Электрические машины

4.5. Теория коммутационных нарушений

Условие безыскровой коммутации — взаимная компенсация реактивной и коммутирующей ЭДС — является математической абстракцией, так как на практике оно не может быть абсолютно точно выполнено из-за действия (множества факторов, полностью устранить которые не в наших силах.

Причины коммутационных нарушений, т. е. отклонения от условия е_к.ср+£р.ср=0, могут быть заложены в конструкцию машины, возникнуть в результате несовершенства технологии изготовления или при эксплуатации машины.

Наиболее типичные причины коммутационных нарушений — неидентичность секций обмотки якоря (их положения в пазу и т. п.), сдвиг щеток с геометрической нейтрали, смещение главных и добавочных полюсов, отклонение размеров зазоров под ними от расчетных, смещение коллекторных пластин с расчетных мест из-за отклонения их толщины от номинальной, вибрация щеткодержателей и щеток, нестабильность щеточного контакта, броски тока и напряжения, работа от источника пульсирующего напряжения, непритер-тость щеток, низкое качество переходных процессов при различных системах автоматического регулирования и т. д.

При разработке теории коммутационных нарушений было удобно их классифицировать по длительности.

Кратковременные коммутационные нарушения — единичные нарушения, возникающие, например, из-за резкого броска тока, отрыва щетки и т. д. Периодические кратковременные нарушения — нарушения из-за неидентичности секций, лежащих в

одном пазу, при питании напряжением, имеющим высокочастотные составляющие, и т. д.

Длительные коммутационные нарушения — нарушения из-за сдвига щеток с геометрической нейтрали, непритертости щеток и т. п.

Длительность коммутационного нарушения оказывает большое влияние на интенсивность искрения, так как от длительности нарушения зависит характер демпфирования секции, выходящей из режима коммутации, другими секциями, остающимися короткозамк-нутыми.

Выше говорилось, что секции, расположенные рядом в одноименных пазах, обладают сильной взаимоиндукцией. Поэтому при выходе из-под щетки пластины, связанной с несамостоятельной секцией, т. е. не последней в пазу заканчивающей коммутацию, не возникает электрическая дуга, даже если в этот момент существует остаточный ток /₀, так как энергия импульса

очень мала из-за того, что коэффициент связи k_c = M²/L² между рассматриваемой секцией и секциями, лежащими рядом, очень велик: А_с» 1.

Избыточная энергия этой секции передается другим секциям, которые, заканчивая коммутацию, в свою очередь передают избыточную энергию другим короткозамкнутым секциям паза. Чтобы последняя секция слоя паза закончила коммутацию без искрения, избыточная энергия последней секции должна равняться нулю: /_о = 0. Таким образом, для большинства секций паза не соблюдается условие е_к.ср+вр.ср = 0; у одних секций паза коммутация замедленная, у других — ускоренная, но за период коммутации секций паза Т_п эти нарушения коммутации взаимокомпенсируются, поэтому искрения нет. Если за время Г_п происходят какие-либо другие кратковременные нарушения коммутации (например, высокочастотные пульсации коммутирующей ЭДС или тока), то искрение возникает при окончании коммутации тока в последней секции, если суммарные нарушения коммутации за период Т_п не компенсируют друг друга. Из этих рассуждений следуют два важных вывода:

1) кратковременными нарушениями коммутации следует считать те, длительность которых значительно меньше Т_п;

2) если среднее значение отклонений (нарушений коммутации) за период Г_п равно нулю, то искрения на коллекторе нет, так как за период Т_п выполняется условие е_КСр + ер.ср = 0.

При единичном кратковременном нарушении коммутации за период Т_и не соблюдается условие е_Кср+е_р.ср = 0 и вся избыточная энергия всех секций паза передается последней секции. Если пренебречь коммутирующими свойствами щеток (т. е. энергией, рассеиваемой щетками без видимого искрения), то эта энергия

W=0,5 LI₀², где /о — остаточный ток, разрываемый щеткой при выходе из-под нее пластины, связанной с последней секцией паза. Часть этой энергии выделяется в дуге, а другая часть передается в короткозамкнутые секции другого паза, с которыми последняя секция первого паза имеет магнитную связь.

Таким образом, при коммутации последней секции первого паза в дуге выделяется энергия

Чем больше коэффициент связи между секциями соседних пазов, тем .большее число коллекторных пластин рассеивает избыточную энергию и, следовательно, тем равномернее износ пластин, меньше износ щеток, так как большая часть избыточной энергии рассеивается щеткой без искрения.

Особенно благоприятно воздействует на коммутацию большой коэффициент связи, если нарушения коммутации являются периодическими и среднее арифметическое избыточной энергии равно нулю. В этом случае энергия, выделяющаяся в дуговых разрядах под щетками, уменьшается тем сильнее, чем больше коэффициент связи.

Коэффициент связи определяется потоком взаимоиндукции: потоком, замыкающимся вокруг лобовых соединений, и пазовым потоком, сцепленным с секциями, лежащими в разных слоях, если имеется укорочение шага обмотки, и секции, расположенные в разных слоях паза, заканчивают коммутацию в разное время.

Так как с точки зрения ликвидации высших гармоник ЭДС в секции также желательно укорочение шага обмотки на половину паза (см. гл. 3), то обмотки якоря выполняют обычно с таким укорочением. Коэффициент связи в таких обмотках k_c^0,4...0,6.

При определении коэффициента связи не нужно учитывать поток взаимоиндукции между соседними пазами, замыкающийся через главные полюсы и междуполюсное пространство. Как отмеча-

лось выше, роль этого потока сводится к поддержанию среднепря-молинейной коммутации.

Другими словами, если учитывать этот поток, то в формуле (4.66) нужно одновременно увеличивать и коэффициент связи k_c, и индуктивность L. Это приводит к усложнению вычислений, а результат остается практически прежним, так как при демпфировании должен изменяться ток секции, остающейся в процессе коммутации без изменения потокосцепления этой секции.

При длительных нарушениях коммутации (при сдвиге щеток с геометрической нейтрали, отклонении зазора под добавочным полюсом от расчетного и др.) коэффициент связи не играет роли, так как в этом случае нельзя улучшить коммутацию секций одного паза за счет секций другого паза, поскольку секции всех пазов находятся в одинаковых условиях.

Однако на практике в машине всегда бывают и кратковременные и длительные нарушения коммутации, совместное действие которых может привести к искрению. Поэтому машины, обмотки якоря которых обладают хорошими демпфирующими свойствами, имеют |более широкую зону безыскровой работы при опыте подпит-ки'добавочных полюсов, хотя при этом опыте создается длительное нарушение коммутации. Большой коэффициент связи между пазами ослабляет действие кратковременных периодических нарушений коммутации, вызванных нестабильностью щеточного контакта, технологическими отклонениями коллектора и др. Это уменьшает избыточную энергию, выделяющуюся под щетками.

Коммутационное нарушение можно оценить по формуле

При длительном нарушении коммутации все пазы имеют одинаковую избыточную энергию W_w, которая выделяется под краем щетки через время

где t\ — зубцовое деление якоря; v_& — скорость на поверхности якоря.

Удельная мощность разрядов под щеткой

Если нарушения коммутации имеют кратковременный периодический характер, то энергия, выделяющаяся в разрядах под щеткой, существенно уменьшается. Пусть, например, нарушения коммутации имеют синусоидальный характер с периодом Г_д(рис. 4.24) в е_к или е_р присутствует переменная составляющая .

Избыточное число потокосцеплений за период Т_п

Рис. 4.24. Диаграмма кратковременных периодических нарушений коммутации

Этому избыточному числу потокосцеплений соответствует удельная мощность, по аналогии с (4.79),

Так как обычно равновероятно любое соотношение Тп/Т_&, удельная мощность разрядов колеблется от 0 до Р'_УЯтях, т. е. ее среднее значение

где А_Эф = 0,225 7"д/Г_п — эффективное значение коммутационного нарушения при его кратковременном периодическом характере.

Поскольку при периодических нарушениях среднее значение этого нарушения равно нулю, следует учитывать демпфирующее действие секций в соседних пазах, определяя удельную мощность разрядов по формуле

Периодические кратковременные нарушения коммутации действуют значительно слабее, чем длительные нарушения. Например, при 7"п/7"д = 5 и &с = 0,5 избыточная мощность (мощность разрядов) при периодических кратковременных нарушениях коммутации такая же, как при длительных нарушениях коммутации, имеющих примерно в 30 раз меньшее значение А. Этим объясняется тот факт, что при сравнительно больших вибрациях щеток и при значительных технологических отклонениях удается обеспечивать безыскровую коммутацию машин постоянного тока. На удельную мощность искрения сильно влияет угловая скорость машины, так как при ее увеличении пропорционально возрастает е_рп и эффективное значение коммутационного нарушения (из-за уменьшения Т_п), вследствие чего выделяемая под щеткой мощность должна измениться пропорционально третьей степени скорости (если Д и Гд остаются неизменными). Поэтому у некоторых машин при повышении скорости исчезает зона безыскровой работы.

Любопытно явление «мерцающего» искрения, наблюдаемое иногда у двигателей, питаемых пульсирующим током. При определенной угловой скорости якоря искрение под щетками то возникает, то пропадает. Это можно объяснить тем, что нарушение коммутации, вызываемое пульсациями тока и реактивной ЭДС, имеет период, кратный Т„ (когда искрение исчезает) или отличающийся на полпериода (когда искрение максимально).

При коммутационных нарушениях очень большое значение имеют свойства контакта щетки с коллектором. Роль щеточного контакта двойственна: с одной стороны, его нестабильность способствует появлению коммутационных нарушений, с другой — особые свойства щеточного контакта ликвидируют последствия коммутационных нарушений. При нормальных условиях работы щеток,

когда нет чрезмерного износа коллектора, в хорошем состоянии политура и скорость на поверхности коллектора не чрезмерна для данного типа щеток, роль их положительна, т. е. щеточный контакт компенсирует погрешности коммутации. При коммутации несамостоятельных секций безыскровая коммутация обеспечивается хорошим демпфирующим действием соседних секций, замкнутых щеткой. Для полного демпфирования кроме хорошей магнитной связи между секциями желательно, чтобы при скачкообразном изменении тока в демпфирующей секции не возрастали падения напряжения в активных сопротивлениях ее контура. В этом смысле наилучшую характеристику имеет щетка, у которой tVi — i₂r₂~0, т. е. At7~const.

Правда, при быстром изменении плотности тока нужно пользоваться динамической характеристикой, а не статической: при быстром увеличении плотности тока падение напряжения возрастает, а при уменьшении — уменьшается. Однако практика показывает, что несамостоятельные секции искрят очень редко, главным образом тогда, когда имеются механические причины искрения (подпрыгивание щеток). Поэтому можно считать, что щетки всех применяемых марок создают достаточно хорошие условия для демпфирования. Особые свойства щеточного контакта (наличие трех зон проводимости— см. § 4.3) приводят к тому, что время действительного контакта коллекторной пластины со щеткой значительно меньше теоретического времени коммутации. Так, например, при твердой электрографитированной щетке RE59 * действительное время контакта составляло от 40 до 50% от теоретического в зависимости от давления щеток, влажности воздуха и других факторов. При электрографитированной щетке RE4, которая мягче, чем RE59, — твердость которых, по Шору, соответственно 60 и 55 единиц, — время контакта составляло от 50 до 90% от теоретического. Все эти измерения проводились при тщательно притертых щетках. Если щетки плохо притерты, то время контакта может еще более сократиться. Наибольшее влияние на длительность контакта оказывает ток добавочных полюсов, определяющий характер коммутации. При замедленной коммутации контакт щетки с коллекторной пластиной оканчивался у края щетки, т. е. вся сбегающая часть щетки участвовала в проведении тока. В то же время значительная часть набегающего края щетки не участвовала в проведении тока (рис. 4.25, а). Чем больше ток добавочных полюсов, тем раньше начинается коммутация (рис. 4.25, б). Однако в опытах со щетками RE59 не удалось повышением тока добавочных полюсов перенести коммутацию на переднюю часть щетки. При больших токах добавочных полюсов коммутация оканчивается уже перед концом короткого замыкания секции (рис. 4.25, в). При дальнейшем росте тока добавочных полюсов наступает перекоммутация (рис.

* См.: К.люге Г. Время коммутации секции якоря и образование ступеней в кривой коммутации. ETZ. 1955. Bd. 22.

Рис. 4.25. Осциллограмма тока в коммутируемой секции:

4.25, г), т. е. возникает значительный ток из-за действия коммутирующей ЭДС и этот ток рвется щеткой при выходе из-под нее коллекторной пластины. Даже при перекоммутации набегающая часть щетки оказалась разгруженной от тока.

У щетки другой «арки (более мягкой), с большой площадью соприкосновения, при определенном токе добавочных полюсов действительное время контакта составляет около 80% от теоретического. При этом в процесс съема тока включается и набегающая часть щетки.

Естественно, что оптимальная коммутация при увеличении длительности контакта требует меньшего тока добавочных полюсов. Это явление хорошо известно практикам: при замене марки щетки довольно часто смещается безыскровая зона в сторону замедления или ускорения коммутации. Поэтому замена марки щетки в эксплуатации может производиться только после всесторонней проверки; первой стадией этой проверки должно быть испытание машины на стенде со снятием зоны безыскровой работы при обоих сортах щеток — новой и заменяемой. Сокращение действительного времени контакта щетки с коллекторной пластиной по сравнению с теоретическим сокращает не только период коммутации секции, но и период Т_п, хотя и в меньшей степени, так как он определяется формулой

где Ьщ — ширина щетки, соответствующая действительному времени соприкосновения.

При всех опытах по исследованию коммутации отмечалось, что некоторое ускорение коммутации, достигаемое увеличением тока добавочных полюсов, не приводит к искрению; оно желательно, так как создает ступень малого тока, при которой процесс коммутации в секции заканчивается раньше, чем она выходит из режима короткого замыкания [13]. Например, на рис. 4.25, в отчетливо видно, что изменение тока закончилось до того, как секция вышла из-под щетки, и некоторое время ток секции практически не изменялся, т. е. между щеткой и выходящей из-под нее коллекторной пластиной тока не было или он был очень мал *. Естественно, что при таком виде коммутации искрения нет. Таким образом, некото-

* См.: Клюге Г. Свойства щеточного контакта, как причина сокращения времени коммутации. EIM. 1957. № 4.

Удельная мощность разрядов под щеткой при перекоммутации, аналогично (4.79),

Таким образом, при расчете допустимой погрешности коммутации роль щеточного контакта в компенсации коммутационных нарушений сводится к рассеиванию без искрения части избыточной энергии, соответствующей удельной мощности Р_уд~1,0 Вт/см и уменьшению остаточного тока при ускоренной коммутации за счет падения напряжения под щеткой.

Содержание
Предыдущий § Следующий