Способы улучшения коммутации

Улучшить коммутацию – это значит обеспечить ускоренный характер коммутации, когда в контуре коммутируемой секции действует отрицательная ЭДС. Собственные ЭДС коммутируемой секции + являются положительными по знаку и вызывают замедленную коммутацию. Из этого следует, что для получения ускоренной коммутации в контур коммутируемой секции необходимо ввести некоторую внешнюю ЭДС , называемую коммутирующей ЭДС, которая должна быть отрицательной и по абсолютной величине быть больше, чем + , т. е.

| | > + . (4.22)

При этом разность | | – ( + ) не должна превосходить 2…3 В. Коммутирующую ЭДС можно получить двумя способами: с помощью добавочных полюсов или сдвигом щеток с геометрической нейтрали.

Наиболее совершенным и широко используемым способом улучшения коммутации является первый способ. Добавочные полюсы располагаются между основными полюсами по линиям геометрических нейтралей. Щетки также устанавливаются по этим линиям и фиксируются в таком положении при всех нагрузках (рис. 4.10).

Добавочные полюсы и создают в коммутируемых секциях обмотки якоря ЭДС вращения находящуюся в противофазе с ЭДС + , и направление ЭДС определяет требуемую полярность добавочных полюсов. Поэтому, если машина работает генератором, то добавочный полюс должен иметь полярность того главного полюса, на который якорь набегает.

Так как машина работает, как правило, при переменной нагрузке, то для выполнения условия (4.22) при любой нагрузке обмотки добавочных полюсов включаются последовательно с обмоткой якоря. Чтобы обеспечить пропорциональность магнитной индукции поля добавочных полюсов в воздушном зазоре току обмотки якоря, магнитная цепь добавочных полюсов должна быть ненасыщенной. С этой целью, прежде всего, увеличивают воздушный зазор под добавочными полюсами по сравнению с воздушным зазором под главными полюсами. В общепромышленных машинах постоянного тока = (1,5…2,5) .

ЭДС как ЭДС вращения определяется выражением

= ,

учитывая пропорциональность магнитной индукции току , можно записать

= . (4.23)

Выражения (4.21) и (4.23) обеспечивают выполнение условия (4.22) при изменении нагрузки машины или, что то же самое, при любой нагрузке.

Для уменьшения магнитного рассеяния добавочных полюсов, обусловленного значительным воздушным зазором , этот воздушный зазор делят на две части: зазор между поверхностями якоря и полюсного наконечника добавочного полюса и зазор между сердечником добавочного полюса и станиной, заполняя этот последний зазор прокладками из немагнитного материала.

В машинах без добавочных полюсов коммутирующее поле, необходимое для создания ЭДС уравновешивающей ЭДС + , образуется сдвигом щеток с геометрической нейтрали (рис. 4.11). При этом в качестве коммутирующей ЭДС используется ЭДС вращения , созданная в секциях обмотки якоря полем возбуждения.

В коммутируемой секции действует сумма ЭДС + . Так как ЭДС должнабыть в противофазе с ЭДС + , то щетки необходимо сдвигать в направлении вращения якоря генератора. При сдвиге щеток в положение физической нейтрали ЭДС = 0, но в коммутируемой секции останется еще ЭДС , что потребует дополнительного сдвига щеток, и общий угол сдвига щеток с геометрической нейтрали будет .

Мгновенное значение ЭДС вращения в секции обмотки якоря: = = , где представляет собой магнитную индукцию поля возбуждения в воздушном зазоре в той точке, в которой в данный момент расположена секция обмотки якоря, и поэтому значение ЭДС будет функцией координаты по окружности якоря (при выборе начала отсчета координаты на линии ), т. е. = ( ), что, в конечном итоге, и будет определять значение угла сдвига щеток (рис. 4.12).

Основной недостаток данного способа улучшения коммутации состоит в том, чтоугол сдвига щеток должен изменятьсяприизменении нагрузки, так

как ЭДС + пропорциональны току обмотки якоря , акоммутирующая ЭДС = ( ) и от тока не зависит. Сдвигом щетокможно настроить коммутации только для одной вполне определеннойнагрузки. Поэтому этот способ применяется только в тех случаях, когдамашина работает с практически постоянной нагрузкой (двигатели насосов, вентиляторов, компрессоров). А в ряде случаев применение такогоспособа просто невозможно, например, в машинах закрытого исполненияили в машинах, работающих при резкопеременной нагрузке (двигателиэлектролебедок или крановые двигатели). В подобных ситуациях приходитсяставить щетки в некоторое среднее положение, соответствующее условнойсредней нагрузке. Но тогда будет избыточной при малых нагрузках и недостаточной при перегрузках.

При щетках, стоящих на геометрической нейтрали, допустимая величина нескомпенсированной ЭДС в машине без добавочных полюсов не должна превосходить 2…3 В. При сдвиге щеток в положение, соответствующее половине нагрузки, можно допустить + 4В.

Компенсационная обмотка

В коммутируемой секции индуцируется реактивная ЭДС , обусловленная изменением тока секции в течение периода коммутации и ЭДС вращения , созданная магнитным потоком, вызванным поперечной МДС обмотки якоря, и пропорциональная току обмотки якоря , т. е. непосредственно зависящая от нагрузки машины. Поэтому устранение или нейтрализация ЭДС в значительной мере облегчает задачу по улучшению коммутации машины. Решается такая задача с помощью компенсационной обмотки, применение которой является одним из самых эффективных средств, обеспечивающих улучшение коммутации машин, работающих при резкопеременных нагрузках.

Компенсационная обмотка (КО) размещается в пазах, проштампованных в полюсных наконечниках главных полюсов (рис. 4.13). Это значит, что она устанавливается по поперечной оси машины, т. е. в направлении, по которому действует поперечная МДС обмотки якоря . При надлежащем выборе направления тока в проводниках КО МДС компенсационной обмотки будет компенсировать МДС обмотки якоря .

Рис.4.13

В мощных электрических машинах постоянного тока с тяжелыми усло­виями коммутации, таких как, например, гребные электродвигатели подводных лодок и плавбаз, тяговые двигатели магистральных электровозов на железнодорожном транспорте, поездов метрополитена, всегда устанавливается компенсационная обмотка, служащая для компенсации поперечной МДС обмотки якоря в зоне главных полюсов.

Добавочные полюсы компенсируют поперечное магнитное поле обмотки якоря только в междуполюсном пространстве, а непосредственно под главными полюсамимагнитное поле обмотки якоря остается нескомпенсированным, что приводит к искажению поля возбуждения и, в частности, к увеличению результирующего магнитного поля под сбегающими краями полюсных наконечников в генераторном режиме работы машины. Как следствие этого возрастает напряжение между соседними коллекторными пластинами, обуславливая возможность возникновения искрения на коллекторе.

На рис. 4.13 ломаная прямая 1 представляет собой пространственное распределение поперечной МДС обмотки якоря по окружности якоря.
В предположении равномерного распределения проводников компенсационной обмотки по поверхности полюсных наконечников на основании закона полного тока построена кривая распределения 2 МДС КО . МДС в пределах полюсной дуги меняется по линейному закону, достигает наибольшего значения под краями полюсных наконечников и в междуполюсном пространстве остается постоянной и равной .

Чтобы при нагрузке искажение поля возбуждения в воздушном зазоре свести к минимуму, необходимо полностью скомпенсировать в пределах полюсной дуги = МДС обмотки якоря .Выберем начало координат 0 на оси северного полюса. И тогда под краями полюсных наконечников, т. е. при /2,МДС обмоток якоря и компенсационной должны быть равны по значению: ( /2) = .

Имея в виду, что при учете (4.4) = , вычислим

( /2) = = . (4.24)

Если число стержней компенсационной обмотки на полюс равно , то МДС компенсационной обмотки под краем полюсного наконечника:

= . (4.25)

И так как под краями полюсных наконечников ( /2) = , то при учете выражений (4.24) и (4.25) получим = Расчетное значение необходимо округлить до ближайшего четного числа, чтобы обеспечить симметрию компенсационной обмотки относительно продольной оси машины.

В результате такого округления фактическое число стержней компенсационной обмотки может отличаться от расчетного числа в любую сторону, следовательно, в пределах полюсной дуги в общем случае будет существовать незначительная нескомпенсированная поперечная МДС обмотки якоря, влиянием которой на процессы в машине можно без особой погрешности пренебречь.

Результирующая МДС = – на рис. 4.13 определяется ломаной прямой 3, ограничивающей затемненные треугольники. В пределах полюсной дуги при точной компенсации = 0, а в междуполюсном пространстве остается незначительная нескомпенсированная МДС (затемненные треугольники), которая мало влияет на работу машины, так как магнитное поле, создаваемое ею в междуполюсном пространстве, невелико из-за значительного воздушного зазора.

Компенсационная обмотка является эффективным средством борьбы с потенциальным искрением на коллекторе, так как отсутствует искажающее действие поперечной МДС обмотки якоря и потенциал по коллектору распределен по линейному закону, т. е. напряжение между соседними коллекторными пластинами практически одинаково в пределах полюсной дуги.

Для компенсации поперечной МДС обмотки якоря при любой нагрузке компенсационная обмотка всегда соединяется последовательно с обмоткой якоря.

Компенсационная обмотка повышает надежность машины в коммутационном отношении, но усложняет ее конструкцию и приводит к увеличению стоимости машины. Поэтому компенсационная обмотка применяется только в машинах большой мощности, начиная со 150 кВт, а на кораблях (при меньших мощностях)– в машинах, используемых в ответственных механизмах.

Список литературы

1. Костенко М. П., Пиотровский Л. М. Электрические машины. Л.: Энергия, 1972.

2. Вольдек А. И. Электрические машины.Л.: Энергия, 1974.

3. Копылов И. П. Электрические машины. М.: Высш. шк., 2004.

4. Вольдек А. И., Попов В. В. Электрические машины. Л.: Энергия, 2006.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Магнитная система машины постоянного тока и ее расчет........................................... 3

1.1. Конструктивная схема магнитной системы машины постоянного тока................ 3

1.2. Закон полного тока....................................................................................................... 5

1.3. Порядок расчета МДС участков магнитной цепи..................................................... 8

1.4. Расчет МДС станины, главных полюсов и сердечника якоря................................. 9

1.5. Расчет МДС воздушного зазора машины постоянного тока.................................. 10

1.6. Расчет МДС зубцовой зоны якоря............................................................................ 12

1.7. Кривая намагничивания магнитной системы машины постоянного тока.......... 18

2. Якорные обмотки машин постоянного тока.................................................................... 20

2.1. Требования к якорным обмоткам машин постоянного тока.................................. 20

2.2. Секция обмотки якоря. Первый частичный шаг..................................................... 20

2.3. Принцип составления схем якорных обмоток........................................................ 23

2.4. Петлевые обмотки...................................................................................................... 24

2.5. Волновые обмотки...................................................................................................... 32

2.5.1. Принцип составления схемы простой волновой обмотки......................... 32

2.5.2. Простая волновая обмотка и ее свойства..................................................... 34

2.6. Условия симметрии якорных обмоток машин постоянного тока......................... 40

3. Реакция якоря машины постоянного тока...................................................................... 41

3.1. Понятие реакции якоря машины постоянного тока............................................... 41

3.2. Распределение МДС обмотки якоря по окружности якоря.................................... 43

3.3. Результирующее магнитное поле
в воздушном зазоре машины постоянного тока при нагрузке.............................. 47

3.4. Продольная составляющая МДС обмотки якоря .................................................... 49

3.5. Напряжение между соседними коллекторными пластинами................................ 51

4. Коммутация машин постоянного тока............................................................................. 54

4.1. Искрение на коллекторе............................................................................................. 54

4.2. Понятие коммутации.................................................................................................. 55

4.3. Уравнение коммутации.............................................................................................. 57

4.4. Линейная коммутация................................................................................................ 59

4.5. Криволинейная коммутация...................................................................................... 61

4.6. ЭДС, действующие в контуре коммутируемой секции......................................... 63

4.7. Способы улучшения коммутации............................................................................. 65

4.8. Компенсационная обмотка........................................................................................ 68

Список литературы..................................................................................................................... 71

Ваганов Михаил Александрович

Общие вопросы теории электрических
машин постоянного тока

Учебное пособие

Редактор Т. А. Лунаева

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Подписано в печать 19.04.2012. Формат 60×84 1/16.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 4,5.

Гарнитура «TimesNewRoman». Тираж 40 экз. Заказ .

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5