книги / Машины постоянного тока средней и большой мощности

	Тис.	5.1 Щеткодержатель с рулон-,		Рис. 5.2 Раздвижка щеток
				одного бракета
	ной	пружиной*,
	1-щетки, 2-пружина,
	3-	обойма щеткодержателя,
	4-	демпфируюшея	прокладка,
	5-	гетинаквовая	коробка;

6- узел крепления пружины

Pnc.5i3 Щетки с волокнистым

.окаймлением

Рис. 5.4	Расчетные		кривые I	( О. в коммутируемой секши МПТ с
/ Л *	X при	реэкоэамедленной,(кривые I и 3, 4/1* =0.5 ) и
резкоускоренной			( кривые	2	и 4,	= 0,67 ) коммутации
1,2 -	щетка	ЭГ	- 63; 3,4 -		щетка	с волокнистым окаймлением.
Ш 2 Л
/						Рио. 5.5 ПаэоЕые демпферы
/

81

правильном подборе материалов -элементов составной-.щетки , Применение таких щеток улучшает-коммутацию на за'|^ршащем;_этапе 'i НРГДа:\в;:-кЪн« тУР коммутируемой секции взодится повышенное' српротивление:

"* В начале ЬО-х годов фи{»4д. "МорганоЯт** разработала нору» ;.конс?рукцию щеток с волокнистым углеродным окзййдё<| pkc\j) .3)’. Такая-щет­ ка состоит из основной массивной поблочной части/'(желательно повы** шснного сопротивления) и приклеенной к:-'Пёй-•'йа;.сбёрающёу крае.узкой полоски углеродного волокнистого .материала И':Н»Шб-^а1«я-лё]иькых. .воло­ кон (рис. .5,3,а) или переплетенных, мегкду Собой-волокон в форь’.е ткани (рис. 5.3,6). Сопротивление углеродных ролЬкон существенно: вышеi чем сопротивление блочной части,щетки. Полностью‘волокнистая щётка (безблочной части)- не используется*/так'как о.на..|шеёТ-;-поПы||ённые! Потери на трение.

Достоинство щётки с вслокнист1е/. .ркагфле'нием заключается в т р м » что,, во-первых, волокна обеспечивают Раилучшие точечные контакты с- коллекторной пластиной и, во-вторых, при окончании процесса коммутации в контур коммутирующей секши: вводится повышенное сопротивление углеродных волокон, что вызывает заметное уменьшение достаточного.то-'

ка 4 г	и энергии		(4.2). Вследствие этого у с я о к^коь^та^и' .
существенно улучшаются.			Зт’о подтверждается		кривыми, тбк.8/;'#£Ф);%/ком-
мутируемой секции (рис.			5.4)• полученными		расчетным‘^ т ф ^ д Л я / б б ы ч^
них щеток ЭГ-53-(кривые.,1, 2) ,и -щеток				с .вoлokнг.cтш'’^\кii^яiбниeй,{кра-
вые 3,	4) в случае рёэкозамедленной {кривые I , ,3>. пл.^^крурйо^ннрЙ-
коммутации (кривые 2, 4). Ширина ОЬР,				как. показало-экриер&кеед
исследование, машин, небольшой мощности,				в случае; прйм?не,ц)1Я/1Ц Й !1Ьк:-с.: •
водокнистш		окаймлением ,возрос да бо лее/чём з-.2 раза /
В. 19ЬЗг.		были -предложену/Ь.М.Ьёринкрм/яне.ш

тели, в которых, давление; нё щёткиЩоЩнойзменЯть/с Ь ^ ^ ю ^ р ё гу щ у ^ емого пневматическогогустройства/и Электронной/Улрав^^ •^микропроцессором). .Предложенная система Иоёво'ЛЯ^;'в'.ёаэис1Шбс^и от 'режима’работы машины регулировать давление/-‘.на/ щетки^.ЛёпримёрГ^величибать.его’ при возрастании плотносТ1г.трка ила: •ПаЬйикёо^даЦ'-'ё'Нбр^' ций щеток. При; малых нагрузках, систему »с'ущёё*вяя&&4да

ток,, расположенных, народной, или .йеёколёких ’n o p w ^ '^ to ^ k tp p a ,’;.и'< позволяет оставлять в действии такое количество Щеток^.. которое, обес­ печивает их работу-npiuоптимальной плотноститока. Управление рабо­ той щеток, повышает КГЩмашины, уменьшает потребляемую энергию * сни­ жает износ щеток и коллектора и особенно выгодно для ЩГ, работаю-

82

■идах .'при недогрузках и переменных нагрузках.

	5.4. Пазовые демпферы
Как было	показано в четвертой главе, вихрегче и контурные токи в
меди обмотки	якоря МОТ снижают реактивную' ЭДС .% , тем самым облег­

чая условия протекания коммутации. Благоприятное воздействие на ком­ мутацию вихревых и контурных токов будет, тем значительнее, чем боль­ ше размеры проводников обмотки ‘якоря и выше частота вращения машины. Естественно, возникает вопрос,, каким образом можно усилить это поло­ жительное действие указанных факторов. Наиболее очевидным решением этой задачи является применение пазовых демпферов. Ниже проиялх

рованы два основных типа демпферов,			предложенных соответственно
К.Треттином и Л.Дрейфусом		[ I., 4 ]	стержневой (рис. 5.5,а), и кату­
шечный	(рис. 5.5,6). Соответствующие верхние, и нижние стержни кату­
шечных	демпферов по. выходу	из пазов	соединены перемычками, как пока­

зано на рис.- 5.5,6'пунктирными линиями.

В процессе коммутации, т.е. при изменении тока в проводниках об ­

мотки	якоря	от + i a до г 'Ъ'а	в .демпферах, лежащих в тех	же па ­
зах,	что и	стороны коммутируемых секций, возникают вихревые		токи.

Вихревые и контурные,токи в:стержневых или катушечных демпферах, а также й в самих проводниках секций, согласно закону Ленца,' препятст­

вуют изменению потока пазового рассеяния, замедляя скорость его изме­

нения й ‘тем самым вызывают снижение			величины	реактивной ЭДС Е% , Как
показывают расчёты уменьшение		£ 4	составляет для стержневых демпфе-
•‘ррв-<(12 .v 1?)%* :длй'’к а ^ е ч н ы х		- (В	-12)%*
Кроме того, применение демпферов приводит к уменьшение коэффици­
ента; демпфй^ван.ия	Qp обособленных секций			примерно на (20 - 30.1%/.
Это рэначаёт; что	во время коммутации часть			энергии; запасенной в

магнитном поле секцйй , выделяетёя в демпферах в виде‘добавочных по­ терь, 'способсФ^уЯ•.йх' ;н£грева*ш}г Добавочные потери в демпферах лежат •;в пределах- (I ^ 2.)% и (0,5 -'!)£ от номинальной мощности .МОТ соответ­

ственно при стержневом й-катушечном их исполнении* Вопрос с.н)1(же.й1Ш^йагрева.двмпфе^роа за.счет.дополнительных потерь

можно решать различными конструктивными мерами. Например, как пред­ лагал Р.А* Лютер, стержневые демпферы можно. выполнять с внутренними каналами для охлаждающей воды. Главным же недостатком применения дем ­ пферов является то, что для эффективного, использования., их сечение

8Э

должно составлять (70 - 75)* сечения .меди паза. Зто приводит к сни­ жение коэффициента заполнения паза.активной медью или» иными словам:;!, к значительному снижению мощности V;ifT в тех же габаритах, что и яв­ ляется основной причиной отказа от применения демпферов в отечествен­ ном электромашиностроении.

.Необходимо отметить, что для тяговых машин постоянного тока ан­ глийским исследователем i!Ji.Тейлором предложено в качестве демпфера использовать коробочку из тонкого электропроводящего материала, ох­ ватывающего все проводники паза. Так как толщина материала составля­ ет величину порядка 0,2 мм, то потери в таком демпфере невелики и практически не снижается коэффициент заполнения паза активной медью. Действие такого демпфера будет эффективно только на завершающем эта­ пе коммутации и, как показали исследования, коэффициент при этом уменьшается приблизительно на 15$.

0.5. Обмотки якоря с улучшенными коммутационными свойствами

Демпферы, как показано в предыдущем разделе, значительно снижают коэффициент заполнения паза активной медью и только по этой причине их применение становится нецелесообразным. Но* учитывая благоприят­ ное воздействие демпферов на коммутацию, возникает вопрос, а не мо­ жет ли их функцию выполнять сама обмотка якоря при соответствующем конструктивном исполнении. Одним из возможных путей решения этой за­ дачи является .применение трехсяойной расщепленной обмотки (ТР0)‘, предложенной Р.А.катером [ 1 , 9 ]

Схематическое изображение ТРО для машины с числом коллекторных пластин на паз. Un - I приведено на рис. 5,6. Одна из сторон каждой секции ТРО .расщепляется на два элементарных проводника, расположен­ ных соответственно на дне и у раскрытия паза. Элементарные провод­ ники расщепленной пояусеиции охватывают пазовую часть массивной полусекции и выполнит роль демпфера. Для улучшения демпфирующих свой­ ств расщепленной по высоте обмотки можно поставить дополнительную искусственную перекычау, соединяющую элементарные проводники растеп­ ленной полусекции при выходе их из активной части стали. Длину полу-

секции от выхода из паза до искусственной перемычки обозначим £,J , а до естественной - t i . (см,рис.5.6).

исследование коммутационных свойств ТРО проводилось на базе ме-

84

л.A ■ ■^ Iь.

Рис. 5.6. Схема трехслойной расщепленной обмотки якоря Рис. 5.7. Зависимости Ач K w = f ( Т #*^) ;

I45PT секции; 2 - массивные секции; 3 - ТРО;

4- GPii£:

---расчет с учетом демпфирования пазового поля

рассеяния

-— расчет без учета демпфирования пазового поля рассеяния

тода расчета процесса коммутации, основанного на решений систем диф ­

ференциальных уравнений коммутации ii изложенного в

разделе

4.5. Рас­

четы кривых токов коммутации

1 * f {t}

и U

-образных

характерис­

тик

'выполнялись

для.различных сочетаний параметров

гг, , Т**

и

А , ,

где

Л, - t i j t i

На. основе анализа полученных

результатов

установле­

но:

при

любых: фиксированных, значениях параметров

T / >Lf

и

A f

,на­

илучшими демпфирующими свойствами обладают обмотки с соотношением

высот нижнего

и

верхнего

проводников растепленной

полусекции равном

4;1

(или

П

=

0,6.);

при фиксированном значении

параметра

тг1

демпфирующие

свойства

Т Ю

тем

лучше,

тем больше

Т ‘ * и меньше-

А *

Для установления диапазона

применения ТРО

очень важно

определить

положение средней линии области безыскровой работы машины. Это не­ сложно сделать, если, учесть, что положение средней линии ОЬР харак­

85

теризуется	геометрическим местом				точек минимумов 6^координатами Кца
и A i мин (А-образных кривых, рассчитанных для. различных значений
параметра	Т (*	(различной		тг	) . Параметр Т* * , напомним, для ШГГ
средней и большой мощности изменяется в пределах З-'-15.:
Зависимости		Ai	=	К н о ^ (Т 1*) Ы1П1, имеющих идеально рассло­
енные и транспортированные				секции	(зависимость I), массивные, секции ‘
(зависимость 2)		и TF0	(зависимость 3)			для значений параметров А,. = 0
и щ = 0,6	приведены на рис. 5.7. Из					сравнения зависимостей видно,
что угол наклона		линий				тем больше, чем больше степень,
демпфирования пазового			поля рассеяния. Это свидетельствует о том,,

что конструкция секции (вихревые и контурные токи) оказывает...сущест­ венное влияние на отклонение .средней линии области безыскровой -рабр-

ты Ш Г в область отпитки добавочных полюсов			при увеличении		частоты •'•
вращения (при увеличении	параметра Т -*				О
Анализ рис. 5.7. и	табл. 4 Л указывает		на	возможность	применён
ния ТРО для МИГ высокоскоростныхили		Имеющих большое .поперечное све ­
чение секций обмотки якоря, т.ё. для		МПТ. с		-14^
В качестве второго примера якорной обыотки .с улучшеннымикомму-
тационными свойствами можно назвать		обмотку с		расщеп ленными: ёо. шири­

не секциями (ОРШС). Ё ОРШС каждая секция:подраздёленапо ширинеяа. v. две параллельносоедииенные и расположейные.всЬ^^ <йаэёйс,-.лйдреке-''--.- >

ции. Одна подсекция выполняется с удлиненнымшагом ,-а д р ^ ё я - > "с .-^ко-(. роченным. Удлинение и укорочение.равны Друг другу, поэтому к-:'6бёих'>чс подсекциях наводятся одинаковые ЭДС.:Для обеспечений.условия.рыпдлнйе:: мости QPU1C число пазов на пару полюсов..( :'ЩР' '--).?^лкнс(л.быть чеТНьм,. Схема ОРШС представлена на рис.;5.6;. -.J £y";-;v' .

В чем смысл такого подразделения секций ? .'&епер№хч;.-^ёчьщае^я эквивалентная индуктивность секции,-что приводит к снижению реактив­

ной ЭДС. Во-вторых, образуется, дополнительный дем^ирующий	контур,
способствующий уменьшению ‘пазового поля, рассеяния;;..	"у "- ^у.

Исследования, проведенные для ОРШС .аналогично,, как и. для ТРО, по- • казали, что данную обмотку целесообразно применять в ма1шлнах-с напря-.

женными условиями коммутации,	т.е. при Т 1 ? 14. Это наглядно	видно
из рис. '5.7, где°эависимость	5 получена для ОРШС с .учет’рм вихревых й
контурных токов.	,.Т	; ‘

Повысить коммутационную надежно стьМПГ позволяет^ применение ступенчатых пазоз якоря, представленных на рис.;-5.9. Расширение верх­ ней части паза приводит к уменьшению пазового поля рассеяния, т.ё. к.

Рис.5.6. Схема•обмрткй О расще-		Рис. ,5.9. Ступенчатый паз
‘ - пленными по. ширине
ч-V >•г!•с е к ц и я м и :'-;
•^ёй^ецйр/п£зр^	.индуктивностисекции и, в конечном
йтоге^^ к-снйжениЬ'-р	ОДС. Как показали исследования, прове­
ренные; н й ' к а ф е д ^	кашин.. Л Я & в машинах средней и боль-
шр'й;'мрщНости^ciyneitoattt^		снизить реактивную ЭДС на

Р^-Г " !i'r*ofj dравнению *-с? прямоугольными пазами. С точки зрения до-

:етй&ёниядбд	уменьшения добавочных коммутаци-
р н н ^ ;:Йд.те	должно выполняться соотношение
•	рисч-.5v9).
	’ЧТЯСтупенчатые 'пазы"-можно применять в ШГ,
?имещйх;.явнс^	зубцов, т .е . в АИГГ с

■||еб0Д ЬЛ ^И ;^Й ^^€^ ЙКбрв'Й' или-,с .большим-числом зубцов и глубокими

:явэёми;; Jfcnetfrid^	избежание насъацения зубцов их мож-
р р ' в ы п р ^	зубца. $ /л з в верхней части не
^ё(теш<5Й у" .ЪсMplBiatHK^v ‘6&J	‘ с(см.рис. 5,9).

:лЧ^*6^'С&ве^е1!ётгованиё методов наладки коммутации

v>';;:BJ:H|iCTpfeiiee время'.основным’способом' экспериментальной наладки крмлутёцййявляется снятие областей безыскровой работы [ 4, ъ] . Для этого,' при разных токах нагрузки с помощью независимого источника на- -пряжёнияу прдключеНногр.к обмотке дополнительных погаосов (ОДП), уве­ личивая в ОДП ток на величину А 1^.. или уменьшая на А1„ до. появ-

67

лени? определенной степени искрения под сбегающим краем щетки, нахо­ дят ОЬР, т.е. область благоприятной с точки зрения коммутации работы данной машины. По ширине и положению средней линии О & р при необходи­ мости производят регулировку второго зазора ДП о Ы!Г средней и боль­ шой мощности или изменяют число витков в М1ГГ малой мощности.

Важными характеристиками ОЬР являются ширина А при номинальной нагрузке и положение у ее средней линии.

А = (А1+‘А1-)/1а-100%, f-(/II++AL)/2Ia. (52)

Практикой установлено, что для МИГ малой, средней и большой мощ­

ности значения А	соответстветственно лежат, в пределах (20 - 30)55,
(5 - 6)55 и (0,5 -	I) 35.

Обращаясь к способу снятия ОБР, необходимо подчеркнуть , что сте­

пень искрения под щеткой определяется испытателем визуально, т.е. данный метод сугубо субъективен. Это обстоятельство и обусловило не­ обходимость разработки приборов, позволяющих объективно оценить ка­ чество коммутации.

Вполне логично, что одними из первых были разработаны приборы,

основанные на использовании фотоэлементов.. В качестве примера можно назвать приборы ИИ-1, ИИ-IM, ИСИ-1, разработанные группой'сотрудни­ ков ОмИИКТ под руководством М.Ф.Карасева.

Приборы этого типа состоят из фотоэлемента, размещенного у сбега­ ющего края щетки и вырабатывающего в зависимости от интенсивности искрения имцульсы фототока различной величины, усилителя тока и реги­ стрирующего устройства. Сопоставляя значения токов (среднего или мгновенных значений) на регистрирующем устройстве с эталонными значе­ ниями для любой степени искрения, можно судить более объективно о ка­ честве коммутации, чем при визульном методу. Но эти приборы имеют

ряд существенных недостатков,, которые не дают возможность признать

их показания, полностью достоверными и усложняют их		использование.
К этим недостаткам относятся: I) показания	приборов	зависят не толь­
ко от интенсивности искрения, но и внешних	условий	- освещенности,
влажности, запыленности и т.д.; кроме того,	интенсивность светового

излучения з'ависи1? от материала контактов и марки щетки; 2) невозмож­ ность оценки интенсивности искрения по всей длине щетки; 3) возмож­ ность контроля искрения щеток только одного бракета при количестве щеток не более двух; 4) трудность' установки фотодатчиков и предыду­ щий недостаток позволяют использовать эти приборы для Ш Г малой

68

мощности, имеющих небольшое число щеточных бракетов. Указанные недо­ статки послужили причиной того, что приборы рассмотренного типа не получили, широкого применения для наладки коммутации.

Напряжение между-разнополярными щетками Ш1Т. кроме постоянной

составляющей, содержит-целый спектр переменных			чрмоник с	основными
частотами: вращения	р-77	/tO; зубцовой	f z = Z Л	/	60;
коллекторной -fK К • я	/ 60 й	коммутационной порядка 30-40			кГц.

Если выделить последнюю высокочастотную составляющую полного напря­ жения между разнополярными щетками; то по величине ее.амплитуды, за­ висящей от интенсивности искрения, можно судить о качестве коммута­ ции. На этом и основан принцип действия другой группы приборов г.";.ак­ тивной оценки коммутации. Приборы этой группы по сравнению с пр.:. рами, основанными на-использовании фотоэлементов, не требуют уста­ новки датчика и в них значительно проще происходит получение сигнала, функционально связанного, с коммутацией. Постоянное напряжение и гар­ моники не— коммутационного порядка в рассматриваемых приборах устра­ няются соответственно конденсатором и фильтрами низких частот.

•Приборы, основанные! на Измерении высокочастотной составляющей напряжения между разнополярными щетками из-за целого рядапричин име­ ют ограниченное.применение и используются в основном для настройки ДП путем,снятия (Г -образных кривых, К этим причинам относятся: по­ казания приборов зависят' от параметров ( L и С ) якорной цепи и

от степени:искрения других машйн, электрически связанных с йспытуе7 мой; показания.приборов зависят не только от параметров обмотки,;но и от числа одновременно разрываемых секций; отсутствует различие в •показаниях приборов.при пере- и недокоммутации; невозможность приме­ нения приборов для оценки коммутации в переходных, режимах.

Получить наиболее достоверную, информацию о качестве коммутации, очевидно, позволит сигнал, сформированный процессами, происходящими под щетками. В качестве такого сигнала может быть использовано па­ дение напряжения под сбегающим краем щетки Zip . Импульсы этого напря­ жения нетрудно снять с помощью.вспомогательной щетки-датчика, уста­

новленной у сбегающего			края щетки (рис. 4.II,а).
К приборам трётьей группы и относятся приборы, основанные на из­
мерении	импульсов	Zip	с помощью вспомогательной щетки. Причём,
чтобы не	изменять	естественное протекание процесса коммутации, ши­

рина контактной поверхности щётки-датчика берется меньше толщины межлямельной изоляции,-Приборы данной группы во многом'лишены кедо-

8 9

статков приборов двух вышеуказанных типов и поэтому нашли широкое применение в исследовании коммутации ЫГГГ на стендах и в условии эк­ сплуатации. Известно много приборов с использованием щетки-датчика, но наиболее совершенными из них являются созданные в ОмИЩ.Те,- на­

пример,	приборы ПКК-2, ПКК-2У4, АК-2. Они позволяют: производить, ис­
следования коммутации		в стационарных и переходных режимах;		проводить
анализ	испульсов Ир	как по коллектору в целом, так	по	группам

или одной коллекторной пластине; путем раздельного интегрирования каждого импульса напряжения получить величину пропорциональную выде­ ляющейся под щеткой энергии и т;д.

К недостаткам при,боров данного типа следует отнести: наличие

щетки-датчика, требующее определенного навыка как но установке, так и но эксплуатаций; усложнение конструкции щетки-датчика иа^за налигчия ограничительных накладок, не позволяющих западать измерительной щетке, в канавки между смежными коллекторными пластинами и имеющих ту же степень износа, что и щетка-датчик; оценку искрения можно про*-

изводить только по одному бракету и в одном направлении вращения магшины.

Кроме указанных трех основных .типов приборов объективной, оценки коммутации, существует еще целый ряд других, устройств; .Например, при* боры, основанные на использовании бесконтактного емкостного датчика; приборы, позволяющие измерить уровень радиопомех, .сопровождающих про.- цесс коммутации; приборы, оценивающие искрение по коммутационной' ред­ акции якоря и т.д. Но эти типы.приборов, не получили широкого-приме* нения по тем или иным, причинам к, поэтому кет необходимости их^рас* сматривать в настоящем пособии..

Говоря о качестве коммутации гаПТ, нельзя, забывать-, что во многом оно определяется состоянием коллектора, в частности его. профилем- (паданием или выступанием отдельных пластинК Для.диагнбстическсго контроля профиля коллектора используются приборы под названйам профилометры. В основу принципа их’действия полокен один. иэ1следующих бесконтактных способов:'* оптический, радаолокационный, емкостной, -вкх- ретоко вый и^электростатический,

Наиболее широкое применение в качестве датчиков профилометров нашли вихретоковые преобразователи. Их устанавливают на корпусе испы­ туемой машины в свободном от щеток месте над коллектором;. Профило­ метр снабжен генератором сигналов высокой частоты, питающим вихрето­ ковый преобразователь, падение напряжения на котором определяется

90