Коммутационная устойчивость двигателей постоянного тока и ее связь с зоной безыскровой работы

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО 'КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

Том 190

1968

КОММУТАЦИОННАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА И ЕЕ СВЯЗЬ С ЗОНОЙ БЕЗЫСКРОВОЙ

РАБОТЫ

Понятие зоны безыскрозой работы машины, впервые введенное в практику настройки машин постоянною тока В. Т. Касьяновым [1], в общем случае неоднозначно определяет состояние машины по коммутации. Применение понятия зоны безыскровой работы для оценки коммутационного состояния связано с такими трудностями, как сравнение между собой машин различного исполнения, например, машин с компенсационной обмоткой и без нее, с полньш и уменьшенным числом дополнительных полюсов. Если все эти машины имеют, например, одинаковые зоны безыскровой работы, снятые по одной методике и построенные в одних и тех же координатах, то это еще не значит, что машины одинаково работают в смысле коммутации, или, что более точно, коммутационная устойчивость этих машин одинакова. При этом считается, что коммутационная устойчивость машины определяется отношением разности коммутирующих напряжений на верхней и нижней границах зоны безыскровой работы к среднему значению этих коммутирующих напряжений.

Между зонами безыскровой работы машин различного исполнения и их коммутационной устойчивостью существуют определенные соотношения, которые могут быть вычислены при проектировании машины. Настоящая статья и ставит своей целью найти эти соотношения и рассмотреть их физическую сущность.

Основываясь на понятии зоны безыскровой работы для определ.?-

*П Т

ния ее величины в координатах 11 , 1Я, можно записать выражение

Ьи и \П2 — токи ¡подпитки обмотки добавочного полюса на верхней и нижней границах зоны, 1Я — ток якоря машины. Учитывая, что токи подпитки прямо пропорциональны коммутирующим эде (в случае, если .полюсные системы ненасыщены), нетрудно получить выражение для зоны машины с полным числом добавочных полюсов и без компенсационной обмотки в виде [2]

0 = -Ро - • е' "" е~ • (2) Ь+РрЯ е0

В (2; имеем:

В. В. ИВАШИН, И. А. МИЛОРАДОВ

(1>

где

€1, е2, е0 — коммутирующие эдс на верхней и нижней границах зоны и в ее середине:

С1ТС2 / о ч

. ео = -2-' ( '

Рря — намагничивающая сила реакции якоря,

Рз —намагничивающая сила, необходимая для создания в зазорах под добавочными полюсами магнитного поля, соответствующего эдс вращения е0. Для машины с компенсационной обмоткой

_Ив_ е, — е;

Ро+

9ко = ~  „ Г8 „ , •

сов

рко — намагничивающая сила компенсационной обмотки. Для машины с уменьшенным в 2 раза числом добавочных полю-

0 ___2Р5 - к _ е] — ео

2Рб * к -»- РрЯ + Р рЯ е0

В этой формуле

к — коэффициент, учитывающий увеличение намагничивающей силы добавочного полюса из-за прохождения его потока через зазор главного полюса машины;

Р'ря — намагничивающая сила добавочного полюса, создающая поле в зазоре, равное полю в зоне коммутации без добавочного полюса.

Сравнение формул (2), (4), (5) зон безыскровой работы машин различного исполнения показывает, что они отличаются только первым коэффициентом, формулы (2), (4), (5), следовательно, можно записать в виде

О = кд • кст,

^КО ~ КДКО * КСТ»

еп = Кдп • кст.

Коэффициент кст выражает статическую коммутационную устойчивость машины, которая не зависит от конструктивного выполнения системы возбуждения.

Коэффициенты кд, кдк0, кдп зависят от конструктивного выполнения и влияют на работу машины только при резко переменных режимах ее работы и при насыщениях каких-либо участков магнитных цепей машины. Эти коэффициенты можно назвать динамическими, поскольку их влияние проявляется главным образом при переходных режимах.

При снятии безыскровой зоны машины в статическом режиме ее работы коэффициенты кд, кДК0, кдп являются масштабными. Коэффициент к(:1. однозначно определяет статическую коммутационную устойчивость и может быть найден экспериментально по значению реальной зоны безыскровой работы и динамическому коэффициенту кд, рассчитанному по значениям намагничивающих сил из электромагнитного расчета машины.

Для возможности сравнения зон машин различного исполнения их экспериментально снятые зоны можно приводить к одному масштабу, то есть пересчитывать зону на масштаб какой-либо машины, выбранной за базисную или сравнительную.

В качестве сравнительной машины можно выбрать машину любого конструктивного исполнения, но целесообразнее всего, по-видимому,

выбрать машину без компенсационной обмотки и с полным числом добавочных полюсов. Такая .машина нашла наиболее широкое применение. Приведенная зона безыскровой работы для машины с компенса-то р ной об моткой

в —в • Кд (9\

кдко

Для машины с уменьшенным в 2 раза числом полюсов

епп=еп •

кдп

Рассмотрим особенности р.аботы одинаковых машин с различными коэффициентами кд> то есть машин, выполненных, например, с различными зазорами в магнитопроводе добавочного полюса. Большому значению кд соответствует большое значение эквивалентного воздушного зазора. При резких увеличениях или уменьшениях тока якоря на намагничивающую силу обмотки добавочного полюса накладывается намагничивающая сила вихревых токов, индуктирующихся в магнитопроводе на путях потока добавочного лолюса. Намагничивающая сила вихревых токов зависит только от скорости изменения магнитного потока (при одинаковом материале магнитопровода) и, следовательно, будет вносить тем меньшие возмущения в магнитное поле под добавочным полюсом, чем больше значение динамического коэффициента машины.

Из практики электромашиностроения известно,, что в машинах, работающих в переходных режимах, например в тяговых машинах, между добавочным полюсом и станиной для улучшения коммутации целесообразно .делать второй воздушный зазор. Намагничивающая сила РоПри этом соответственно увеличивается. Коэффициент кд с увеличением также возрастает, что соответствует повышенной динамической устойчивости машин с увеличенными зазорами н,а пути потока добавочного полюса.

У машин с компенсационной о'бмоткой, а также у машин с уменьшенным числом добавочных полюсов значения кд больше, чем у машин без компенсационной обмотки и с полным числом добавочных полюсов, что говорит об их повышенной динамической коммутационной устойчивости.

При длительных перегрузках по току, когда вихревыми токами можно пренебречь, машины с повышенными кд также должны работать лучше, поскольку насыщение магнитопровода на пути потока добавочного полюса влияет на индукцию под добавочным полюсом тем меньше, чем больше этот коэффициент.

Статическая коммутационная устойчивость определяется соотношением

" е2 / 1 1 V -1- .

Величина в!—ег зависит от многих причин, в том числе от типа обмотки машины, числа зубцов якоря, коммутирующих свойств щеток, которые, в свою очередь, зависят от предельно допустимых напряжении на переходном сопротивлении щеточного контакта под набегающим и сбегающим краем щетки. Коммутирующая эде е0 зависит от типа и мощности машины, тока якоря, типа обмотки, формы пазов железа якоря и других факторов.

Представляет определенный интерес проанализировать характер изменения коммутационной устойчивости машин с различными систе-

мами возбуждения, а также их зоны безыскровой работы в зависимости от тока якоря.

В общем случае для машин как с параллельным, так и с последовательным возбуждением эдс е0 выражается уравнением

е0 -- о>1я,

где со — угловая скорость машины, const;

Ki — коэффициент пропорциональности,

Величина ei—ег для каждой обмотки может быть выражена чере?* коммутирующие способности щеток индуктивности секций и взаимоиндуктивности между одновременно коммутирующими секциями

е, - е2 = 2Де = f

Известно, что коммутирующие способности щеток с увеличением токт якоря машины несколько увеличиваются. Зависят они также и от скорости вращения машины. Вначале определим изменение зоны работ машин, считая, что коммутирующие способности щеток постоянны и им соответствует величина ei—е2> равная 2Де0, а затем, качественно учитывая возрастание коммутирующих свойств щеток с ростом нагрузки, проведем корректировку полученной кривой кст.

Для двигателя с параллельным возбуждением

и — 1я • Ra т /1 л\

ш = -- =-- а^ —а21я

к5Ф

и для кст получаем

2Ае0

а,1я — а21яг

Предположим, что Ra = 0. Тогда а2 = 0 и

2Аеп

" «Л '

то есть в двигателе с абсолютно жесткой характеристикой и при .постоянных коммутирующих способностях щеток статическая коммутационная устойчивость в зависимости от тока нагрузки изменяется по гиперболе (рис. 1, крив-ая 1). Учет активного сопротивления в цепи якоря и его увеличение переводит работу двигателя на естественную и реостатные характеристики. Статическая коммутационная устойчивость машины при этом возрастает (кривые 2 на рис. 1) и может быть определена по (15). При учете возрастания коммутирующей способности щеток с увеличением тока нагрузки кривая коммутационной устойчивости .проходит несколько 'выше, ее ординаты увеличиваются пропорционально увеличению коммутирующих свойств щеток. На рис. 1 коммутационной устойчивости при = с учетом 2Де=!(1я) соответствует кривая 3. Зона безыскровой работы, рассчитанная -по ординатам кривой 3 и динамическому коэффициенту 0,3, показана кривыми 4. Реальные зоны безыскровой работы машин с параллельным возбуждением имеют очертания примерно такие же, как и зона, ограниченная кривыми 4 [3]. Для более точного построения зоны безыскровой работы или статической устойчивости машины необходимо знать зависимость увеличения коммутирующей способности щеток от тока нагрузки и скорости.

В двигателе последовательного возбуждения магнитный поток возбуждения линейно (если не учитывать насыщение) зависит от токя якоря, поэтому выражение (14) для угловой скорости принимает вид

<>==

'я

в;Ист

№ I

Qfi

ом ол

m)

&1н

и

Рис. 1. Зона безыскровой работы двигателя с параллельным возбуждением и его статическая устойчивость при различных сопротивлениях цепи якоря. 1 - Ra=0, 2 — Ra>0, R3>R2>R,, 3 - Ra=Ri, 2Де Ф const, 4 — зона безыскровой работы для кл=0,3, Ra=Ri

а коммутационная устойчивость

Кст- -о-2Лей\- • 08)

Исследование этого выражения показывает, что при Иа^О, Де0 = соп51 с увеличением тока якоря коммутационная устойчивость остается постоянной (рис. 2, кривая 1). С учетом и возрастания коммутирующих способностей щеток она увеличивается и принимает вид раструба (рис. 2, кривые 2 и 3).

В реальньгх машинах при 1я> 1Ян начинают насыщаться отдельные участки магнитопровода на пути потока возбуждения главных полюсов, угловая скорость машины с увеличением тока якоря уменьшается в меньшей степени, чем по (17), коммутационная устойчивость машины постепенно становится меньше. Характер ее изменения приближается к характеру изменения коммутационной устойчивости машины с параллельным возбуждением (кривая 3 при 1Я>21ЯН). Следует заметить, что при больших токах якоря скорость машины последовательного возбуждения мала, что приводит к существенному влиянию на коммутационную устойчивость активного сопротивления секций. Зона безыскровой работы за счет влияния активных сопротивлений коммутирующих секций должна подниматься вверх.

При малых токах скорость машины увеличивается и ее коммутационная устойчивость может уменьшаться фактически до нуля из-за влияния на коммутацию факторов механического характера.

¡Нет 9 i 0,6 m ot

/

у

46 0,9

Ofi 0,2 0£ OJ

Гр

Рис. 2. Зона безыскровой работы двигателя с последовательным возбуждением и ее статическая устойчивость.

1 — Ra=0,

2 — Ra^O, 2Ae=const,

3 — 0, 2Ле щ const,

4 — Зона безыскровой работы для кд=0,3, Ra Ф О

Влияние активного сопротивления секций и факторов механической природы в рассматриваемом случае не учитывается.

1. Безыскровая зона машины неоднозначно определяет ее работу в смысле коммутации и по ее величине нельзя сравнивать коммутационную устойчивость машин с различной конструкцией систем возбуждения.

2. Статическая коммутационная устойчивость машины может быть оценена по отношению разности коммутирующих напряжений на верхней и нижней границах зоны безыскровой работы к их среднему значению.

3. Характер -изменения зон безыскровой работы двигателей последовательного и параллельного возбуждения хорошо объясняется при зведении понятия статической коммутационной устойчивости.

1. Б. Т. 'Касьянов. Регулирование добавочных полюсов машин постоянного тока. «Электричество», 1934, № 20, 1935, № 1.

2. В. В. Ивашин, И. А. Мил ор ад о в. Исследования зон безыскровой работы двигателя постоянного тока ео щеточно-вентильной коммутацией. Известия ТПИ, т. 172, 1967.

3. М. Ф. К а р а с е в, В. П. Суворов и др. Особенности настройки кол^-мутации тяговых машин. Научные труды ОМИИТа, вып. 54, 1965.

Выводы

ЛИТЕРАТУРА