Коммутационная устойчивость машин с вентильно-механической коммутацией

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРД У7 НА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА

Том 229 1972

КОММУТАЦИОННАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ МАШИН С ВЕНТИЛЬНО-МЕХАНИЧЕСКОЙ КОММУТАЦИЕЙ

О. А. БРАТКОВСКИЙ, В. В. ИВАШИН, И. А. МИЛОРАДОВ, М. А. СУТОРМИН

(Представлена научным семинаром кафедры электрических машин) Понятие коммутационной устойчивости

В настоящее время оценка работы коллекторных электрических машин в коммутационном отношении ведется в основном по методу безыскровых зон [1], нашедшему широкое применение для экспериментальной настройки дополнительных полюсов. Этот метод позволяет наглядно сравнивать коммутационное состояние машин одного и того же типа. Вместе с тем он не применим, например, для машин, имеющих неодинаковые зазоры под дополнительным полюсом [2]. Количественно ширина безыскровой зоны этих машин неоднозначно определяет устойчивость их безыскровой работы в различных режимах. Поэтому в литературе наряду с понятием безыскровой зоны часто встречаются такие понятия, как «коммутационная способность», «коммутационная прочность», «коммутационная устойчивость» и другие в большинстве случаев не имеющие четкого определения.

В настоящей статье под коммутационной устойчивостью (КУ) коллекторной электрической машины понимается ее устойчивость к возникновению искрения щеток в различных режимах. Как правило, наиболее интенсивно и опасно искрение сбегающего края щеток. Поэтому понятие КУ связывается с безыскровой работой именно сбегающего края.

В общем случае, когда безыскровая зона несимметрична относительно оси абсцисс, КУ машины в каком-либо режиме определяется следующими коэффициентами:

= -(1) где е0

е0 — э. д. е., наводимая коммутирующим потоком под дополнительными полюсами в секциях якоря;

Деь2 — абсолютные значения максимально допустимых приращений э. д. с. е0, при которых еще не возникает искрения щеток;

КЬ2 — коэффициенты коммутационной устойчивости.

В выражении (1) индексы 1 относятся к положительным приращениям э. д. с. е0, а индексы 2 — к отрицательным.

Коэффициенты К1 и К2 — функции тока якоря, скорости вращения, коммутирующих свойств щеток, типа обмотки якоря и других параметров машины. Критерием устойчивой безыскровой работы является неравенство К 1,2 >0. Равенство /СЬ2 = 0 означает работу на грани появления искрения. В общем случае коэффициенты К\ и Кг в каком-либо ре-

70

жиме могут быть не равны. Тогда КУ машины в данном режиме определяет меньший из них (работа машины не в центре безыскровой зоны). Для работы в центре зоны нужно выполнить условие К\ = К2.

Режимы работы машины условно разделяются на два вида: статические и динамические. К статическим режимам относится работа машины хотя и при различных, но постоянных во времени токе якоря и токе обмотки возбуждения главных полюсов. К динамическим — работа машины с резкими изменениями или пульсациями токов якоря и обмотки возбуждения, которые могут привести к появлению кратковременных или периодических «небалансных» э. д. с. в коммутируемых секциях и к изменению во времени коэффициентов КУ.

Введение Ае в коммутируемые секции машины при экспериментальном определении КУ осуществляется методом подпитки обмотки дополнительного полюса. Представляет интерес связь между коэффициентами КУ и токами подпитки.

Для случая подпитки всей обмотки дополнительного полюса при ненасыщенной магнитной цепи можно записать

_ в ¿1,2 — е0 _ УРК _ = Ц^к ^ 2

/я ¿0 ИРд ¿0 ^Д

Здесь ¿п — абсолютное значение тока подпитки обмотки до-

полнительного полюса; /я — ток якоря; /^до-н.с. обмотки дополнительного полюса при отсутствии подпитки; ^ко — часть н. с. дополнительного полюса, которая идет на создание коммутирующего потока;

\}7д _ число витков обмотки дополнительного полюса; р

\УК= --——часть витков обмотки дополнительного полюса-

ы

которая создает н. с. ^ко;

— н. с. поперечной реакции якоря; е2 — э. д. с. в коммутируемых секциях, при которых машина работает соответственно на верхней и нижней границах безыскровой зоны.

Отметим, что если производить подпитку не всех витков обмотки дополнительного полюса («полная» подпитка), а их части («частичная подпитка»), то аналогично (2) можно получить

^п 1,2 ¿1,2-— ¿о ^1.2 т-г /0ч

—;— =- =--= А1,2 ,

'я е0 е0

где /п —абсолютное значение тока «частичной» подпитки. Таким образом, коэффициенты КУ представляют собой отношение абсолютных значений токов «частичной» подпитки к току якоря.

Связь коэффициентов КУ с шириной безыскровой зоны О, снятой в осях ¿п1,2 , /я, выражается соотношением

& = и + ¿П2 = /я

IV д

Из (4) видна разница понятий ширины безыскровой зоны и коммутационной устойчивости.

Если на графике выше оси абсцисс расположить зависимость К1 от какого-либо параметра, а ниже оси абсцисс—К2, то ширина области между кривыми К1 и К2 будет пропорциональна ширине безыскровой зоны в осях ¿п/1я, /я (коэффициент пропорциональности ).

В этом случае величина коэффициентов КУ наглядно увязывается с характером безыскровой зоны. Указанный графический способ используется в настоящей статье.

КУ машины с ВМК и влияние на нее различных факторов

Основные допущения

1. Коммутационная устойчивость оценивается по безыскровой работе только сбегающего края щеток.

2. Индуктивность, активное сопротивление секций якоря и коммутирующая э. д. с. — величины постоянные.

3. Коммутация тока в секциях паза происходит одновременно. Это допущение предполагает диаметральный шаг обмотки и число секций в пазу, равное двум, что, как правило, имеет место в машинах с ВМК.

4. Рассматриваются машины со схемой ВМК рис. 1, с дополнительными полюсами и независимым возбуждением главных полюсов.

С учетом принятых обозначений можно записать следующие выражения для коэффициентов КУ машины со схемой ВМК:

Рис. 1. Схема вентильно-меха-иической коммутации: 1 — вентили, 2—щетки, 3—коллекторные пластины, 4—секции якоря

/<1 =

к2 =

е,

~ Ч ~ ¿, __ | _ ^ ъ

О ¿0 ¿0

Из принципа работы схемы ВМК рис. 1 известно [3], что искрение сбегающего края щеток в ней отсутствует даже при очень больших приращениях Ае{, То есть е\^>е0 и Кл теоретически равен бесконечности. (Практически величина К1 все же ограничивается, но не искрением сбегающего края, а допустимым значением обратного напряжения на вентиле, а также увеличением плотности тока набегающего края щеток). Таким образом, КУ машины с ВМК определяется одним коэффициентом Кг-

Для наиболее простого случая, когда в коммутируемом контуре учитываются только э. д. с. самоиндукции и коммутирующая э. д. с. от дополнительных полюсов и при ненасыщенной магнитной цепи, можно записать

е2 = аЛМ)21* -

е0=2Вк Г,

Го 60 аЬщ

к.

60§д

21У3ЧГкаЬщН1аОа

1яп — тх /я 1яп = т2 /я п,

= 1

т,

т.

Здесь М — индуктивность и взаимная индуктивность секций паза; ¿а — ток параллельной ветви машины; п — угловая скорость вращения якоря; а — число параллельных ветвей обмотки якоря;

Т2 — период замыкания секций щетками;

Вк — индукция в воздушном зазоре под добавочным полюсом;

Од —воздушный зазор под добавочным полюсом; Оа, ъа — длина, диаметр и окружная скорость якоря; 8 — число витков в секции якоря; £>к — диаметр коллектора;

ширина щетки; ¡^о — магнитная проницаемость воздуха; ти т2 — постоянные для данной машины коэффициенты.

п- Const

6)

2) О

У

Рис. 2. Зависимость коэффициента коммутационной устойчивости К от /я и п с учетом различных факторов

Из (9) видно, что коммутационная устойчивость машины с ВМК в рассматриваемом случае не зависит от тока якоря и скорости вращения (рис. 2, а). У машин с обычной коммутацией, как известно, КУ резко уменьшается при их увеличении. Выбором коэффициентов т{ и т2у например, за счет изменения бд или , в машине с ВМК всегда можно получить необходимую величину т. е. обеспечить безыскровую работу сбегающего края щеток. Из (9) видно также, что К2 в данном случае всегда меньше единицы, так как э. д. с. е2 всегда больше нуля, а э. д. с. е0 не может быть равна бесконечности.

К основным факторам, влияющим на КУ, относятся:

а) активное сопротивление коммутируемых секций;

б) способность щеток разрывать без искрения некоторый остаточный ток секции (коммутирующие свойства щеток);

в) э. д. с. в секции от главного поля, проникающего в зону коммутации;

г) степень насыщения магнитопровода на пути потока дополнительных полюсов;

д) кратковременные или периодические э. д. с. в коммутируемых секциях, возникающие в динамических режимах. Они могут быть вызваны отставанием во времени коммутирующего потока от тока якоря из-за действия вихревых токов в стали магнитопровода, а также изменением во времени потока главных полюсов;

е) механические факторы, определяющие качество контакта щеток с коллектором.

Следует отметить, что в машинах с ВМК в режимах, близких к номинальному, можно пренебречь влиянием активного сопротивления секций, главного поля в зоне коммутации и коммутирующими свойствами щеток. Поэтому в первом приближении (при ненасыщенной магнитной цепи, в статических режимах и режимах, близких к номинальному, и хорошем контакте щеток с коллектором) КУ машин со схемой ВМК (рис. 1) можно определять по формуле (9).

Коротко остановимся на влиянии различных факторов на КУ машин с ВМК. Анализ был проведен для каждого фактора в отдельности.

Все факторы можно разделить на снижающие КУ (активное сопротивление секций, насыщение магнитопровода, механические факторы, динамические режимы), повышающие ее (коммутирующие свойства щеток) и факторы, которые могут либо снижать, либо повышать ее (главное поле в зоне коммутации).

Активное сопротивление секций приводит к незначительному понижению КУ (рис. 2, б) при изменении /я в широком диапазоне и при п> близкой к номинальной. В то же время оно сильно сказывается при малых п, где появляется критическая скорость якр ь ниже которой /Сг <С О (без учета коммутирующих свойств щеток). Анализ показывает, что величина пкР1 обычно не более 17,5% от пн , то есть диапазон О—/\р1 является пусковым.

Влияние коммутирующих свойств щеток противоположно влиянию активного сопротивления (рис. 2, в). В результате появляется возможность значительно уменьшить или полностью исключить критическую скорость пур ь

Поле главных полюсов, проникающее в зону коммутации, может в среднем либо усиливать, либо ослаблять коммутирующее поле. При этом КУ увеличивается или уменьшается, как показано на рис. 2, г. Из рис. 2, г видно, что главное поле может привести к появлению критического тока /якр1 обычно много меньше номинального. При токе меньше Апф! безыскровая работа должна обеспечиваться за счет коммутирующих свойств щеток.

Насыщение магнитопровода действует при больших токах якоря и приводит к появлению критического тока /якр2 (рис. 2, д), выше которого безыскровая работа невозможна. Обычно /„кр2~> (3—5)/яи  Механические факторы влияют на КУ через изменение периода замыкания секций щетками. Мероприятия по борьбе с механическими факторами в машинах с ВМК должны быть направлены на обеспечение гарантированной величины периода замыкания секций щетками. Хорошие результаты в этом отношении дают разрезные- щетки и улучшение рельефа коллектора.

В динамических режимах КУ снижается за счет действия «небалансных» э. д. с. в коммутируемых секциях от действия вихревых токов в стали магнитопровода и изменения во времени потока главных полюсов. «Небалансные» э. д. с. могут быть снижены расслоением магнито-

провода и мероприятиями, уменьшающими пульсации и резкие изменения тока возбуждения главных полюсов.

Экспериментальная проверка КУ

Экспериментальная проверка КУ проводилась на двух одинаковых машинах постоянного тока с обычной коммутацией и с ВМК. На рис. ? показаны зависимости коэффициентов КУ К\ и Кг от тока /я и скорости п обычной машины, имеющей утяжеленную коммутацию. Коэффициенты К1 и К2 определялись из формулы (2) по снятым экспериментально безыскровым зонам в статических режимах.

10 0.5

о) О

0.5 1,0 /5

у

2 \ 6 /я

> а

/ Г1

/ п-Ш Ю "мин

±О 0,5

ё) О

ч.

0.5 4.0 15

к , " 1 !

2 \ ч * 1

[> 7</ мин

/

/ и- 4а 1

Рис. 3. Зависимость К1 и Кг от I и я машины с обычной системой коммутации.

На рис. 4 приведены зависимости /С2 от /я и п для такой же машины, но выполненной со схемой ВМК. Методика определения К2 та же, что и в машине с обычной коммутацией. При этом безыскровая зона в машине с ВМК определялась двумя способами: по появлению искрения и по исчезновению импульсов обратного напряжения на вентилях.

-10

"05

а) о

о,5

10 1,6

П- ¿(ООО** /

г В 1Я

V 4 а

/

ч

8) о

0,5

ю

\ г 4 6 п.

\ Г

(

\2

Кг 1 !

Рис. 4. Зависимость К2 от 1Я и п машины с ВМК

Последний способ приближенно показывает границу зоны без учета коммутирующих свойств щеток. Соответственно на рис. 4 кривые I показывают зависимость К2 от /я и п без учета коммутирующих свойств щеток, а кривые 2 — с их учетом.

Из рис. 3 и 4 видно, что главное различие КУ машин с обычной коммутацией и ВМК состоит в резком уменьшении КУ с увеличением тока якоря и скорости вращения при обычной коммутации и ее независимости от них — при ВМК- В целом результаты экспериментального определения КУ машины с ВМК хорошо согласуются с теоретическими представлениями о работе схемы ВМК рис. 1.

Выводы

1. Определение коммутационной устойчивости через коэффициенты К\ и К2 в зависимости от тока якоря и скорости вращения позволяет объективно оценивать и сравнивать коммутационную устойчивость машин с несимметричной безыскровой зоной в статических и динамических режимах.

2. Основное достоинство машин с ВМК по сравнению с машинами обычного исполнения заключается в независимости коммутационной устойчивости от тока якоря и скорости вращения при их изменении в широких пределах. Ограничения накладываются в основном насыще-кием магнитопровода (при очень больших токах якоря) и неустойчивостью контакта щеток с коллектором (обычно при скорости значительно выше номинальной). К недостаткам машин с ВМК относится меньшая, чем у обычных машин, коммутационная устойчивость при малых токах якоря и скоростях вращения.

3. К основным факторам, влияющим на коммутационную устойчивость относятся: активное сопротивление секций якоря, коммутирующие свойства щеток, насыщение, механические факторы, динамические режимы и проникновение главного поля в зону коммутации.

Среди факторов, уменьшающих коммутационную устойчивость, нет таких, влияние которых принципиально нельзя уменьшить известными способами и которые поставили бы под сомнение работоспособность схемы ВМК.

ЛИТЕРАТУРА

1. В. Т. Касьянов. Регулировка дополнительных полюсов машин постоянного тока. «Электричество», 1934, № 20, 1935, № 1.

2. В. В. И в а ш и н, И. А. М и л о р а д о в. Коммутационная устойчивость двигателей постоянного тока и ее связь с зоной безыскровой работы. «Известия ТПИ», т. 190, 1968.

3. О. А. Б р а т к о в с к и й, В. В. И в а ш и н, И. А. Милорадов. Экспериментальная проверка машины постоянного тока с вентильно-механической коммутацией. «'Известия ТПИ», т. 212, 1969.