Коммутация в машинах постоянного тока
Под коммутацией в машинах постоянного тока понимают явления, вызванные изменением направления тока в проводниках обмотки якоря при переходе их из одной параллельной ветви в другую, т. е. при пересечении линии, по которой расположены щетки (от лат. commulatio — изменение). Рассмотрим явление коммутации на примере кольцевого якоря.
На рис. 1 показана развертка части обмотки якоря, состоящей из четырех проводников, части коллектора (две коллекторные пластины) и щетки. Проводники 2 и 3 образуют коммутируемый виток, который на рис. 1, а показан в положении, которое он занимает до коммутации, на рис. 1, в — после коммутации, а на рис. 1, б — в период коммутации. Коллектор и обмотка якоря вращаются в указанном стрелкой направлении с частотой вращения п, щетка неподвижна.
В момент времени до коммутации ток якоря Iя проходит через щетку, правую коллекторную пластину и разделяется между параллельными ветвями обмотки якоря пополам. Проводники 1, 2 и 3 и проводник 4 образуют разные параллельные ветви.
После коммутации проводники 2 и 3 перешли в другую параллельную ветвь и направление тока в них изменилось на противоположное. Это изменение произошло за время, равное периоду коммутации Тk, т. е. за время, которое требуется, чтобы щетка перешла с правой пластины на соседнюю левую (в действительности щетка перекрывает сразу несколько пластин коллектора, но в принципе это не влияет на процесс коммутации).
Рис. 1. Схема процесса коммутации тока
Один из моментов периода коммутации показан на рис. 1, б. Коммутируемый виток оказывается замкнутым накоротко коллекторными пластинами и щеткой. Так как за период коммутации происходит изменение направления тока в витке 2—3, то это означает, что по витку протекает переменный ток, создающий переменный магнитный поток.
Последний индуцирует в коммутируемом витке э. д. с. самоиндукции еL, или реактивную э. д. с. Согласно принципу Ленца, э. д. с. самоиндукции стремится поддержать в проводнике ток прежнего направления. Следовательно, направление еL совпадает с направлением тока в витке до коммутации.
Под действием э. д. с. самоиндукции в короткозамкнутом витке 2—3 протекает большой дополнительный ток iд, так как сопротивление контура мало. В месте контакта щетки с левой пластиной ток iд направлен противоположно току якоря, а в месте контакта щетки с правой пластиной направление этих токов совпадает.
Чем ближе к окончанию периода коммутации, тем меньше площадь контакта щетки с правой пластиной и тем больше плотность тока. По окончании периода коммутации контакт щетки с правой пластиной разрывается и образуется электрическая дуга. Чем больше ток iд, тем мощнее электрическая дуга.
Если щетки располагаются на геометрической нейтрали, то в коммутируемом витке магнитным потоком якоря индуцируется э. д. с. вращения евр. На рис. 2 в увеличенном масштабе показаны проводники коммутируемого витка, расположенные на геометрической нейтрали, и направление э. д. с. самоиндукции еL для генератора, совпадающее с направлением тока якоря в этом проводнике до коммутации.
Направление евр определяется по правилу правой руки и всегда совпадает с направлением еL. В результате iд еще больше увеличивается. Возникающая электрическая дуга между щеткой и коллекторной пластиной может разрушить поверхность коллектора, в результате чего ухудшается контакт между щеткой и коллектором.
Рис. 2. Направление э.д.с. в коммутирующем витке
Для улучшения условий коммутации сдвигают щетки в сторону физической нейтрали. При расположении щеток на физической нейтрали коммутируемый виток не пересекает никакого внешнего магнитного потока и э. д. с. вращения не индуцируется. Если сдвинуть щетки дальше физической нейтрали, как показано на рис. 3, то в коммутируемом витке результирующий магнитный поток будет индуцировать э. д. с. ек, направление которой противоположно направлению э. д. с. самоиндукции еL.
Таким образом, будет скомпенсирована не только э. д. с. вращения, но и э. д. с. самоиндукции (частично или полностью). Как указывалось ранее, угол сдвига физической нейтрали все время меняется и поэтому щетки обычно устанавливают со сдвигом на некоторый средний угол по отношению к ней.
Уменьшение э. д. с. в коммутируемом витке приводит к уменьшению тока iд и ослаблению электрического разряда между щеткой и коллекторной пластиной.
Улучшить условия коммутации можно установкой добавочных полюсов (Nдп и Sдn на рис. 4). Добавочный полюс располагают по геометрической нейтрали. У генераторов одноименный добавочный полюс располагается за основным полюсом по ходу вращения якоря, а у двигателя — наоборот. Обмотки добавочных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря таким образом, чтобы создаваемый ими поток Фдп был направлен навстречу потоку якоря Фя.
Рис. 3. Направление э.д.с. в коммутируемом витке при сдвиге щеток за физическую нейтраль
Рис. 4. Схема включения обмоток добавочных полюсов
Так как оба эти потока создаются одним током (током якоря), то можно подобрать число витков обмотки добавочных полюсов и воздушный зазор между ними и якорем такими, чтобы потоки были равны по значению при любом токе якоря. Поток добавочных полюсов будет всегда компенсировать поток якоря и, таким образом, э. д. с. вращения в коммутируемом витке будет отсутствовать.
Добавочные полюсы обычно делают такими, чтобы их поток индуцировал в коммутируемом витке э. д. с, равную сумме еL + евр. Тогда в момент отрыва щетки от правой коллекторной пластины (см. рис. 1, в) электрическая дуга не возникает.
Выпускаемые промышленностью машины постоянного тока мощностью 1 кВт и выше снабжены добавочными полюсами.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Методика нормирования качества коммутации в тяговых электрических машинах Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»
КОММУТАЦИЯ / ТЯГОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ / ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПОЛЮСА / ПРИБОР КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА КОММУТАЦИИ ПКК-2М / КРИТЕРИИ ИСКРООБРАЗОВАНИЯ / ОБОБЩЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ КОММУТАЦИОННОЙ НАПРЯЖЕННОСТИ / ТОК РАЗРЫВА / SWITCHING / TRACTION ELECTRIC CARS / ADDITIONAL POLES / THE DEVICE OF QUALITY CONTROL OF SWITCHING PKK-2M / CRITERIA OF THE ISKROOBRAZOVANIYE / THE GENERALIZED INDICATORS OF SWITCHING INTENSITY / A GAP CURRENT
Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Авилов Валерий Дмитриевич, Исмаилов Шафигула Калимуллович
В статье на основе анализа критерия коммутационной напряженности машин постоянного тока предлагается методика нормирования качества коммутации тяговых электрических машин, базирующаяся на методе Карасева Суворова с использованием потенциальной щетки-датчика на сбегающем крае основной щетки и прибора контроля коммутации ПКК-2М.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Авилов Валерий Дмитриевич, Исмаилов Шафигула Калимуллович
Оценка влияния профиля коллектора машины постоянного тока на работу скользящего контакта
Решение проблемы оптимизации коммутационного процесса в электрических машинах постоянного тока
Повышение качества токосъема в контакте «Щетка-коллектор» тягового электродвигателя электровоза 2ЭС6
Анализ методов и средств диагностирования коммутации электрических двигателей постоянного тока
К вопросу о повышении коммутационной устойчивости коллекторных машин постоянного тока
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
TECHNIQUE OF RATIONING OF QUALITY OF SWITCHING IN TRACTION ELECTRIC CARS
In article, on the basis of the analysis of criterion of switching intensity of cars of a direct current, the technique of rationing of quality of switching of the traction electric cars, based on Karasev-Suvorov’s method with use of a potential brush sensor at running edge of the main brush and the device of control of switching PKK-2M is offered.
Текст научной работы на тему «Методика нормирования качества коммутации в тяговых электрических машинах»
В. Д. Авилов, Ш. К. Исмаилов
МЕТОДИКА НОРМИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА КОММУТАЦИИ В ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ
В статье на основе анализа критерия коммутационной напряженности машин постоянного тока предлагается методика нормирования качества коммутации тяговых электрических машин, базирующаяся на методе Карасева — Суворова с использованием потенциальной щетки-датчика на сбегающем крае основной щетки и прибора контроля коммутации ПКК-2М.
Теория оптимальной коммутации в машинах постоянного тока разработана под руководством Михаила Федоровича Карасева, доктора технических наук, профессора, заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, которому в 2013 г. исполняется 110 лет со дня рождения.
Научное наследие в трудах профессора М. Ф. Карасева трудно переоценить. Здесь глубокие физические исследования самого процесса коммутации, роль щеточного контакта, влияние условий работы коллекторно-щеточного узла на качество токосъема, явление неидентичности коммутационных циклов как основного фактора проблемности настройки коммутации, критерии оптимальных условий коммутации на уровне теории и инструментальных оценок и, наконец, разработка инструментов и методов исследования и настройки коммутации коллекторных машин постоянного тока.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведенные под руководством профессора М. Ф. Карасева, позволили довести приборы по объективной оценке уровня искрения до промышленных образцов. С использованием данных приборов разработаны новые методы настройки коммутации с учетом условий эксплуатации промышленных и тяговых электрических машин подвижного состава железных дорог, где внедрены структурные схемы управления техническим диагностированием; разработаны трехмерные математические модели коммутационных свойств тяговых электродвигателей и вспомогательных электрических машин и графоаналитический метод корректировки зазоров под дополнительными полюсами и т. д.
Коммутация в машинах постоянного тока — это процесс изменения направления тока в секциях обмотки якоря при переходе ее из одной параллельной ветви в другую. От характера этого изменения зависят условия токосъема на коллекторе. Оптимальная коммутация обеспечивает обесточивание сбегающего края щетки, для чего коммутирующая ЭДС ек, создаваемая дополнительными полюсами (ДП), должна быть примерно на 15 — 20 % больше реактивной ЭДС ег [1].
К критериям работоспособности коллекторно-щеточного узла (КЩУ) относятся искрение щеток, биение коллектора, износ щеток, износ и температура коллектора, ширина безыскровой зоны, переходное сопротивление щеточного контакта, падение напряжения и величина небалансной ЭДС. К критериям отказа относятся превышение допустимых уровня искрения, скорости или величины износа щеток, износ коллектора, значение температуры коллектора, стабильность переходного сопротивления щеточного контакта и превышение допустимого значения биения коллектора.
Многочисленные стендовые и эксплуатационные испытания тяговых электрических машин (ТЭМ) позволяют сделать вывод о том, что наиболее общими критериями оценки качества работы КЩУ являются среднеквадратическое отклонение перепада уровней коллекторных пластин и уровень искрения (на практике обычно используются значения биения и искрения). Причем если первый критерий включает в себя в основном причины механического характера, то второй является наиболее общим и включает в себя все три вида причин (электромагнитные, механические, физико-химические), обусловливающих коммутационный процесс. Кроме того, методом оценки качества коммутации по уровню искрения официально принят ГОСТ
2 ИЗВЕСТИЯ Транссиба №2 п2!10)
183-74, что является одним из элементов, препятствующих построению моделей надежности КЩУ ТЭМ электроподвижного состава (ЭПС).
В работах [2, 3, 5, 6] было показано, что износ коллектора и щеток зависит от интенсивности искрения в КЩУ ТЭМ. Эксплуатационная надежность тягового электродвигателя (ТЭД) связана также и с качеством коммутации, что показано в данной работе, а также в [1, 2, 4 — 6]. Установление норм допустимого искрения в баллах ГОСТ 183-74 (визуальный способ) не гарантирует надежной работы двигателей в эксплуатации. Приборы, принцип действия которых основан на измерении напряжения импульсов искрения на сбегающем крае щеток (например, прибор контроля качества коммутации ПКК-2М), позволяют оценивать качество коммутации более точно, чем с помощью визуального способа, потому и нормирование качества коммута-ции следует производить в физических величинах, измеряемых прибором. Исходя из этого должен быть определен уровень максимального искрения, который не вызвал бы недопустимого повреждения КЩУ в течение установленного срока работы электрической машины постоянного тока (ЭМ ПТ) и обеспечивал бы заданную надежность в эксплуатации, так как тяговые электродвигатели электровозов чрезвычайно напряжены в коммутационном отношении, а условия их работы (динамические усилия, вибрация колесно-моторного блока (КМБ) в вертикальном и горизонтальном направлениях, загрязнения и т. п.) усугубляют проблему коммутационной устойчивости этих машин. При конструировании ТЭМ должны учитываться ее особенности, необходимо заранее иметь возможность оценить ее коммутационные свойства, так как интенсивность искрения связана со многими конструктивными параметрами, а также зависит от технологических отклонений размеров деталей от расчетных значений, часто определяющих ее работоспособность.
Актуальным остается вопрос о критериях искрообразования и коммутационной напряженности коллекторных электрических машин. Это основной вопрос, лежащий в основе как теории токосъема, так и экспериментальных исследований. В середине XX в. рядом исследователей был рассмотрен вопрос о критериях искрообразования и коммутационной напряженности. После того как сформировалось понятие неидентичности коммутационного процесса, критерии искрообразования приобрели еще большее значение. В полученном обширном перечне предлагаемых сегодня критериев фигурируют практически все параметры, в той или иной мере характеризующие коммутационный процесс.
Известные критерии можно разделить на четыре основные группы [3]:
— удельная мощность и энергия, связанная с дугообразованием;
— характер протекания тока в коммутирующей секции;
— повышенные значения напряжения на каком-либо участке коммутируемого контура;
— обобщенные показатели коммутационной напряженности коллекторных электрических машин.
Исследователи, связывающие интенсивность искрения в контакте с выделяющейся мощностью или энергией, практически сходятся друг с другом во взглядах на происхождение искрения, а формулы для определения искрения, предложенные В. И. Белошенко, А. Б. Иоффе, А. С. Курбасовым, В. П. Толкуновым и др., значительно отличаются. Приведенные в таблице критерии имеют много общего. Хотя бы присутствие в размерности единиц мощности и геометрических размеров щеточного аппарата.
В настоящее время нет универсального критерия коммутационной устойчивости электрических машин постоянного тока. По мнению многих исследователей, коммутационную напряженность ТЭМ достаточно полно отражает фактор искрения, предложенный Иоффе А. Б., в который вошел и критерий Е. Арнольда [8]:
где С = 1 для петлевой и волновой обмоток с полным комплектом щеток; С = 2 для волновой
м;п2!120)^И ИЗВЕСТИЯ Транссиб а 3
обмотки с одним комплектом щеток; Дк — диаметр коллектора, см; ¡к — некомпенсированный ток, разрываемый щетками; Ьс — индуктивность секции, Гн; «9К — окружная скорость коллектора, см/с; ^ — коллекторное деление, см; Ьщ — аксиальная длина щеток одного щеткодержателя, см.
Критерии коммутационной напряженности
Группа критериев Фамилия исследователя Условие безыскровой работы Критическое значение
Мощность (энергия), выделяющаяся в скользящем контакте Е. Арнольд L • i2 -v P(y) = 100 с *max к 2 • t • l • n к щ щ Ру< 50 Вт/см
В. С. Хвостов L • t • m A — с д 2•пш ■ L А’ = (0,5 — 1)
Обобщенный показатель коммутационной напряженности А. Б. Иоффе / \ 1,5 п \ 40 | Ф = с • P — y Д V^к у Фи = 0,7 — 1,5
А. С. Курбасов k _ er iа ^ k e 2 • t • l к щ К ~ 200 2500 ВТ’ с • см
А. Л. Курочка = er ‘Ukmax ‘Vk , B2/cm tK
В. С. Хвостов i • e К n m k ~ l Щ kщ < 500 Вт/см
Объективной причиной искрообразования в КЩУ ТЭМ является эффект размыкания цепи короткозамкнутой секции при выходе пластин коллектора из-под щетки. Так, в соответствии с данной теорией к концу периода коммутации ток в секции обмотки якоря не успевает дойти до значения ¡а — величины тока в параллельной цепи (т. е. измениться от + 4 до — 10) и должен измениться скачком при размыкании цепи короткозамкнутой секции. Следовательно, так называемый добавочный ток короткого замыкания ¡к должен при таком выключении измениться с некоторого значения ¡к, имеющего место при разрыве секции, до нуля.
Таким образом, при выходе секции обмотки якоря из короткого замыкания она освобож-
дает в контакте «щетка — коллектор» энергию, пропорциональную величине 4 ^ Следовательно, мощность, выделяющаяся под единицей длины щетки, может быть выражена величиной, пропорциональной
Можно предположить, что интенсивность искрения под щеткой будет определяться этой величиной АР, которую рационально назвать фактором искрения. Таким образом, возникает возможность количественной оценки качества коммутации ТЭМ путем установления экспериментальным способом зависимости между качеством коммутации в баллах ГОСТ 183-74, величиной фактора искрения и интенсивностью искрения на сбегающем крае щеток, оцениваемой по прибору ПКК-2М.
В тяговых электрических машинах с петлевой обмоткой фактор искрения может быть вычислен по формуле (2). Поэтому в общем виде принимаем мощность, выделяющуюся под единицей длины щетки
4 ИЗВЕСТИЯ Транссиба N2 n2íl0)
Так как принято, что для петлевой обмотки С = 1, то в последующих расчетах нормирования качества коммутации ТЭД С учитывать не будем.
Первый сомножитель в выражении (1) учитывает механические факторы искрения. При построении экспериментальной зависимости между степенью искрения и величиной фактора искрения выяснилось, что увеличение диаметра коллектора при прочих равных условиях при -водит к уменьшению интенсивности искрения в КЩУ, поскольку при этом уменьшается частота возмущающих контакт щетки механических колебаний. Второй сомножитель уравнения (1) выражает мощность, выделяемую в искровом разряде, приходящуюся на единицу длины щетки в ваттах на сантиметр [8].
В системе СИ в несколько преобразованном виде формула (1) имеет вид:
[04 Ьс • /к2 Дк 2• Дк •¿к•Ь
В формуле (4) все линейные размеры выражаются в метрах. Величину, определенную по формуле (4), для перевода в значение формулы (1) следует умножить на 10 — 4 .
В уравнении (4) второй сомножитель имеет размерность плотности потока энергии (ватт на метр) и более точно отражает сущность явлений износа коллектора и щеток, так как при расстройстве коммутации не выше 2 баллов по ГОСТ 183-74 износ искрящих пластин коллектора происходит равномерно по всей ширине, т. е. не по линии, а по площади пластин. Многие исследователи отмечали, что использование этого фактора искрения на практике затруднено, так как значение нескомпенсированного тока, разрываемого щетками, трудно определимо.
Объективная оценка качества коммутации возможна при измерении физических величин, связанных с искрением щеток (интенсивность светового излучения, переменная составляющая напряжения, уровень радиопомех, напряжение импульсов искрения и т. п.). Наибольшую достоверность и информативность о причинах расстройства коммутации имеет метод Карасева —
Суворова, который основан на измерении прибором импульсов напряжения искрения на сбегающем крае щеток. С коллекторных пластин импульс напряжения искрения снимается щеткой-датчиком. Уровень искрения связан с величиной разрываемого тока, поэтому имеется возможность количественно оценить качество коммутации. Названный метод позволяет диагностировать причины расстройства коммутации; смещение щеток с геометрической нейтрали; наличие нарушения магнитной системы остова (в цепи ДП); неудовлетворительное механическое состояние коллектора (биение, перепады пластин) и др.
Таким образом, применение приборов, измеряющих среднее значение напряжения импульсов искрения (прибор контроля коммутации ПКК-2М), позволит по уровню искрения оценить коммутационную устойчивость ТЭМ с учетом ее конструктивных особенностей, по численному значению предложенного фактора искрения Фи.
Напомним физическую картину процесса коммутации с дуговым искрением, которая приведена на рисунке. Здесь ¡м — ток разрыва коммутируемой 1-й секции; т^ — длительность дугового разряда; ищ — падение напряжения в контакте от рабочего тока; ид — напряжение дуги.
Физический смысл процесса коммутации с дуговым искрением
м22120) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 5
Площадь импульса напряжения при ид = const, что подтверждено многочисленными экспериментами, найдем как
С другой стороны, из ыи =-L —— среднее напряжение дуги при Lp = const
Из этого следует, что, измеряя площади импульсов напряжения при искрении, можно оценить интегральное значение тока разрыва секций /к.
Показания прибора типа ПКК-2М определяются следующим образом:
Лк/нк = Т11 ии= Т1 ЬР ‘ ^ ^ , (7)
где К1— коэффициент преобразования, уд. ед. / В; Ти — время интегрирования, или постоянная прибора, с; Ьр — индуктивность секции при разрыве, В’с/А; т — число импульсов токазавремя Ти.
Суммарный ток разрыва ^ ¡ы можно представить как т /КСр, где т — число импульсов ис-
крения за время интегрирования прибора Ти.
Как правило, в первую очередь начинают искрить последние (обособленные) секции паза, в которых накапливается некомпенсированная электромагнитная энергия предыдущих секций паза, тогда число импульсов искрения определяется количеством реальных пазов 2:
n • z Ki • Lp •n •z .
—а показания прибора — Лпк/нк =-—-‘
В данном выражении Lp — индуктивность секции в момент ее разрыва, она зависит от типа обмотки, конструкции паза и размеров проводника и выражается через коэффициент демпфирования Kd [7], а именно: LD = Kd • Lc.
Тогда средний ток разрыва секции iKcp можно представить как
Ki-Lc ■ Kd ■ z n ‘ (8)
Анализируя выражение (8), можно отметить, что если условия коммутации не изменяются
с регулированием частоты вращения, то отношение пк/нк = const, а первый сомножитель оп-
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
ределяется параметрами электрической машины и техническими данными прибора.
После подстановки значения тока разрыва (8) в выражение (4) и некоторых преобразований получим:
L • K2 • z2 • t • L Ki • n
6 ИЗВЕСТИЯ Транссиба N;n2!l0)
Выражение (9) можно представить в виде двух сомножителей, первый из которых В характеризует конструктивные свойства самой ТЭМ, а второй — режим работы по скорости и условия коммутации:
Полученная функциональная зависимость фактора искрения (9), (10) от наиболее часто реализуемых эксплуатационных режимов позволяет производить нормирование качества коммутации для различных типов тяговых электрических машин.
1. Карасев, М. Ф. Коммутация коллекторных машин постоянного тока [Текст] / М. Ф. Ка-расев — М.: Госэнергоиздат, 1961. — 224 с.
2. Авилов, В. Д. Теоретические основы анализа условий коммутации тяговых электродвигателей и практика настройки коммутации [Текст] / В. Д. Авилов, В. П. Беляев, Ш. К. Исмаи-лов; Деп. в ЦНИИТЭИ МПС 20.06.91, № 5545 — 44 с. — Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. -Омск, 1991.
3. Авилов, В. Д. Методы анализа и настройки коммутации машин постоянного тока [Текст] / В. Д. Авилов. — М.: Энергоатомиздат, 1995. — 237 с.
4. Дерябин, Л. И. Исследование влияния коммутационного искрения на износ коллекторов тяговых двигателей электровозов: Автореферат дис. канд. техн. наук. [Текст]. — Омск, 1971. — 23 с.
5. Исмаилов, Ш. К. Повышение ресурса изоляции электрических машин подвижного состава: Монография [Текст] / Ш. К. Исмаилов / Омский гос. ун-т путей сообщения. — Омск, 2007. — 391 с.
6. Щербаков, В. Г. Закономерности износа коллекторов и щеток тяговых двигателей электровоза [Текст] / В. Г. Щербаков // Известия вузов. Электромеханика. № 12. 1978. — С. 25 — 28.
7. Толкунов, В. П. Теория и практика коммутации машин постоянного тока [Текст] / В. П. Толкунов — М.: Энергия, 1979. — 224 с.
8. Иоффе, А. В. Тяговые электрические машины (теория, конструкция, проектирование). [Текст] /А. В. Иоффе. — М.-Л.: Энергия, 1965. — 232 с.
УДК 629.4.014.22: 621.791.92
А. П. Буйносов, И. М. Пышный
УВЕЛИЧЕНИЕ РЕСУРСА БАНДАЖЕЙ КОЛЕСНЫХ ПАР ПРОМЫШЛЕННЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ С ПОМОЩЬЮ НАПЛАВКИ
В статье приведены результаты выполненных исследований по выбору технологии восстановления профиля бандажей промышленных электровозов с помощью наплавки без выкатки колесных пар. Приведена разработанная установка для наплавки гребней, показана эффективность наплавки гребней бандажей проволокой 30ХГСА под флюсом АНК-18. Наплавка изношенных гребней в 3,5 раза снижает количество обточек для восстановления профиля бандажей колесных пар электровозов.
Наиболее эффективным методом повышения долговечности бандажей, у которых износ гребня значительно опережает рост проката, является наплавка изношенных гребней колесных
м;п2!10) ИЗВЕСТИЯ Транссиба
1.7 Коммутация в машинах постоянного тока
При вращении якоря секции обмотки непрерывно переходят из одной параллельной ветви в другую и в них происходит изменение направления тока. Процесс переключения секции из одной параллельной ветви в другую называется коммутацией. В широком смысле слова под коммутацией понимают совокупность явлений, связанных с изменением направления тока в секциях при переходе их из одной параллельной ветви в другую, и передачей тока через скользящий контакт между коллектором и щеткой. Процессы, возникающие при этом в секциях и под щетками, называются коммутационными. Переключаемая секция называется коммутируемой, а время в течение которого происходит процесс коммутации — периодом коммутации Т. Коммутацию рассмотрим на примере простой петлевой обмотки
П
роцесс переключения одной секции показан на рисунке 1.31 при условии, что ширина щеток bщ равна ширине коллекторной пластины bk. В реальной машине щетка перекрывает несколько пластин и процесс коммутации происходит сразу в нескольких секциях. За время переключения сила тока в короткозамкнутой (коммутирующей) секции изменяется от значения ia до того же значения в обратном направлении т.е. от +ia до –ia. Установим закон изменения коммутационного тока, причины и следствия его изменения. При вращении коллектора пластина I постепенно сбегает со щетки, а пластина 2 набегает на щетку, происходит замыкание секции щеткой через коллекторные пластины I и 2 накоротко. Для контура короткозамкнутой секции можно составить уравнение ЭДС по второму закону Кирхгофа.
где – сумма ЭДС индуктируемых в коммутируемой секции ;
i – ток в коммутируемой секции ;
Rk– активное сопротивление K–го участка контура.
В коммутируемой секции индуктируется ЭДС самоиндукции eL, вызванная изменением тока в секции, ЭДС взаимоиндукции eM, вызванная изменением тока в соседних одновременно коммутируемых секциях, коммутирующей ЭДС ek, возникающей в секции за счет пересечения ее результирующим полем или полем добавочных полюсов. Кроме того возникает трансформаторная ЭДС eτ, вызванная пульсацией во времени магнитного потока Ф из–за зубчатости якоря.
Однако она мала и ее в дальнейшем не учитываем.
Сумму ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции называют реактивной ЭДС
где Lc – индуктивность секции ;
Mc– взаимная индуктивность секции;
Lk=Lc+Mc –эквивалентная индуктивность секции.
По закону Ленца реактивная ЭДС направлена таким образом, чтобы препятствовать изменению тока в коммутируемой секции.
ЭДС ek может действовать как согласно с ep, так и встречно. Это зависит от направления внешнего магнитного поля в зоне коммутации, то есть
Активное сопротивление щеточного контакта значительно больше других сопротивлений контура короткозамкнутой секции. Поэтому для упрощения будем учитывать только сопротивления Rщ1 и Rщ2 – контактные сопротивления сбегающего и набегающего краев щетки. Тогда ,
По первому закону Кирхгофа для узлов А и В можно записать
Решая совместно уравнения (1.27) и (1.28) получим
Переходные сопротивления Rщ1 и Rщ2 обратно пропорциональны площадям касания щетки с коллекторными пластинами и, если учесть, что эти площади изменяются пропорционально времени коммутации, то получим
Где Rщ – сопротивление переходного контакта всей поверхности щетки ;
Sщ – полная площадь контакта щетки с коллектором ;
Sщ1, Sщ2 – площади сбегающего и набегающего контакта щеток с коллектором;
Tк – период коммутации ;
t– промежуток времени от начала коммутации.
Подставляя значение Rщ1 и Rщ2 в уравнение (1.29), найдем
Анализируя уравнения (1.32) и (1.27) видим, что если коммутирующая ЭДС ek будет равна реактивной ЭДС ep, и направлена навстречу ей, то вторая составляющая коммутационной силы тока будет равна нулю, так как =0 и
сила тока будет изменяться по линейному закону
Г рафик этой функции представлен на рисунке 1.32. Токи i1 и i2, текущие через коллекторные пластины изменяются во времени линейно. Коммутация с таким характером изменения токов называется прямолинейной. Плотность тока по всей площади будет одинаковой. Это наиболее благоприятная коммутация.
При ток в секции i представляет сумму двух составляющих: линейного тока iл и так называемого добавочного тока коммутации iк, определяемого величиной . При eкep добавочная сила тока iк, накладываясь на силу тока линейной коммутации iл, будет задерживать изменение тока в секции и она сначала будет изменяться медленнее (кривая I рисунок 1.33), чем при линейной коммутации. Такой процесс изменения силы тока в коммутируемой секции называется замедленной криволинейной коммутацией. Она характеризуется неравномерным распределением тока под щеткой. Под сбегающим краем щетки плотность будет больше, чем род набегающим. Это приведет к искрообразованию на коллекторе.
При eк>ep добавочная сила тока iк накладываясь на iл будет ускорять изменение тока i в секции и процесс коммутации пойдет быстрее, чем при линейной коммутации (кривая 2 рисунок 1.33). Такая коммутация называется ускоренной криволинейной коммутацией. В этом случае добавочный ток будет увеличивать плотность тока под набегающим краем щетки и уменьшать под сбегающим, создавая неравномерную плотность тока. Это также приводит к искрообразованию на коллекторе.Т аким образом, состояние коммутации определяется, главным образом, значением тока iк, величина которого зависит от суммарной ЭДС и сопротивления переходного контакта щетки Rщ.
В соответствии с нормами (ГОСТ 183-74) искрение на коллекторе электрической машины должно оцениваться по степени искрения под сбегающим краем щётки и по шкале (классам коммутации), указанной в таблице 1.1. Электрические машины,предназначенные для работы в длительном режиме, при номинальной нагрузке должны практически работать без искрения (допустимая степень искрения должна быть не выше 1 ½ ). У электрических машин, работающих в кратковременном и повторно-кратковременном режимах, при номинальной нагрузке может быть допущена степень искрения ( класс коммутации) 1 .
. Причины искрения могут быть различными.
1. Механические, приводят к искрению из–за нарушения или ухудшения скользящего контакта. Они связаны с неисправностью коллектора и щеточного аппарата. К ним относятся: неровность поверхности коллектора, его эксцентричность, выступание изоляции между пластинами, плохая балансировка, плохое крепление траверсы или щеткодержателей, неправильный выбор марки щеток, слабое нажатие щеток, плохая притирка щеток к коллектору и пр.
2. Потенциальные, вызываемые неравномерным распределением напряжения на коллекторе. Если напряжение между соседними коллекторными пластинами превысит определенное значение, то может возникнуть искрение из–за электрического пробоя изоляционных промежутков между пластинами. При нагрузке машины, из–за поперечной реакции якоря, распределение магнитной индукции, а, следовательно, и распре- деления напряжения между коллекторными пластинами приобретает резко неравномерный характер. Вследствие этого напряжение между соседними пластинами может достигнуть больших значений. Эти значительные напряжения могут привести к проскакиванию искр между соседними пластинами и даже к перекрытию их другой. Максимально допустимое напряжение между соседними коллекторными пластинами в зависимости от мощности машины 25–60 В.
3. Коммутационные, определяются соотношением ЭДС в коммутирующей секции. При значительном преобладании неактивной –ЭДС коммутирующая секция имеет значительный запас электромагнитной энергии . В момент сбегания щетки с коллекторной пластины происходит разрыв коммутирующей цепи. Разряд электромагнитной энергии секции и является причиной искрения. Искрению способствует также нагрев краев щетки в результате неравномерного распределения плотности тока под щеткой.
При выявлении причин искрения полезным полезным может оказаться наблюдение за цветом искр ихарактером их образования (таблица 1.2).
Степень искрения ( класс коммутации ) проверяют в номинальных условиях работы при практически установившейся температуре, но не ранее чем через 2 часа для машин мощностью до 100 кВт 4 часа – для машин мощностью более
Таблица № 1.1 Оценка степени искрения на коллекторе электрической машины.
Степень искрения
Характер искрения
Электрические машины — Коммутация
Коммутацией называется процесс изменения направления тока в секциях при их переходе из одной параллельной ветви в другую.
На рис. 6.14 показан участок схемы простой петлевой обмотки в зоне щетки положительной полярности для трех моментов времени в пределах одного периода коммутации .
Период коммутации можно определить как время перемещения коллектора на ширину щетки:
.
При и время коммутации . Таким образом, процесс коммутации протекает быстро, и при этом в коммутируемой секции возникают ЭДС самоиндукции от изменения тока i в секции
и взаимоиндукции (если ширина щетки больше ширины коллекторной пластины) от изменения токов , , . в соседних секциях
Коммутируемая секция находится на оси поля поперечной реакции якоря (рис. 6.15), поэтому в ней будет наводится еще ЭДС вращения
.
Кроме того, коммутируемая секция образует полное потокосцепление с полем возбуждения. В переходных режимах и в условиях регулируемого возбуждения в ней будет наводиться трансформаторная ЭДС
.
Таким образом, в коммутируемой секции действует сумма четырех ЭДС,
,
влияющая на характер изменения тока коммутации i.
Для расчета этого тока воспользуемся схемой рис. 6.16. Процессы в этой схеме описываются уравнениями Кирхгофа
Решая эту систему уравнений относительно тока i, получим
где .
С помощью этого уравнения можно выявить влияние различных факторов на ток коммутации.
Пусть , тогда изменение тока i будет происходить только в результате изменения сопротивлений щеточного контакта и :
.
Согласно классической теории коммутации, величина сопротивлений и обратно пропорциональна площади поверхности соприкосновения щетки с соответствующей коллекторной пластиной и :
; ,
где — площадь контакта под сбегающим краем щетки; — площадь контакта под набегающим краем щетки; R — общее сопротивление щеточного контакта; S — полная поверхность контакта щетки с коллектором.
С учетом этих соотношений, пренебрегая в силу ее малости по сравнению с суммой , получим
.
Согласно полученному уравнению, ток коммутации изменяется по линейному закону в функции времени (рис. 6.17), поэтому такая коммутация получила название прямолинейной. Ее отличительная особенность состоит в том, что плотность тока остается постоянной и одинаковой под набегающим и сбегающим краями щетки:
; .
Если , то на основной ток коммутации накладывается добавочный ток
.
На границах коммутационного интервала добавочный ток , так как , а внутри интервала коммутации ток добавляется к току линейной коммутации (кривая 2, рис. 6.18), если , и вычитается (кривая 3, рис. 6.18), если .
Коммутация, соответствующая кривой 2, называется замедленной, а кривой 3 — ускоренной. При замедленной коммутации ток под сбегающим краем щетки уменьшается медленнее, чем при прямолинейной. Поэтому плотность тока под сбегающим краем щетки возрастает до
,
что может стать причиной сильного искрения щеточного контакта.
При ускоренной коммутации плотность тока под сбегающим краем щетки снижается до
и может быть равной нулю, что предотвращает искрообразование. Однако при больших значениях отрицательного тока существенно возрастает плотность тока под набегающим краем щетки,
,
и вероятность искрения вновь повышается.
Согласно ГОСТ искрение оценивается по шкале, содержащей пять степеней искрения: 1 — отсутствие искрения; — слабое точечное искрение под небольшой частью щетки; — слабое искрение под большей частью щетки; 2 — искрение под всей щеткой; 3 — сильное искрение под всей щеткой с крупными вылетающими искрами. Длительная работа машины допускается при искрении 1 и степеней, которое не приводит к почернению коллектора и появлению нагара на щетках.
Чтобы коммутация удовлетворяла этим требованиям, необходимо снизить добавочный ток за счет уменьшения либо за счет увеличения суммарного сопротивления контура коммутации. Последнее осуществляется путем правильного выбора материала щеток с учетом условий работы машины постоянного тока.
Уменьшение достигается за счет снижения отдельных ее составляющих. ЭДС само- и взаимоиндукции снижается за счет уменьшения индуктивности секции на этапе проектирования машины. Максимальная величина реактивной ЭДС не должна превышать . Реактивная ЭДС всегда положительна, так как стремится поддержать уменьшающийся ток коммутируемой секции,
.
Положительное значение имеет и ЭДС вращения (), если щетки установлены на геометрической нейтрали (рис. 6.19). В этом нетрудно убедиться, используя правило правой руки. Однако если сдвинуть щетки с геометрической нейтрали , то в зоне коммутируемой секции будет кроме поля реакции якоря действовать поле основных полюсов. На физической нейтрали сумма этих полей равна нулю. Если щетки сдвинуть за физическую ней-
траль, то ЭДС вращения коммутируемой секции будет отрицательной и может скомпенсировать реактивную ЭДС
.
Однако при изменении нагрузки реактивная ЭДС меняется и для ее компенсации необходимо корректировать положение щеток, что в условиях эксплуатации неприемлемо. Поэтому щетки оставляют на геометрической нейтрали, а чтобы скомпенсировать реактивную ЭДС в зоне коммутации устанавливают дополнительные полюсы (рис. 6.20). Обмотки дополнительных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря, поэтому их МДС пропорциональны току якоря
.
Величина МДС должна быть такова, чтобы не только скомпенсировать МДС поперечной реакции якоря , но и создать поле противоположного направления , при котором ЭДС вращения
превышала бы по модулю реактивную ЭДС на 15%. При этом
,
что соответствует несколько ускоренной коммутации.
Дополнительные полюсы устанавливаются на всех машинах постоянного тока мощностью выше 1 кВт.
В машинах большой мощности для улучшения коммутации наряду с дополнительными полюсами применяют компенсационную обмотку. Проводники компенсационной обмотки размещают в пазах наконечников главных полюсов и включают последовательно с обмоткой якоря таким образом, чтобы их МДС были направлены встречно (рис. 6.21). При одинаковой линейной нагрузке компенсационная обмотка автоматически компенсирует реакцию якоря в пределах полюсного наконечника при любых нагрузках машины. Оставшееся в зоне коммутации поле компенсируется дополнительными полюсами.
Компенсационная обмотка устраняет размагничивающее действие поперечной реакции якоря и выравнивает магнитное поле в воздушном зазоре, что благоприятно сказывается на напряжении между коллекторными пластинами. Среднее напряжение между коллекторными пластинами пропорционально средней индукции в зазоре , а максимальное определяется (рис. 6.12) и может в машинах без компенсационной обмотки превышать среднее в 1,7-1,8 раза. Большое напряжение между коллекторными пластинами () может стать причиной возникновения электрической дуги, которая щетками распространяется на весь коллектор, образуя «круговой огонь», и машина выходит из строя. Применение компенсационной обмотки позволяет снизить максимальное напряжение между коллекторными пластинами в 1,2-1,3 раза и тем самым уменьшить вероятность «кругового огня».