Экспериментальная проверка машины постоянного тока с вентильно-механической коммутацией

ИЗВЕСТИЯ

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

Том 212

1971

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ВЕНТИЛЬНО-МЕХАНИЧЕСКОЙ

КОММУТАЦИЕЙ

О. А. Братковский, В. В. Ивашин, И. А. Милорадов

В последнее время уделяется значительное внимание применению полупроводниковых приборов для улучшения коммутации в электрических машинах. Одним из примеров такого их применения являются схемы вентильно-механической коммутации (ВМК), значительно повышающие коммутационную устойчивость машин постоянного тока. Известно достаточно большое количество схем ВМК (см. библиографию [1]), однако число работ по их экспериментальному исследованию весьма ограничено. Это препятствует практическому применению ВМК, несмотря на ее положительные качества.

В настоящей статье приводятся результаты экспериментальной проверки одной из схем ВМК — с включением вентилей в коммутируемые секции на весь период их замыкания подразделенной щеткой, и с загрузкой вентилей полным током щеточного бракета [1] на машине постоянного тока малой мощности.

Экспериментальная установка

Экспериментальная установка состоит из двух одинаковых электрических машин постоянного тока на общей подставке, соединенных друг с другом эластичной муфтой. Одна из этих машин (М1) выполнена с обычной схемой коммутации, а другая (М2) со схемой ВМК (рис. 1). Двухмашинное исполнение увеличивает возможности установки, так как каждая машина может быть 'испытана в двигательном и генераторном режимах, при этом одна из них служит нагрузкой или двигателем для другой, и имеется возможность на одной установке качественно сравнить ВМК с обычной коммутацией. Основные данные машин при работе их в режиме двигателя:

напряжения питания якоря двигателя — до 110 в,

напряжение питания обмоток возбуждения — 27 в,

ток якоря — до 10 а.

ток возбуждения — до 2,5 а,

скорость вращения — до 8000 об/мин,

число полюсов — 2,

диаметр якоря — 6 см,

длина якоря — 7,5 см.

8*

115

Конструкция статора обеих машин одинакова. Роторы машин М1 и М2 выполнены из одинаковых деталей: валов, пакетов якорного железа и коллекторов. Обмотки якорей выполнены одним и тем же проводом, с одинаковым общим числом проводников. Шаг у обеих обмоток диаметральный, скос пазов якоря и полюсных наконечников отсутствует. Одинаковы также числа пазов якорей (по 16) и размеры щеток (8X12,5X16 мм).

Отличие М1 и М2 состоит в следующем. Машина М1 имеет один коллектор с числом коллекторных пластин 32, две щетки (ЭГ-71), перекрывающие по две коллекторные пластины, число витков в секции обмотки якоря 8 и в обмотке дополнительного полюса 90.

Машина М2 имеет сдвоенный коллектор, выполненный для простоты из двух коллекторов от машины Мь расположенных по обе стороны от пакета якоря. Число коллекторных пластин на одном коллекторе 16 (каждая состоит из двух смежных пластин, соединенных электрически). Число щеток (МГС-7И) 4, число витков в секции 16 ив обмотке дополнительного полюса 130.

Для создания режимов положительной и отрицательной подпитки при снятии безыскровых зон на дополнительных полюсах обеих машин кроме основной намотана вторая (подпиточная) обмотка, питаемая независимо.

Принципиальная схема щеточно-коллекторного узла машины М2 и способ подключения обмотки к коллекторным пластинам показаны на рис. 1.

Принцип работы схемы ВМК

В схеме ВМК (рис. 1) каждая щетка подразделяется на две части, ширина которых равна коллекторному делению. В этом случае коммутируемые секции (Si—Sie) замыкаются не телом щетки (как при обычной коммутации), а цепочками (1; 2 и 3; 4) из последовательно соединенных частей щеток и диодов.

п

и

¥

La

ен

Si S9 S'O

I«

La

JT4'

Рис. 1. Принципиальная схема ВМК экспериментальной

машины

При вращении ротора диоды 1; 2; 3 и 4 включаются поочередно в контуры коммутируемых секций на весь период их замыкания подразделенной щеткой. Изменение тока в коммутируемых секциях происходит в основном под действием эдс ек от дополнительных полюсов. Одновременно изменяются токи в щетках и диодах 1; 2 и 3; 4.

Для безыскровой работы сбегающего края щеток в номинальном

режиме эдс ек должна быть такой величины, чтобы ток в коммутируемых секциях достигал значения тока соответствующей параллельной ветви (ia) в момент времени, предшествующий размыканию коммутируемой секции щеткой. В этот же момент обесточиваются и соответствующие щетки и диоды. Росту тока в коммутируемых секциях (под действием эдс ек сверх значения ia с этого момента и до размыкания секции препятствуют диоды, к которым прикладывается обратное напряжение, приблизительно равное ек. Таким образом, щетки размыкают секции уже обесточенными, и искрение исключается. Очевидно, что при дальнейшем увеличении эдс ек безыскровая работа сбегающего края щеток не будет нарушена.

При уменьшении эдс ек до величины, недостаточной для достижения током коммутируемой секции значения ia к моменту размыкания секции, щетки будут разрывать остаточный ток и появится искрение. Особенность данной схемы ВМК состоит также в том, что при дальнейшем уменьшении и даже изменении знака эдс ек остаточный ток, разрываемый щетками, не превышает 2ia (из-за наличия диодов).

Очевидно, безыскровая зона машины со схемой ВМК (рис. 1) ограничена только одной нижней границей.

Результаты экспериментальной проверки

Безыскровые зоны экспериментальных машин снимались по методу В. Т. Касьянова и строились в осях:

In = f (1я) при П = const,

In = f(n) при 1Я = const.

Ток подпитки определялся по формуле

Здесь 1Я — ток якоря,

п — скорость вращения,

1п -—ток подпитки,

]п —ток в подпиточной обмотке,

\УП — число витков в подпиточной обмотке,

ДУд — число витков в обмотке дополнительного полюса.

Для исключения возможного влияния изменения главного поля на форму безыскровых зон последние для обеих машин снимались при неизменном токе возбуждения (1а) При работе машин М] и М2 в двигательном и генераторном режимах полярность щеток не изменялась. Эксперименты показали, что при такой методике безыскровые зоны машин, снятые в режиме двигателя и генератора, практически совпадают.

Границы зоны машины М1 определялись по появлению искрения (до \хи балла). Нижняя граница зоны машины М2 определялась двумя способами:

а) по появлению искрения РД балла,

б) по исчезновению импульсов обратного напряжения на диодах.

Второй способ определяет границу зоны при отсутствии коммутирующих свойств у щеток и условиях, что обратный ток диодов равен нулю, а бесконечно малый отстаточный ток вызывает искрение.

На рис. 2 показана безыскровая зона для сбегающего края щеток обеих экспериментальных машин при п = 4000 об/мин. Как видно из рисунка, характер безыскровых зон при обычной коммутации и при ВМК принципиально различен. Если у машины М1 безыскровая зона отсутствует при 1Я больше 6 а, то у М2 ширина зоны (точнее, ее часть при

И?

а

2

I О -I

•2 -3

Рис. 2. Границы безыскровых зон экспериментальных машин при переменном токе якоря (1Я) и постоянной скорости вращения (п): / — при обычной коммутации, 2 ~ при ВМК без учета коммутирующих свойств щеток, 3 — при ВМК с учетом коммутирующих свойств щеток

отрицательной подпитке) увеличивается примерно пропорционально току якоря.

При токе якоря больше 1 а площадь, ограниченная кривыми 2 и 3 (рис. 2), показывает влияние коммутирующих свойств щеток, расширяющих безыскровую зону. При токе якоря меньше 1 а граница зоны машины М2 (кривая 3, рис. 2) резко идет вниз и искрение не появляется при любых токах 1п. В машине же М1 имеются две четкие границы (кривая 1, рис. 2). Объясняется это тем, что остаточный ток, разрываемый щетками, у машины М2 не превышает 1я = 21а, а при 1Я меньше 1 а электромагнитная энергия коммутируемой секции, очевидно, недостаточна для образования видимого искрения.

Из рис. 2 видно также, что граница безыскровой зоны М2 без учета коммутирующих свойств щеток (кривая 2, рис. 2) при уменьшении тока якоря не приходит в нуль. Наиболее вероятной причиной этого может быть влияние главного поля на коммутационную зону, особенно сильное при малых токах якоря.

Следует отметить, что отладка коммутации машины М1 (подбор наилучшей марки щеток, формы коммутирующего поля и т. д.) не проводилась. Ее проведение, возможно, несколько расширит зону. Однако характер зоны останется прежним, так как при обычной коммутации добиться идеального случая — параллельности границ зоны принципиально очень трудно и в большинстве случаев невозможно.

На рис. 3 показаны безыскровые зоны обеих машин при токе якоря, равном 6 а, и переменной скорости вращения от 500 до 7000 об/мин. Видно, что у машины М1 безыскровая зона отсутствует при скорости вращения больше 4000 об ¡мина у М2 — практически не зависит от нее.

Особенностью границы зоны машины М2 (кривая 2, рис. 3), снятой без учета коммутирующих свойств щеток, является наличие критической скорости пКр. При п<^пКр безыскровая работа обеспечивается за счет коммутирующих свойств щеток.

В схеме ВМК (рис. 1) не предусматривались меры исключения искрения набегающего края щеток. Наблюдение за ним показало, что у обеих машин оно одинаково (не более РД балла) и имеет место при токе якоря больше 6 а.

Анализ показал, что по кривым токов и напряжений диодов можно составить достаточно полное представление о коммутации в машине.

а

2 {

О -2

"3

-и

Рис. 3. Границы безыскровых зон экспериментальных машин при постоянном токе якоря (1Я) и переменной скорости вращения (п): 1—при обычной коммутации, 2—при ВМК без учета коммутирующих свойств щеток, 3 — при ВМК с учетом коммутирующих свойств щеток

Так, например, по токам диодов можно судить об изменении токов во всех коммутируемых секциях машины, по обратному напряжению на диодах — о величине коммутирующей эдс в секции, по форме этих кривых — о моментах замыкания и размыкания секций щеткой и, таким образом, о работе щеточного контакта и т. п.

В целом характер кривых токов и напряжений диодов, которые наблюдались с помощью электронного осциллографа, полностью подтвердил ожидаемый принцип работы схемы ВМК. Отметим лишь одну характерную особенность формы токов коммутируемых секций, лежащих в одних и тех же пазах. Из-за неточности расположения коллекторных пластин и из-за самой природы щеточного контакта коммутация в них происходит неодновременно.

Изменение тока в секции, вступившей в коммутацию раньше, резко замедляется при вступлении в коммутацию второй секции. Ток второй секции, наоборот, изменяется более ускоренно. Происходит быстрое их уравнение, и коммутация тока в секциях паза заканчивается почти одновременно. Уравнение токов в коммутируемых секциях паза можно объяснить только разностью падений напряжения на их активных сопротивлениях и в щеточных контактах и одновременным действием взаимоиндукции.

В схеме ВМК (рис. 1) это явление неопасно, а иногда и полезно, так как оно «исправляет» неодновременность коммутации секций па-обусловленную неустойчивостью контакта набегающего края щетки.

На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:

1. Экспериментальная проверка схемы ВМК полностью подтвердила ее ожидаемый принцип работы и высокую коммутационную устойчивость при значительных перегрузках и широком изменении скорости вращения.

2. Коммутирующие свойства щеток в схеме ВМК заметно увеличивают зону безыскровой работы, особенно при п<пкр.

1л 1 к

\ 1 1я=6а

\ Ч Пкр \ а

V зч 5 6 7

С

/' /

/ /

/ / V 1/ 3/ /

3. Схема ВМК по сравнению с обычной коммутацией менее чувствительна к нарушениям щеточного контакта, заключающимся в уменьшении действительного периода замыкания секции, так как при ВМК время собственно коммутации тока в секции может быть значительно меньше периода ее замыкания щетками.

4. Конструктивные особенности схемы ВМК открывают возможность достаточно простого исследования коммутационного процесса всех секций якоря и эффективного воздействия на него.

ЛИТЕРАТУРА

1. О. А. Братков ский, В. В. Ивашин, И. А. Милорадов. Схемы вентильно-механической коммутации машин постоянного тока (см. настоящий сборник).