 4. Если предположить, что ∑e по абсолютной величине постоянна, то характер зависимости i_к.д от t при ∑e > 0 и ∑e 0 ток i_к.д складывается с основным током коммутации, который можно принять линейным. При этом получается случай так называемой замедленной коммутации (рисунок 5, а), когда изменение тока i в начале коммутации происходит медленно и ускоряется к концу.

Значение тока на сбегающем краю щетки i₁ в этом случае сохраняется большим вплоть до конца коммутации, вследствие чего и плотность тока j_щ1 под этим краем щетки к концу коммутации становится большой. Размыкание контура короткозамкнутой секции сбегающим краем щетки при этом аналогично выключению или разрыву цепи тока с r и L при помощи рубильника.

По изложенным причинам при замедленной коммутации возникают благоприятные условия для искрения под сбегающим краем щетки.

Рисунок 5. Замедленная (а) и ускоренная (б) коммутация

Этому способствует также то обстоятельство, что контакт на краях щетки менее устойчив (из-за наличия зазора между щеткодержателем и щеткой, последняя качается, и края щетки стираются больше и так далее).

Видео:Машины постоянного тока. Общие сведения. Лекция №21Скачать

Основное уравнение коммутации в машинах постоянного тока

ТЕХНИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ
«Регионального Центра Инновационных Технологий»
Тяговые электрические машины.
Учебное пособие
Главы 8 — 12

Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Дальневосточный государственный университет путей сообщения»

Кафедра «Электроподвижной состав»
Ю.А. Давыдов, А.К. Пляскин

Тяговые электрические машины.
Учебное пособие

Рекомендовано
Учебно-методическим объединением
в качестве учебного пособия для студентов
вузов железнодорожного транспорта

1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ОТЕЧЕСТВЕННОГО И МИРОВОГО ЭЛЕКТРОМАШИНОСТРОЕНИЯ
2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ
3. КОНСТРУКЦИЯ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
3.1. Способы подвешивания тяговых двигателей
3.2. Кинематические схемы тяговых передач
3.3. Элементы конструкции тягового двигателя постоянного тока
3.4. Особенности конструкции тяговых двигателей переменного тока
3.5. Особенности конструкции и перспективы применения линейных двигателей
4. УСЛОВИЯ РАБОТЫ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
5. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ
6. ХАРАКТЕРИСТИКИ И СВОЙСТВА ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
6.1. Номинальные и предельные данные тяговых двигателей
6.2. Магнитные и нагрузочные характеристики тягового электродвигателя
6.3. Рабочие характеристики двигателей
6.3.1. Электромеханические характеристики
6.3.2. Электротяговые характеристики
6.4. Коэффициент полезного действия и потери в двигателе
7. ПРИНЦИПЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
8. КОММУТАЦИЯ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
8.1. Критерии оценки качества коммутации
8.2. Коммутация при установившихся процессах
8.3. Электромагнитные причины искрения
9. ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ НА КОЛЛЕКТОРЕ
9.1. Распределение индукции и напряжения
9.2. Способы повышения потенциальной устойчивости
9.3. Дополнительные полюса и компенсация ими реактивной эдс
9.4. Компенсационная обмотка и ее влияние на потенциальные условия
9.5. Круговой огонь на коллекторе тяговых двигателей
10. ТЯГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ТОКА
10.1. Внешние способы сглаживания пульсации
10.2. Коммутация переменной составляющей тока
10.3. Переменная составляющая момента
10.4. Особенности коммутационного процесса двигателей пульсирующего тока
10.5. Определение переменной составляющей екп
10.6. Компенсация реактивной эдс дополнительными полюсами двигателей пульсирующего тока
10.7. Способы улучшения коммутации тяговых двигателей пульсирующего тока
11. НЕУСТАНОВИВШИЕСЯ ПРОЦЕССЫ В ЦЕПИ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
11.1. Виды переходных процессов
11.2. Влияние вихревых потоков в магнитопроводах на протекание переходных процессов
11.3. Влияние индуктивности обмоток тяговых машин на переходные процессы
11.4. Влияние параметров внешних цепей на переходные процессы
11.5. Мероприятия, направленные на облегчение протекания переходных процессов
12. НАГРЕВАНИЕ И ОХЛАЖДЕНИЕ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
12.1. Допустимые превышения температур
12.2. Классическая теория нагревания однородного твердого тела
13. ВЕНТИЛЯЦИЯ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
13.1. Самовентилирующиеся машины
13.2. Независимая вентиляция
13.3. Расчет вентиляции тяговых электрических машин
14. ТЯГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
14.1. Асинхронные двигатели. Основные понятия.
14.2. Принцип регулирования асинхронного тягового двигателя
14.3. Формы фазных токов и напряжений АТД
14.4. Моменты от высших временных гармоник тока и потока одного порядка
14.5. Коэффициент мощности и кпд АТД
15. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ И МАШИННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
15.1. Назначение и классификация вспомогательных машин
15.2. Особенности конструкции вспомогательных машин электроподвижного состава постоянного тока
15.3. Вспомогательные машины ЭПС переменного тока
15.4. Мотор-вентиляторы
15.5. Мотор-компрессоры
15.6. Мотор-насосы
15.7. Расщепители фаз
15.8. Мотор-генераторы и генераторы управления
15.9. Делители напряжения
16. ИСПЫТАНИЯ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
17. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ И РЕМОНТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
17.1. Основные неисправности электрических машин
17.2. Тяговый электродвигатель НБ-520В
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Тяговые электрические машины.
Учебное пособие

8. КОММУТАЦИЯ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

8.1. Критерии оценки качества коммутации

Коммутация в машинах постоянного тока представляет собой ряд явлений, вызванных процессом изменения тока в секциях обмотки якоря за время их перехода из одной параллельной ветви обмотки в другую. Секции обмотки в течение этого времени замыкаются накоротко щетками. Это время – период коммутации.

Коммутация – это процесс изменения тока в секции обмотки якоря.

Коммутация признается хорошей, если под щетками при работе машины с нагрузкой или на холостом ходу не возникает искрения. И наоборот, если наблюдается искрообразование, вызывающее повреждения поверхности коллектора, то это – неудовлетворительная коммутация.

Практикой установлены два основных критерия для оценки качества коммутации:
1) степень искрения щеток, оцениваемая по стандартной шкале;
2) ширина безыскровой зоны.

Стандартная шкала искрения формирует следующие степени:
— 1 – отсутствие искрения, или темная коммутация;
— 1 1 /₄ – слабое искрение под небольшой частью щетки;
— 1 1 /₂ – слабое искрение под большей частью щетки;
— 2 – искрение под всем краем щетки;
— 3 – значительное искрение под всем краем щетки с появлением крупных вылетающих искр.

Надежная работа машин в длительном режиме обеспечивается при условии, что искрение на щетках не превосходит степени 1 1 /₄.

Визуальная оценка коммутации вносит субъективизм в результаты. Для объективной оценки разработан ряд приборов, основанный на фотоэлектрических датчиках. Чем же вызвано искрение под щетками? Наиболее крупных причин, вызывающих искрение, – две:
1) механические;
2) электромагнитные, т. е. собственно коммутационные.

К механическим причинам искрения относятся следующие:
1) биение коллектора, под которым подразумевается:
а) нарушение цилиндрической поверхности коллектора, вызванное плохим качеством шлифовки;
б) выступание миканита;
2) неправильная притирка щеток;
3) неправильная расстановка щеток;
4) неправильная величина нажатия щеток;
5) ослабление щеток в гнездах. Боковой износ щеток, их перекосы, выкрашивание;
6) неодинаковый воздушный зазор под различными полюсами;
7) косая сборка коллекторных пластин;
8) неодинаковая толщина коллекторных пластин или миканита;
9) загрязнение поверхности коллектора.

Большое влияние на работу тяговых машин оказывает конфигурация и материал щеток.

В тяговых машинах два основных сорта щеток:
1. твердые угольно-графитные щетки и
2. электрографитированные.

Электромагнитные причины искрения будут рассмотрены позднее, рассмотрев процессы коммутации.

Наиболее просто процесс коммутации объясняется в так называемой классической теории.

8.2. Коммутация при установившихся процессах

Согласно классической теории коммутации ток в коммутируемой секции будет изменяться во времени прямолинейно, если щетка перекрывает одно коллекторное деление, сопротивление щеточного контакта сохраняется постоянным и коллектор вращается медленно. При быстром вращении коллектора в коммутируемой секции появляется эдс самоиндукции от изменяющегося тока.

Для того чтобы коммутация сохранялась прямолинейной, рекомендуется наводить в коммутируемых витках эдс равную эдс самоиндукции. Для наведения коммутирующей эдс, равной эдс самоиндукции, и служат добавочные полюса. Таким образом, все расчеты коммутации сводятся к расчету электродвижущей силы самоиндукции и расчету мдс обмотки добавочных полюсов. Кроме эдс самоиндукции, в коммутирующей секции наводится и эдс взаимоиндукции из-за расположения в пазу пазовых частей двух секций.

Исходя из сказанного суммы эдс самоиндукции и взаимоиндукции – это мгновенные значения реактивной эдс коммутирующей секции

(8.1)

где L_э – эквивалентная индуктивность секции;
i_я – ток в параллельной ветви обмотки якоря;
Т_к – период коммутации (время, в течение которого осуществляется коммутация).

(8.2)

где L и М – коэффициенты само- и взаимоиндукции.

(8.3)

где в_щ – ширина щетки;
V_к – окружная скорость коллектора обычно T_к = 10 –4 …10 –5 с.

Максимальное значение реактивной эдс может быть определено исходя из изменения магнитного потока рассеяния пазов Ф_рп , в которых расположены коммутирующие секции. Если поток изменяется от —Ф_рп до +Ф_рп , то

(8.4)

где ω_с – число витков секции. В тяговых двигателях ω_с = 1 .
Магнитный поток

(8.5)

где u_к – число коллекторных пластин приходящихся на один паз;
λ_п – удельная проводимость магнитного потока.

Число коллекторных пластин на паз определяется по формуле

(8.6)

где К – число коллекторных пластин;
Z – число зубцов (пазов) якоря.

Ширина зоны коммутации в_зк , отнесенная к окружности коллектора может быть определена как

(8.7)

где γ = в_щ / t_к – коэффициент щеточного перекрытия;
t_к – коллекторное деление;
ɛ_к – укорочение шага обмотки в коллекторных делениях, которое может быть вычислено по формуле

(8.8)

где Y_z– шаг обмотки по пазам.

Период времени, в течение которого происходит полное изменение потока

(8.9)

Так как магнитное поле обоих пазов, в которых расположены стороны коммутируемой секции, изменяется одновременно, то

(8.10)

Подставляя в формулу значения Ф_рп и Т_кп , получим формулу, определения реактивной эдс коммутируемой секции, получившей наименование – формула А.Б. Иоффе:

(8.11)

Из формулы видно, что реактивная эдс зависит прямо пропорционально от удельной проводимости магнитному потоку пазового рассеяния

(8.12)

где λ_пп – проводимость в зоне расположения проводников;
λ_пв – проводимость в зоне клинового крепления секции;
λ_з – проводимость в зоне воздушного зазора;
λ_л – проводимость в зоне лобовых частей обмотки, отнесенная к пазу.

По формуле А.Б. Иоффе определено максимальное значение реактивной эдс, однако, необходимо знать и изменение этой эдс в пределах зоны коммутации. Такое знание открывают диаграммы пазового поля. Рассмотрим их для случая диаметральной обмотки (когда отсутствует пазовое укорочение) и для хордовой обмотки якоря (рис. 8.1).

При построении диаграмм будем учитывать, что эдс самоиндукции e_сп в пазу и взаимоиндукции e_вп в каждом проводнике постоянны и ширина зоны коммутации, отнесенная к коллектору

(8.13)

Обычно в тяговых двигателях значение реактивной эдс поднимается до 18…20 В, но это предельные значения. Как правило, e_р 6…7 В, а если тяжелые условия токосъема – р e 3…5 В.

Рис. 8.1. Диаграммы пазового поля: :
а – для диаметральной обмотки; б – для хордовой обмотки

По итогам рассмотрения диаграмм можно сформулировать электромагнитные причины искрения.

Искажения кривой распределения поля добавочных полюсов под влиянием поля главных полюсов.

8.3. Электромагнитные причины искрения

1. Невозможность создания компенсирующего поля, в точности совпадающего по форме для любого момента времени с теоретически требующимся. Вследствие этого остаются небалансные или остаточные эдс.

2. Различная степень демпфирующего влияния вихревых токов в проводниках обмотки якоря на пазовое поле рассеяния коммутирующих секций при широком диапазоне изменения частоты.

3. Пульсации потока главных полюсов машины вследствие изменения магнитной проводимости зазора, что вызывает появление трансформаторной эдс в коммутируемых секциях.

4. Не соответствие во времени между налагающейся переменной составляющей в реактивной эдс коммутации, вызванной пульсацией тока якоря, и коммутирующей эдс, создаваемой добавочными полюсами (только для двигателей пульсирующего тока).

9. ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ НА КОЛЛЕКТОРЕ

10. ТЯГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ТОКА

11. НЕУСТАНОВИВШИЕСЯ ПРОЦЕССЫ В ЦЕПИ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

11.1. Виды переходных процессов

Различают два основных вида переходных процессов:
1) электромеханические;
2) электрические.

Электромеханические процессы связаны с изменением нагрузки на валу тягового двигателя. Они, как правило, протекают при постоянном напряжении. Например, увеличение тяговой силы электровоза при выходе с ровного участка на подъем. Ток в двигателе изменяется, но это постепенные изменения, которые, как привило, не приводят к серьезным последствиям. Значительно сложнее электрические переходные процессы.

Причем электрические переходные процессы также можно разделить на две группы:
1) эксплуатационные;
2) аварийные.

К эксплуатационным переходным процессам относят:
— трогание с места и разгон электровоза,
— переход с одного соединения на другое,
— изменение степени ослабления поля и т. д.

К аварийным – броски напряжения в контактной сети, потеря питания с последующим восстановлением, режимы короткого замыкания, в частности, круговой огонь на коллекторе.

Особенно опасны резкие толчки напряжения или отрывы токоприемника от контактного провода. При этом происходят процессы, пояснить которые можно диаграммой (рис. 11.1).

Из диаграмм следует, что при резком изменении напряжения ток падает до нуля, а магнитный поток до остаточного значения Ф_ост .

Рис. 11.1. Процессы в тяговом двигателе при снятии и восстановлении напряжения

Мгновенное восстановление напряжения не сопровождается мгновенным возрастанием магнитного потока до у Ф . Медленное нарастание магнитного потока обеспечено вихревыми токами. При этом ток двигателя мгновенно, или быстрее нарастает, чем поток, и достигает величины

На основании вышесказанного, бросок тока сопровождается нарушением коммутационного процесса. Нарушение коммутационного процесса вызвано еще и тем, что вихревые токи препятствуют нарастанию тока в дополнительных полюсах, а значит, нарушается баланс между реактивной и компенсационной эдс.

Итак, мы опять столкнулись с влиянием вихревых токов, только теперь уже при переходных процессах. х.

11.2. Влияние вихревых потоков в магнитопроводах на протекание переходных процессов

Существует утверждение, что изменение магнитодвижущей силы постепенно продвигает магнитный поток вглубь сечения магнитопровода, наводя эдс в условных контурах:

Под действием этой эдс возникают токи

Вихревые токи, как бы образуют экран по внешнему контуру магнитопровода, препятствуя изменению потока по всей его площади (рис. 11.2).

На рис. 11.3 приняты следующие обозначения:
q – глубина проникновения потока;
Ву – индукция в зоне проникновения потока;
а – ширина магнитопровода;
б – длина магнитопровода в осевом направлении;
П – средний периметр сечения, занятого магнитным потоком

где П 2 а в – периметр сечения магнитопровода;
к – коэффициент, зависящий от отношения потока Ф в настоящий момент времени к установившемуся значению потока (рис. 11.4). При этом

Рис. 11.2. Вихревые токи в магнитопроводе главных полюсов

Рис. 11.3. Проникновение магнитного потока в магнитопровод

Сопротивление контура вихревого тока

где ρ – удельное электрическое сопротивление магнитопровода, Ом·см;
l – длина магнитопровода, см.

Глубина проникновения потока

исходя из этого

Изменение вихревого тока

Это наиболее общая формула, характеризующая изменения вихревых токов в зависимости от остальных показателей.

Рис. 11.4. Зависимость к (Ф / Ф_у)

При расчете конкретных участков магнитной цепи формула несколько модифицируется, в основном за счет добавления коэффициентов. Обозначив постоянную часть приведенной формулы коэффициентом вихревых токов для данного магнитопровода К_вихр, перейдем к другой форме записи

Из формулы видно, что вихревой ток прямо пропорционален изменению магнитного потока и чем больше

, тем больше тормозящее действие вихревых токов.

На характер процессов, кроме вихревых токов, оказывают влияние как параметры двигателя, так и параметры внешней схемы. Вначале рассмотрим влияние индуктивности обмоток двигателя на характер переходных процессов в связи с тем, что форма тока на активных сопротивлениях по существу не отличается от формы напряжения, а емкостные составляющие у двигателя невелики.

11.3. Влияние индуктивности обмоток тяговых машин на переходные процессы

Если на время «отбросить» параметры внешней цепи, то с учетом влияния вихревых токов можно записать уравнение для двигательного режима машины

где L = L_я + L_д + L_в + L_ко – индуктивность всех обмоток двигателя;
е_св – эдс самоиндукции обмотки возбуждения

Индуктивность обмотки возбуждения очень велика и составляет примерно

Теперь рассмотрим определение каждой составляющей формулы (11.11). Из уравнения (11.11) видно, что именно индуктивные составляющие будут влиять на характер протекания процессов в тяговом двигателе. Полная индуктивность обмотки якоря

где L‘_я – индуктивность, обусловленная потоком реакции якоря;
L n _я – индуктивность, вызываемая местными (в якоре) потоками рассеяния.

Не проводя промежуточных преобразований для равномерного воздушного зазора, можно записать, что индуктивность определяется как

где К_в – коэффициент воздушного зазора;
К_н – коэффициент для учета насыщенности магнитной цепи (определяется по графикам в зависимости от индукции в зубцовом слое).

Индуктивность обмотки якоря, обусловленная местными потоками,

где п – проводимость рассеяния паза.

Индуктивность компенсационной обмотки определяется аналогично

где ко – проводимость рассеяния, состоящая из рассеяния в пазах, по сторонам зубцов и в лобовых частях обмотки.

Индуктивность обмотки главных полюсов

где i – ток намагничивания

Индуктивность обмотки добавочных полюсов

где 1,3 – коэффициент, учитывающий распределение потока рассеяния по высоте; д – коэффициент рассеяния дополнительного полюса. Таким образом, определены факторы, влияющие на характер переходных процессов в двигателе.

11.4. Влияние параметров внешних цепей на переходные процессы

Рассмотрим широко применяемую схему подключения тяговых двигателей на подвижном составе (рис. 11.5).

Рис. 11.5. Схема подключения тяговых двигателей

Назначение всех элементов схемы хорошо известно. Подробная схема, только с одним двигателем, уже рассматривалась. Сложность расчета связана с тем, что полученная схема нелинейна из-за сглаживающего реактора, индуктивного шунта и обмоток двигателя.

На рис. 11.5 дана схема и если сделать допущение о симметричности ветвей с тяговыми двигателями, то приведенная схема может быть описана следующей системой уравнений:

(11.21)

где я L – индуктивность обмоток якоря, добавочных полюсов, компенсационной обмотки; я R – эквивалентное сопротивление якорной цепи;

где тр r = 0,07…0,12 Ом – эквивалентное сопротивление трансформатора;
rш1, rш2, rв – активные сопротивления шунтирующих цепей и обмотки возбуждения, Ом;
С – конструкционная постоянная машины.

По приведенным уравнениям можно сделать следующие замечания. Считается, что индуктивность зависят от токов, но при быстроизменяющихся процессах индуктивное сопротивление не успевает изменяться, поэтому в уравнения можно подставлять значения индуктивного сопротивления, бывшие при установившихся значениях тока. Для учета влияния вихревых токов в эти уравнения можно включить и значение тока намагничивания

где Ф f i – нагрузочная характеристика.

Полученная система уравнений полностью описывает переходные процессы в цепи тягового двигателя. Решается она на ЭВМ методами интегрирования дифференциальных уравнений.

11.5. Мероприятия, направленные на облегчение протекания переходных процессов

Расчеты переходных процессов дают возможность выбрать параметры силовой цепи электровоза таким образом, чтобы обеспечить надежную работу двигателя и электровоза в целом.

Поэтому, задаваясь значениями бросков токов, можно оценить максимально допустимые значения индуктивностей шунта и сглаживающего реактора. Это позволяет уменьшить металлоемкость оборудования и одновременно снизить потери.

Важен правильный выбор номинальности коэффициента возбуждения β_ном . Этот параметр существенно влияет на переходные процессы, в частности, на амплитуду броска тока.

Снижение влияния вихревых токов можно достичь, используя следующие мероприятия:
1) шихтовку элементов магнитной цепи дополнительных полюсов;
2) образование второго зазора под дополнительными полюсами.

Выполняя второй зазор, следует не забывать о том, что это приведет к падению напряженности и необходимо будет увеличивать мдс за счет увеличения числа витков..

12. НАГРЕВАНИЕ И ОХЛАЖДЕНИЕ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

12.1. Допустимые превышения температур

При работе электрической машины часть ее энергии превращается в тепло. Это тепло выделяется в обмотках в виде электрических потерь и в стале в виде потерь на перемагничивание. Кроме этого, нагреваются от трения подшипники и коллектор. Нагрев электрической машины вызывает старение изоляции, а вызванное нагревание обмоток и не одинаковые коэффициенты линейного расширения у различных частей тягового двигателя могут привести к разрыву изоляции, а значит, и к преждевременному выходу машины из строя.

В связи с этим можно предположить, что на интенсивность старения изоляции будут влиять следующие факторы:
1) значение и время действия рабочих температур;
2) пределы и частота изменения температур;
3) влажность;
4) электрическое напряжение;
5) воздействие химических элементов;
6) вибрационные нагрузки.

В настоящем подразделе рассматриваются первые два пункта из перечисленных.

В зависимости от нагревостойкости компонентов, входящих в состав изоляции, её подразделяют на 5 классов А, В, Е, F, Н.
В тяговом электро-магнитостроении используют три класса В, F, Н.

Предельные температуры нагревания для этих классов изоляции мы указывали в одной из первых лекций. Хотелось бы заметить, что расчетный срок службы изоляции класса В составляет 4…5 лет, а изоляции класса Н – 8…10 лет.

Допустимые превышения температур нормируются для каждой части тягового двигателя (обмотка якоря, обмотка полюсов, коллектор) (табл. 12.1).

Таблица 12.1. Допустимые превышения температур

Различаются изоляционные материалы для разных классов.
Для класса В – это материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна.
Класс F – то же самое, но пропитывается синтетическими связующими и эпоксидными смолами.
Класс Н – то же самое, но пропитываются кремнийорганическим составом.

12.2. Классическая теория нагревания однородного твердого тела а

Согласно данной теории части машины рассматриваются как однородные тела, выделяющие тепловую энергию. Часть этой энергии вызывает нагревание тела, а часть рассеивается в окружающую среду.

Для лучшего понимания процессов сделаем небольшой экскурс в теплотехнику и определим ряд ее аспектов и терминов. Итак, общая теплоемкость тела – количество тепла, необходимое для его нагревания на 1 °С. Общая теплоемкость зависит от массы тела m и удельной теплоемкости «с»

Общая теплоотдача тела В – количество тепловой энергии, отдаваемой за единицу времени со всей поверхности в окружающую среду при разности температур в 1 °С

где α – коэффициент теплоотдачи Вт/см 2 ;
S – площадь поверхности тела.

Коэффициент теплоотдачи – количество тепловой энергии, отдаваемой лучеиспусканием и конвенцией за единицу времени с единицы поверхности тела, при разности температур в 1 °С.

Представим, что в начале испытания температура тела равна температуре окружающей среды, тогда за начальную единицу времени выделится тепловая энергия ∆Р. За какое-то время dt выделится энергия ∆Р dt . Причем она будет делиться на две составляющие:
— часть её пойдет на нагревание тела с ∆Р dt ,
— а другая – на рассеивание в окружающую среду.

Если за время dt температура тела повысилась на dτ , то на это затрачена тепловая энергия

Поскольку было сказано, что тепловая энергия частью поглощается телом, а частью – рассеивается, то можно записать уравнение теплового баланса

Хотелось бы сразу пояснить два момента.
Во-первых, если в начале нагревания температура тела равна температуре окружающей среды, т. е. τ = 0, то

Вся выделившаяся энергия будет затрачиваться на нагревание тела.
И наоборот, если ∆Р величина постоянная, то через некоторое время тело настолько нагреется, что вся выделившаяся энергия будет рассеиваться в окружающую среду, т. е. τ_∞ = const , тогда dτ = 0 и

Отсюда, установившееся превышение температуры тела

(12.7)

Учитывая, что выделившийся в теле тепловой поток имеет вид:

(12.9)

Разделив правую и левую часть на В, и обозначим получим

(12.10)

где Т – постоянная времени нагревания, т. е. это время, за которое превышение температуры рассматриваемого тела над температурой окружающей среды достигнет при отсутствии теплоотдачи в окружающую среду. .

Разделив переменные, получим

(12.11)

(12.12)

где N – постоянная интегрирования.
При t = 0

(12.13)

(12.14)

(12.15)

Из полученного выражения (12.15) определим превышение температуры тела над температурой окружающей среды в функции времени:

Если начальное превышение температуры тела τ₀ = 0, тогда

(12.19)

Исходя из этого кривые нагревания и охлаждения однородного тела будут иметь вид, показанный на рис. 12.1.

можно сказать, что если тепловыделение прекратилось, т. е. ∆Р = 0, то уравнение приобретает вид:

(12.20)

Рис. 12.1. Кривые нагревания и охлаждения

На рис. 12.1 кривая 3 охлаждения тела соответствует уравнению (12.20). Это наиболее общее уравнение, характеризующее нагревание тела.

Давыдов Ю.А.
Тяговые электрические машины. Учебное пособие

📺 Видео

Характиристики машин постоянного токаСкачать

Принцип работы генератора переменного токаСкачать

Урок 4. Расчет цепей постоянного тока. Законы КирхгофаСкачать

Бородин Д.А. "Электрические машины постоянного тока"Скачать

Переходные процессы | Классический метод расчета переходных процессов. Теория и задачаСкачать

Лабораторная работа.Ремонт и диагностика машин постоянного токаСкачать

Принцип работы асинхронного электродвигателяСкачать

Способы возбуждения электрических машин постоянного токаСкачать

Основы электротехники. 02. Электрическая цепьСкачать

Краткий курс 1 день машины постоянного токаСкачать

Электрические машины постоянного токаСкачать

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ. Вид Грубейшего Нарушения ТРЕБОВАНИЙ ТБ при работе на СТАНКАХ.Скачать

Устройство машины постоянного токаСкачать