книги / Машины постоянного тока средней и большой мощности

далее § 4.4.)и искрение возникает, как правило, при размыкании имен­ но этой секции. Если при расстройстве коммутации равномерное искре­ ние имеет место под сбегающими краями щеток по всей длине коллекто ра, то износ щеток будет зависеть от удельной мощности, приходящей­

ся на единицу длины	Сщ	края щеток, Р щ ц^Рщ /С щ .
Исследования показали,		что если удельная м .',ность Рцуд меньше
I Вт/см, то в случае	применения современных эл .ктрографитированных,

угольно-графитных или графитных щеток, обладающих свойством погло­ щать энергию, искрение практически не наблюдается. Указанный крите­ рий, однако, не всегда является оправданным, поэтому"необходимость установления уточненного энергетического критерия возникновения ис­ крения для щеток различных марок остается в настоящее время акту­ альной.

В дальнейшем			будем	исходить из величины энергии	, опреде­
ляемой формулой			(4.2).	Эта энергия зависит'от двух основных величин:
остаточного		тока	А г	и результирующей индуктивности	размыкаемой
секции	Lp	. Рассмотрим, при каких условиях «окно обеспечить мини­
мальную	величину		тока	А г .
Согласно		классической теории коммутации, которая исходит из до­

пущений механического совершенства коллектора и щеточного аппарата и постоянства удельного сопротивления щеточного контакта, различают

три основных			случая коммутации[4, 5]				: I) прямолинейную,				когда
fi*t3 c= 0 ; 2 ) замедленную,					когда./Вк /		< / ^	/] 3)	ускоренную, когда
/ 6ц /	>	/ 6% / и		в к	действует встречно				(рис.4.2). Терети-
-•			г			Рис. 4.2. Определение			остаточного тока
с&	ТБгС
					^		при 'прямолинейной				(Aif),
		\ \ 1 \					замедленной		(di^)		и у
		д	\ \ \	N* 1			ускоренной vи			коммутации
				и
		. • r V S s 1
аТ,	,	m	лПъ .
		'	ГлА .
ческий	период коммутации				Т*	коммутируемой секции определяется для
любого.случая якорной				обмотки выражением Т& = ^Р/)/к ~ 60^ Щ / <п. ,
где бщр		и		- расчётная ширина щетки и расчетное щеточное
перекрытие.			Экспериментальные исследования ряда авторов выявили,
что действительный период коммутации							Тед	отличается от расчетного
Т е д		. Исследования щеточного контакта на модели,								выполненные

Дуалигом, в Дрезденском техническом университете, показали, что весьпериод коммутации секции можно разделить на'четыре временных интерва­

ла. Первый интервал

41

соответствует времени	:от, начала касания-; кбллектр^й^У'ЩйОТИНрЙ. ilte6e-‘
гаящего края щетки до	момента пробоя плёнки окислов ^.,по1к1»вйб1|Их-;д9гГ
верхпость коллектора,	и образования точек 'негюсредственного .Контакта,
через которые начинает протекать" ток. ДлительностьинтервОпа		за­

висит от напряжения, действующего -между;краем щетки-.it;.набегающей.кол-, лекторной пластиной. Во втором интервале число точ^'к?;нейо.Ь{^дс^веннЬг. го контакта невелико, они еще неполностью: сформировались (то разруша­ ются, то вновь возникают), поэтому''падение-'напряжения в щеточном кон­ такте имеет повышенное значение .по*сравнений'•ё квазиетационарной, ‘ вольт-амиерной характеристикой щетки. В третьем йнтервалё АТ3..про-" цесс формирования контактных .точек завершен .вследствие, .большой по­ верхности щеточного контакта и падение напряжения' в; «ем соответству­

ет кваэистлционариой вольт-амперной характеристике.^Четвёртый интер­ вал АТ+ соответствует-зазерщающе:^ атагог -комл^ации, когда сущест­

вует лишь небольшое количество контактных' точек,.-: Процесс -их формиро­

вания отстает от быстро меняющейся плотности, тока; -падение/непрязкё-г ния под щеткой возрастает. .‘При..этом1•на£ j^$eTCj£Кестдбаяьнос^^

точного контакта, чтоприводи* к размыканию'.дЪ.--истёчё«ня оретически рассчитанного периода-; к о ш у т а ц ^ ^ ^ - л ' о м а т р ч м о ^

A i <э протекающего--через...к*“ *	-	-
щетки. Величинуостаточного

чения ускоренной' коммутщу-
'Ек г	& $ % ';5йГ/-	; ->•
где К щ о ' - раз1юсть средн5Дних падений;^папряяе»1ийч<;:
между щеткой и соответствующими коляектср1ши/пл^
подключены концы рассматриваемой-секции при .уЬ’1Ьрет<йЖ;кр^р^^и*
Как показывают исследования-, величина;	сб.р^рляеэ.ГР»3-"^^6|4.В;
Условие оптимальной одадутацци ,(4;5)	справедлийо; для одной сек­

ции.	Сдиако удовлетворитьему одновременно для верх секций одного и.
того	же паза не представляется возможна, так-как величины	и Е^}‘

зависят от многих факторов, как например, щеточного перекрытия (не­ одинакового у различьях щеточных брекетов.), зазора под добавочными полюсами, несимметрйи в расположении главных и добавочных полюсов, а также щеточных брекетовпо окружности якоря и т.д. Вследствие не­ выполнения равенства (4.5) одновременно для вс: ' секций паза возни­

кает небалан'сная: ЭДС	>
	А Е - Е к - ^ Е г + Уцо).	(4.6)

•Практика показывает, что если, небалансная ЭДС невелика, то ис­ крение щеток не наблюдается. Однако г когда эта ЭДС превосходит не­

которое, критическое-значение ДЕнр = 0 ,4 >- 0,6		(0,7)	В, то возника­
ет .заметное искрение. Величина небаЛансной,ЭДС		АЕ	зависит не
только	от, правильного выбора, комглута^онных 'параметров машины, но
..также	в 'значительной степени от качества изготовления машины; Уве­

личение различных технологических отклонений при изготовлении маиины приводит к возрастанию небалансной ЭДСт!£. и.ухудшению коммутации.

Искрение* под набегающим краем;щеток. Имеет ту же физическую при- \роду, и может быть объяснено следующим образом. При неустойчивом ме­

ханическом контакте^ происходят повторные разрывы секции в начале коммутации/"и возникает‘дуговое,искрение, аналогичное искрению под сбегающим краем.. При. этоМ:/достаточное для возникновения искрения на­ пряжение замыкания Уз ррставляет/З - 4 В.- При устойчивом контакте

:и повышенных напряжениям происходят разогрев и выгорание первых то­ чек/контакта с последующим переходом;в дуговое искрение. Напряжение

i/j	а этом Случае превышает 10 - 20 В. В	общем случае для крупных
машин	критической величиной напряжения t/j	можно считать 6 - 7 В.

4.2.Конструктивное исполнение секций якорных обмоток крупных машин постоянного тока

Одним ИЗ: наиболее важных элементов машины постоянного тока явля­ ется якорная обмотка,, при непосредственном участии которой в МИГ про­ исходит преобразование энергии одного вида в энергию другого вида. Кроме того, параметры ее.оказывают значительное влияние на характер протекания процесса коммутации. К этим параметрам относятся: число коллекторных пластин на паз Ып ■* щеточное перекрытие Р ц , сокраще­

ние	шага обмотки	, соотношение Х / Р , .тип обмотки и конструктив­
ное	исполнение секций.
	Секции различного	конструктивного исполнения, наиболее часто при-

43

с=з

	С- 2		д)
				-ED-
г	• J / J	1	L
	тг_г “Т . 7 П
		W
		"3— 0 .		ii==£ D
	л -	f
	Рис.4 .3 . Конструктивное исполнение секций
а)		б)

Г Г Г Р

Рис.4 ,4 . Цепи контурных токов ь подразделенных секциях

С ¥ 3

” _

I *•

^/ t E

обмотки якоря .ыГГГ

а;	б) 7
7

г T i "1

i ._J i 1 L-

□

Рис. 4.5

Способы укладки проводников якорной обмотки

меняемые в МИГ представлены на рис. 4.3 массивные или неподраэделен­

ные (КП) секции (рис.4.3,а); .Нераэрезные секции (с гнутыми головками лобовых частей), подразделенные на два (J1PJJ2, рис.4.3,б) и на три (НРПЗ, рис.4.3,в) элементарных проводника; разрезные секции (с паян­ ными головками лобовых частей), подразделенные на два (РП2, рис.4.3, г) и на три (РЛЗ, рис.4.3,д) элементарных проводника. Параметре ука­

зывает	число элементарных	проводников по	высоте секции.
В	процессе коммутации	при изменении	тока в секциях от +	до-г^

происходит изменение пазового поля рассеяния, т.е. меняется потокосцепление проводников в пазу якоря. *Зто приводит к возникновению в проводниках вихревих токов, которые в основном будут замыкаться по

пазовой части секции'. Причем вихревые			токи будут индуктироваться как
в	неподраэде ленных, так и	в разрезных	и неразрезных подразделенных
на	элементарные проводники	секциях.

Взаимодействие магнитных полей основных и вихревых токов провод­ ников иллюстрируется рис. 4.3,а, где для принятого направления основ­ ных токов в проводниках за плоскость рисунка, обозначенного знакомX, показаны часть силовых линий магнитного поля, созданного основными

токами, а также	векторы индукций указанного поля Вп		и поля вихре­
вых токов ВВх	Для	случая нарастания тока в проводниках. Вихревые
токи в соответствии		с законом Ленца стремятся сохранить	неизменным

.магнитный поток, сцепленный с проводниками в пазу, т.е. будут умень­ шать скорость. изменения,пазового поля рассеяния, тем самым уменьшая

'реактивную ЭДС. В этом.-заключается благоприятнее воздействие вихре­ выхтс коз на коммутацию. Но, с другой стороны ,за счет суммирования вихревых токов' с основным получается неравномерное распределение плотности .тока по высоте проводника, причем повышение плотности тока будет в, верхней части проводника. Это обстоятельство может рассматри­ ваться как .-уменьшение'поперечного сечения проводника, т.е. увеличе­

ние •сопротивления проводника и, в конечном итоге, увеличение потерь

"В --нем*-;: .

Б.подрааделенныхпо высоте секциях, кроме вихревых токов, возни­ кают также-и контурные токи. Они обусловлены действием в контуре, об­ разованном элементарными проводниками, принадлежащими одной секции и

лежащим в разных слоях паза, разностью ЭДС,в.отих проводниках. Дейст­ вительно, из двух элементарных проводников одной секции у проводника,

расположенного	в более нижнем слое паза, потокосцепление больше, чем
у проводника,	находящегося над ним. Отсюда следует, что и значение

ЭДС в.нижнем проводнике будет выше, чем у- верхнего.

В качестве примера показаны цепи-контурных'токов для НРЛ2 (рис.

4.4,а) и РЛ2 (рис.414,б) секций. Из анализа, рисунка видно, что вели­ чины контурных токов в РП и НРП секциях различны, так, как они замыка­ ются по" контурам с разным, сопротивлением и в контурах‘НРЛ секций дей­

ствует меньшая. ЭДС вследствие изменения, расположения, соответствующих элементарных проводников в слоях двух пазов (см.рис. 4.3,6 и в) , Сле­ довательно, влияние контурных токов на изменение реактизной ЭДС и добавочные потери в НРЛ и РП секциях неодинаково. Количественная оценка влияния вихревых и контурных токов на указанный факторы' будет выполнена в последующих разделах.

Кроме конструктивного исполнения-секций, необходимо также оце­ нить способы укладки (расположения) проводников в пазах якоря; Выбор, способа укладки определяет технологичность изготовления'обмотки, ве­ личину дополнительных потерь в ней, ее демпфирующие свойства и.т.д.

Два существующих способа укладки проводников прямоугольного .сече­

ния в пазах якоря, так называемые способы на ’‘ребро" представлены на (рис.4.5,а) и "плашмя" (рис.4,5,б). Причем в качестве примера взят,

паз с Ип- 3.	При укладке проводников "плашмя" требуется меньше па­
зовой изоляции	,чем при укладке на-"ребро", что позволяет.повысить

коэффициент заполнения паза медью. Кроме того, как видно из рис.4.5/ при этом способе условия отвода тепла более, равномерны для всех, про­ водников паза.

Несмотря -на указанные преимущества расположения проводников "пла­ шмя", способ укладки на "ребро" является болеё.технологичным и в .ос­ новном применяется в МПГ.Дело в том, что при укладке проводников "плашмя" сложно технологически выполнять изгиб в лобовых частях и перед входом, в петушок коллекторной пластины проводник необходимо по­ вернуть в сечении на 90°. Данный спрсоб используется, только в тяго-’ вых машинах для электровозов с целью уменьшения добавочных потерь в этих высокоскоростных МИГ.

4.3. Расчет реактивной ЭДС и добавочных коммутационных потерь

Как уже отмечалось, важнейшим параметром, характеризующим напря­ женность коммутации ШГ,'-.является реактивная ЭДС Еъ . Расчет ёе мо ­ жет быть выполнен различными методами с различной степенью точности.

46'

Классическим методом, позволяющим определить среднее значение реак­

тивной ЭДС.-секциис.учетом ширины щетки, является графический метод

.Р.Рихтера С 4 >1 .Покажем его,суть на примере простой петлевой рав­

ноеекдиоиной .обмотки'.с Диаметральным шагом,		имеющей данные 2р = 4;
Д - 40;. Уп = 3 ; К у 120; 7/; = 30;	y iz	= 10. Расположение сто-
■рон.1,2 й.З секций в пазах представлено	на рис. 4.6. Так как щеточ-

’Рис: /4 .6 v:Фрагмент. -простой,петлевой равносекционной

	r'!oqibTkli. «соря /
крлький\секция£>^к^							-в них возникают ЭДС взаимо-
							. М		секций I, Я, 3, рас-
									1 .и П вследствие их
:^полйЙ мфг.нитнрй;^^							близка, к собственной индуктив-
v ;Ности! .этих с	е	к	ц	и	й	;	'	(0,9-0,95)Ьс			Взаимная
			'располож.ен!1Ых. а				соседних		пазах, заметно меньше
^и./р’айна^-Ы; Ы < Р ^ ^ , З З У : ^ е					' ^аимоиндукция				секций, расположенных
С'"в*:*4;^ С э н >	Ь с	-	- '	л а	з *	^ ,	Мс -	(0,26-0*30) Lc			, в раз-
v.				-Me •		05-С>,*0в) LQ			. В	излагаемом методе
'пру*£ер			•;ксм»^ация'прямолинейная;							толщина изоляции
		"Ащ ;Ц:0 ; взаимные индуктивности								M^hc ; М*а 0 ;

^ \ ^ 0. гСбаЬШй 1Ц ^ | ^ ' .ceioptlj* .расположенных в различных пазах не -уч^вдетсяУ;%'41М.Ш1М ^ 1^я -танже предположение об злектричеокой и маг­ нитной /ойгёлетрии Мадины*. Ото 'позволяет четырехполюсную машину заме­ нить эквивалентной двухполюсной и тогда стороны секций 31, 32 , 33 на­ ходятся в тех же пазах, что и стороны рассматриваемых секций I, 2 , 3,

но в других слоях обмотки. Так как	= 30 - целому числу, то комму-
	47

тация в секциях 31, 32 , 33 (обозначим их условно 1 / , 2' , 3'), за­ мыкаем накоротко щеткой противоположной полярности, происходит одно­ временно с коммутацией секций I, 2 , 3

Рис. 4.7. Построение кривой реактивной ЭДС при прямолинейной коммутаций — «

48

Ток в соседних секциях		I, 2, 3 изменяется со сдвигом во времени
на интервал	4 £ в рк/(/к , соответствующий повороту якоря на одно
коллекторное	деление (рис,	4.7), При этом время	коммутации 11п секций
одного слоя	паза
	7 0 «	Тк+ ( U n r l ) A b j	(4 ,7)

чему соответствует расстояние,, пройденное серединой паза по окружно­

сти якоря, или ширина коммутационной зоны,				8к ~6щ+р\<(и-1),
о(	_ /				J
где Оц и	6 К	- ширина щетки и коллекторное деление, .приведен­
ные к диаметру окружности якоря.
,В общем случае		сложной.обмотки якоря при		ширина коммута­
ционной зоны			•а
		5 К5=5	Р к (Ц~ *р"+/£к/) 9		(4,8)

-К

где Ск ~~2Р ~3// “ укорочение шага, измеренное числом коллекторных делений.

В случае прямолинейной коммутации ЭДС само- и взаимоиндукций

коммутируемых секций имеют постоянную величину и на. рис. 4.7 изобра-

%

жаются. в виде прямоугольников, причем высоты прямоугольников, изо­ бражающих ЭДС взаимоиндукции в секциях I, 2, 3 от изменения тока в секциях l\ 2 ;, 3*меньше, чем ЭДС самоиндукции секций X, 2, 3 или ЭДС взаимоиндукции между этими секциями, расположенными рядом друг с другом.'

еи= eLz=eUi=eW 2 e« я =

e ' w - eM I Z *•c « « * e ~ eм г з w t = e м и e £ A W -

		Суммирование всех ЭДС на первых интервалах времени I, 2 , 3
определяет ступенчатую кривую реактивной ЭДС						&г>} первой секции;
на	интервалах		2, 3 v n 4	- ЭДС	второй секции, и интервалах
3,	4	и 5	- третьей	секции	С-гз	Вся сту­

пенчатая кривая представляет собой реактивную ЭДС. Ufi		секции	(трех
секций), стороны которых расположены б о д н о м слое паза		(левые	сторо­
ны а верхнем слое, правые - в нижнем слое).
Для обеспечения прямолинейной коммутации реактивную ЭДС			не­
обходимо скомпенсировать коммутирующей ЭДС	£н . Форма	кривой	Pf<(t)
определяется распределением магнитной индукции* Як (Л)		н зоне	ком­
мутации, причем зависимость Вн(X) может	представлять	только	плав­

ную кривую (см. рис.'4.7), Таким образом,.идеальную Компенсацию реак­ тивной ЭДС с помощью коммутирующей ЭДС.для любого момента времени,, как показывает рис. 4.7, невозможно обеспечить даже теоретически.

Построенная ступенчатая	кривая	в г ( t )	даст	возможность найти		сред­
ние значения реактивной	ЭДС для	каждой	секции	б-ыср	б ы с р	,
£ ггер . Для данной обмотки важно подобрать форму кривой					поля

таи, чтобы обеспечить компенсацию средних реактивных ЭДС секций за счет коммутирующих ЭДС ?к\ср , Рич ср , Скзср . Однако'это не все­ гда возможно (в частности, например, для ступенчатых обмоток). Кроме того, необходимо учесть, что в коммутационную зону,проникает магнит­

ное поле главных полюсов (кривая	Вгп{Х) на рис. 4.7), которое на
одном крае ««^мутационной зоны усиливает поле добавочных		полюсов, а
на другом - ослабляет, и тем самым создавая условия для		возникнове­
ния небалансной ЭДС в отдельных	коммутируемых секциях Сне 'Говоря уже
о влиянии других факторов, в том числе технологического		характера),
В большинстве случаев при проектировании :«ЛТнаходят среднее -зна­
чение реактивной ЭДС для всех секций паза, а именно

Сгер ~ £'i)cpJr в г2ср +.£;lJcp)/3 ^Е-г.

Исходя из условия оптимальной коммутации (4.5), определяют среднюю

величину коммутирующей ЭДС Ек и по ней			производят расчет-.ппрамет— .•
ров добавочных полисов (число витков Щ.			ееличины•зазора а аа. и
%	>•	■	г	,
	Графический метод определения реактивной ЗДС с-г-			, хотя-является

наглядным, сказывается достаточно сложны!.', и неудобным для. практичес­

кого	использования, особенно а случае		волновых	ступенчатых	петле­
вых обмоток. Поэтому на практике		применяется метод м.Цорна, в			кото-
f	графическое построение заменено расчетом.с использованием				вспо­
могательных кривых, построенных по данным, полученным по способу
Г.Рихтера. iгсчет реактивной ЭДС		Еъ	производят	по формуле	[ i ]

50