В машинах постоянного тока мощностью до 1 квт выполняемых без добавочных полюсов

Способы улучшения коммутации

Основная причина неудовлетворительной коммутации в машинах постоянного тока – добавочный ток коммутации :

,
где – сумма электрических сопротивлений добавочному току коммутации. Наибольшее значение имеет сопротивление щетки и переходного контакта:

.

Отсюда следуют способы улучшения коммутации.

Выбор щеток. Для обеспечения удовлетворительной коммутации целесообразнее применять щетки с большим переходным падением напряжения в переходном контакте и собственно щетке. Однако допустимая плотность тока в щеточном контакте невелика, что требует увеличения площади щеточного контакта и длины коллектора. Поэтому щетки с большим сопротивлением применяют в основном в машинах с относительно высоким напряжением и небольшим рабочим током.

Щетки для электрических машин разделяют на четыре группы.

Наибольшее применение в машинах постоянного тока напряжением 110 – 440 В имеют электрографитированные щетки.

Увеличению переходного сопротивления щеточного контакта, а следовательно улучшению коммутации, способствует политура коллектора – тонкая оксидная пленка на поверхности коллектора, обладающая повышенным электрическим сопротивлением.

Уменьшение реактивной ЭДС. Существенное влияние на суммарную ЭДС в коммутирующей секции оказывает реактивная ЭДС

.

ЭДС внешнего поля (взаимоиндукции) зависит от ширины щетки: чем шире щетка, тем большее число коллекторных пластин она перекрывает, тем больше секций одновременно коммутируется, что вызывает повышение ЭДС . Однако слишком узкие щетки также нежелательны. Наиболее целесообразны щетки шириной в 2 – 3 коллекторных деления.

Реактивная ЭДС может быть ослаблена уменьшением индуктивности секций. Для этого не применяют в обмотке якоря секции с большим числом витков и полузакрытые пазы, что влияет на размеры машины. При проектировании машин постоянного тока выбор ее параметров связывают со стремлением получить компактную и экономичную машину.

Добавочные полюсы. Они предназначены для создания в зоне коммутации магнитного поля такой величины и направления, чтобы наводимая этим полем в коммутирующей секции ЭДС вращения компенсировала реактивную ЭДС . Это основной способ улучшения коммутации. Без принятия мер по улучшению коммутации ЭДС и направлены в одну сторону, т.е. действуют согласно. Посредствам добавочных полюсов можно создать в зоне коммутации магнитное поле такой величины и направления, что ЭДС вращения изменила свое направление на обратное и . В этом случае коммутация становится прямолинейной (идеальной). Добавочные полюсы располагают между главными. При этом щетки устанавливают на геометрической нейтрали.

Все машины постоянного тока мощностью свыше 1 кВт снабжаются добавочными полюсами, число которых принимают равным числу главных полюсов или вдвое меньшим. Наличие добавочных полюсов позволяют увеличить линейную нагрузку машины и при заданной мощности получить машину меньшего веса и габаритов.

Обмотку добавочных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря. В этом случае МДС добавочных полюсов при различных нагрузках машины изменяется пропорционально току якоря , т.е. пропорционально МДС якоря . Полярность добавочного полюса в генераторе должна быть такой же, как и у следующего по направлению вращения главного полюса, а в двигателе – как у предшествующего полюса.

Получение коммутирующего поля смещением щеток. В машинах постоянного тока мощностью до 1 кВт, выполняемых без добавочных полюсов, коммутирующее поле в зоне коммутации создается смещением щеток с геометрической нейтрали. Если щетки установлены на геометрической нейтрали, то поперечное магнитное поле якоря с магнитной индукцией создает в зоне коммутации индукцию . В результате в коммутирующих секциях наводится ЭДС вращения , направленная согласованно с реактивной ЭДС и способствующая замедленной коммутации.

Если же щетки сдвинуть на угол за физическую нейтраль, то коммутирующее поле с индукцией изменит свое направление относительно направления при положении щеток на геометрической нейтрали. Это поле будет наводить в коммутирующих секциях ЭДС вращения, равную реактивной ЭДС и противоположную ей по направлению , т.е. реактивная ЭДС окажется скомпенсированной и коммутация станет прямолинейной (идеальной).

Щетки смещают в направлении вращения якоря у генераторов или против вращения якоря у двигателей. Способ улучшения коммутации сдвигом щеток с геометрической нейтрали имеет следующие недостатки:

– коммутирующее поле изменяется не пропорционально нагрузке машины;

– усиливается размагничивающее действие реакции якоря;

– недопустимо применение способа для реверсируемых машин

Источник

Способы улучшения коммутации на коллекторе

Для создания хороших условий коммутации необходимо прежде всего обеспечить надлежащее состояние коллектора и щеточного аппарата, чтобы устранить механические причины искрения. Ниже рассматриваются способы обеспечения необходимых электромагнитных условий коммутации. Эти способы направлены на уменьшение добавочного тока коммутации или тока короткого замыкания коммутируемой секции и сводятся к следующим мероприятиям: 1) созданию коммутирующей электродвижущей силы (э. д. с.) с помощью добавочных полюсов или сдвига щеток с геометрической нейтрали, 2) уменьшению реактивной э. д. с. и 3) увеличению сопротивления цепи коммутируемой секции.

Добавочные полюсы

Основным способом улучшения коммутации в современных машинах постоянного тока является создание коммутирующего магнитного поля с помощью добавочных полюсов.

Добавочные полюсы устанавливаются между главными полюсами (рисунок 1) и крепятся болтами к ярму индуктора. Намагничивающая сила добавочных полюсов F_д.п должна быть направлена против намагничивающей силы реакции якоря F_aq, чтобы скомпенсировать ее и создать сверх того коммутирующее поле B_к для компенсации реактивной э. д. с. e_r. Следовательно, при отсутствии компенсационной обмотки F_д.п > F_aq, а при наличии ее F_д.п + F_к.о > F_aq. В последнем случае требуемое значение F_д.п меньше, так как основная доля реакции якоря компенсируется компенсационной обмоткой.

Рисунок 1. Расположение и полярность добавочных полюсов

Учитывая сказанное, на основании рисунка 1 можно сформулировать правило.

За главным полюсом данной полярности по направлению вращения якоря в режиме генератора должен следовать добавочный полюс противоположной полярности, а в режиме двигателя – добавочный полюс той же полярности.

Так как величины F_aq и e_r пропорциональны току якоря, то для их компенсации F_д.п и B_к также должны быть пропорциональны току якоря. Для удовлетворения этого условия обмотку добавочных полюсов соединяют последовательно с якорем, а добавочные полюсы выполняют с ненасыщенной магнитной системой. Поэтому при номинальной нагрузке в них допускается индукция не больше 0,8 – 1,0 Т. Так как на отдельных участках ярма индуктора магнитные поля главных и добавочных полюсов складываются, то во избежание насыщения этих участков индукция главного поля в ярме должна быть не больше 1,3 Т. Сердечники добавочных полюсов изготавливаются массивными из стальной поковки или листовой стали.

При таком устройстве добавочных полюсов индуктируемая ими коммутирующая э. д. с.

С другой стороны, реактивная э. д. с. Также пропорциональна I_аv_а:

Потому соблюдение условия e_к = e_r при изменении нагрузки и скорости вращения достигается автоматически.

При относительно малом полезном магнитном потоке добавочных полюсов их намагничивающую силу F_д.п приходится брать большой, так как значительная часть F_д.п (75 – 85%) расходуется на компенсацию F_aq. По этой причине коэффициент рассеяния добавочных полюсов велик: σ_д = 3 – 5 при отсутствии компенсационной обмотки и σ_д = 2 – 3 при наличии ее. Если обмотка добавочных полюсов располагается далеко от якоря (рисунок 2, а), то возникает большой поток рассеяния. Для уменьшения рассеяния обмотку добавочных полюсов размещают ближе к якорю (рисунок 2, б), а в крупных машинах, кроме того, подразделяют воздушный зазор на две части путем создания второго немагнитного зазора между ярмом и сердечником добавочного полюса (рисунок 2, б) с помощью немагнитных прокладок (н.п.), например, из меди, дюралюминия или гетинакса.

Рисунок 2. Добавочные полюсы с неподразделенным (а) и подразделенным (б) немагнитным зазором

Добавочные полюсы применяются в машинах с P_н > 0,3 кВт. Обычно число добавочных полюсов берется равным числу главных, однако в машинах мощностью до 2 – 2,5 кВт иногда делают половинное число добавочных полюсов. Применение добавочных полюсов позволяет увеличить линейную нагрузку машины и тем самым уменьшить ее размеры и стоимость.

Коммутация создает электромагнитные колебания частотой 1000 – 3000 Гц, которые распространяются по электрической сети, присоединенной к машине. Эти колебания вызывают радиопомехи, затрудняющие работу радиоприемной и другой радиотехнической аппаратуры. Для борьбы с этими помехами производят симметрирование цепи якоря машины, то есть обмотки, включенные последовательно с якорем, в том числе и обмотку добавочных полюсов, разбивают на две части, которые присоединяют к щеткам противоположной полярности (рисунок 3). Кроме того, между щетками разных полярностей и корпусом машины присоединяют конденсаторы для шунтирования высокочастотных колебаний на зажимах машины.

Рисунок 3. Подавление радиопомех

Улучшение коммутации путем сдвига щеток

В машинах мощностью до нескольких сотен ватт добавочных полюсов не ставят. Коммутирующее поле при этом можно создать путем сдвига щеток с геометрической нейтрали, благодаря чему в зоне коммутации начнет действовать поле главных полюсов (рисунок 4). Чтобы индуктируемая этим полем в коммутируемой секции э. д. с. e_к имела правильное направление, поле главных полюсов в зоне коммутации должно быть направлено против поля реакции якоря.

Рисунок 4. Улучшение коммутации путем сдвига щеток с геометрической нейтрали

Для этого в генераторе щетки необходимо повернуть в сторону вращения, а в двигателе – наоборот (рисунок 4).

Если поток главных полюсов Ф_σ изменяется пропорционально току якоря (машины с последовательным возбуждением), то при определенном, фиксированном положении щеток можно достичь хороших условий коммутации в широком диапазоне изменения нагрузки. Если же Ф_σ = const, то наилучшие условия коммутации достигаются только при одной, определенной нагрузке.

Установку щеток производят на глаз, наблюдая за искрением.

Уменьшение реактивной э. д. с.

Для обеспечения хорошей коммутации необходимо, чтобы e_r ≤ 7 – 12 В.

Зависимость e_r от различных величин очевидна из равенства:

При этом надо отметить, что уменьшение линейной токовой нагрузки якоря A_а нецелесообразно с точки зрения использования материалов, а величины v_а = π × D_а × n и l_σ определяются номинальной мощностью машины. Следовательно, ограничение e_r зависит от возможностей уменьшения w_с и ξ.

В машинах мощностью более 50 кВт всегда w_с = 1.

Уменьшение ξ возможно за счет ослабления взаимной индукции между коммутируемыми секциями, что достигается укорочением шага на величину не более одного зубцового деления и применением ступенчатой обмотки. В последнем случае взаимоиндуктивная связь между секциями ослабляется вследствие того, что если верхние стороны u_п секций находятся в одном пазу, то их нижние стороны располагаются в разных пазах (рисунок 5, б).

Рисунок 5. Укладка секций равносекционной (а) и ступенчатой (б) обмоток при u_п = 2

Определенное снижение ξ получается также, если увеличивать высоту сечения проводника в пазу якоря. В этом случае вследствие эффекта вытеснения тока во время коммутации уменьшается индуктивность проводника и секции.

В петлевых обмотках при отсутствии уравнителей первого рода токи отдельных параллельных ветвей различны и поэтому различны также реактивные э. д. с. секций, коммутируемых различными щетками, и намагничивающие силы реакции якоря в зонах различных добавочных полюсов. Однако намагничивающие силы всех добавочных полюсов равны, так как они определяются полным током якоря. Вследствие сказанного равновесие между реактивной и коммутирующей э. д. с. нарушается и наступает расстройство коммутации. При наличии уравнителей первого рода указанные неблагоприятные обстоятельства устраняются.

Перспективно применение машин постоянного тока с беспазовым якорем, в которых обмотка якоря укладывается и укрепляется на поверхности цилиндрического якоря. В этом случае потоки рассеяния (рисунок 6) ослабляются, и поэтому реактивная э. д. с. значительно уменьшается. Уменьшается также реакция якоря. Такие машины имеют тот недостаток, что немагнитный зазор между полюсами и якорем увеличивается и требуется значительно более сильная обмотка возбуждения.

Рисунок 6. Магнитные потоки рассеяния секции

Увеличение сопротивления цепи коммутируемой секции

в принципе возможно за счет выполнения «петушков» с повышенным сопротивлением. Однако это приводит к уменьшению коэффициента полезного действия (к. п. д.) машины, а также к увеличению плотности тока у сбегающего края щетки (рисунок 7, б). Кроме того, такие «петушки» ненадежны в работе.

Существенным является подбор щеток с надлежащими характеристиками. При тяжелых условиях коммутации лучше работают твердые графитные щетки с повышенным переходным сопротивлением переходного контакта, однако при этом электрические потери в переходном контакте и механические потери на трение также больше. Щетки с круто поднимающейся вольт-амперной характеристикой благоприятны с точки зрения уменьшения плотности тока на сбегающем краю щетки и способствуют улучшению коммутации. Медно-графитные щетки, обладающие малым переходным сопротивлением, применяются только в машинах на напряжение до 25 – 30 В.

Для улучшения коммутации предложен ряд других мер, которые, однако, не находят широкого применения.

Улучшение коммутаций при переходных режимах и пульсирующем токе

Выше основное внимание уделялось коммутации при нормальных установившихся режимах работы. При резких переходных режимах (толчкообразная и пульсирующая нагрузка, сильные перегрузки, короткие замыкания и т. п.), а также при питании машин постоянного тока, в особенности от однофазной сети (например, железные дороги, электрифицированные на переменном токе), условия коммутации ухудшаются.

Одной из причин ухудшения коммутации при указанных условиях может являться наличие трансформаторной э. д. с. e_тр, которая возникает при изменении магнитного потока главных полюсов. Компенсация этой э. д. с. с помощью добавочных полюсов практически невозможна, так как закономерности изменения e_тр и e_к различны. В частности, e_тр вовсе не зависит от скорости вращения. Поэтому в необходимых случаях принимают меры к уменьшению e_тр. Например, в тяговых двигателях постоянного тока, устанавливаемых на электровозах переменного тока с выпрямителями, обмотки возбуждения главных полюсов шунтируются активными сопротивлениями. Вследствие большой индуктивности обмотки возбуждения пульсирующая составляющая выпрямленного тока при этом будет ответвляться в шунтирующее сопротивление и поток главных полюсов не будет содержать этой составляющей.

При быстрых изменениях тока в цепи якоря поток добавочных полюсов вследствие возникновения вихревых токов в массивной магнитной цепи и создаваемых ими магнитных потоков не будет изменяться пропорционально току якоря и компенсация реактивной э. д. с. нарушится. Улучшить коммутацию при этом можно с помощью индуктивной катушки, присоединяемой параллельно обмотке добавочных полюсов. Если постоянная времени

индуктивной катушки значительно больше постоянной времени обмотки добавочных полюсов, то ток в этой катушке будет меняться весьма медленно по сравнению с током в обмотке добавочных полюсов. Поэтому резкие изменения тока якоря ΔI воспринимаются этой обмоткой, и так как через нее проходит только часть полного тока якоря, то относительное изменение тока в обмотке добавочных полюсов будет больше, чем в обмотке якоря. Такая «форсировка» тока обмотки добавочного полюса позволяет добиться более быстрого изменения его магнитного потока и тем самым компенсировать в определенной мере влияние вихревых токов в магнитопроводе. Однако наиболее эффективной мерой улучшения коммутации в машинах с резко изменяющейся нагрузкой или при сильных пульсациях питающего тока является изготовление сердечников добавочных полюсов, а также ярма машины из листовой электротехнической стали.

Эффективной мерой улучшения коммутации при резко переменной нагрузке является также применение компенсационной обмотки, которая предотвращает опасность возникновения кругового огня, а также улучшает условия действия добавочных полюсов.

При значительных перегрузках машины, а в особенности при коротких замыканиях. сердечники добавочных полюсов насыщаются прежде всего за счет больших потоков рассеяния. В этом случае с помощью добавочных полюсов уже нельзя обеспечить компенсацию реактивной э. д. с. и коммутация сильно ухудшается. При наличии компенсационной обмотки поток рассеяния добавочных полюсов значительно уменьшается, в результате чего область их правильного действия увеличивается.

Источник: Вольдек А.И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.

Источник

Коммутация и способы её улучшения

Под коммутацией понимают все явления и процессы, возникающие под щётками при работе коллекторных электрических машин. Если щётки искрят, то говорят, что машина имеет плохую коммутацию. Если искрение отсутствует, то коммутацию называют хорошей. Качество коммутации в значительной степени определяет работоспособность машины и её надёжность в эксплуатации.

При вращении якоря, каждая секция его обмотки, проходя через нейтраль, меняют свое положение под полюсами и переходят из одной параллельной ветви в другую. При этом секции закорачиваются щёткой, и в них резко изменяется направление тока.

Процесс переключения секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую и изменения в них тока, называется процессом коммутации.

Рисунок 5.19. Переход секции обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую

(а и б) и кривая изменения тока в секции

Щётки, установленные на коллекторе, разбивают обмотку якоря на параллельные ветви. Предположим, что в какой-либо момент секция 1 (рис.5.19.а) находится в нижней параллельной ветви, при этом ток ветви i_я протекает по секции в направлении от её начала Н к концу К (для простоты принимаем, что щётки скользят не по коллектору, а непосредственно по виткам обмотки якоря). Через некоторое время якорь повернётся и секция 1 окажется в верхней параллельной ветви (рис.5.19.б). При этом ток i_я будет проходить по секции в обратном направдении, т.е. от её конца К к началу Н.

Большую часть времени, соответствующего одному обороту якоря, ток секции равен току параллельной ветви i_я. Но, перемещаясь под полюсами, секция попадает то в одну, то в другую параллельную ветвь, и направление тока в ней периодически меняется.

Период времени, в течение которого происходит изменение направления тока в секции, называется периодом коммутации. В это время соединённые с секцией коллекторные пластины соприкасаются со щёткой. Секция начинает коммутироваться в момент, когда коллекторные пластины, между которыми подключена секция, перекрываются набегающим краем щётки. Заканчивается этот процесс коммутацией этой секции в момент выхода указанных коллекторных пластин из-под противоположного (сбегающего) края щётки.

Рассмотрим более подробно процесс коммутации в какой-либо секции обмотки якоря двухполюсной машины при различных положениях щётки относительно коллекторных пластин. Для простоты будем считать, что ширина щётки равна ширине коллекторной пластины.

Рисунок 5.20. Схемы коммутации проводников

В начальный момент коммутации (рис.5.20.а) щётка перекрывает коллекторную пластину 1, и ток в обмотке якоря I_я =2i_я, пройдя щётку и коллекторную пластину, разветвляется на две ветви, при этом по каждой параллельной ветви (правой и левой) протекают токи i_я.

В конце процесса коммутации (рис.5.20.в) щётка сходит с коллекторной пластины 1 и перекрывает только одну пластину 2, при этом ток в коммутируемой секции направлен противоположно его направлению в начале коммутации.

В действительных условиях работы машин постоянного тока процесс коммутации протекает более сложно. Период коммутации Т_к составляет примерно 0,001- 0,0001 сек. Скорость изменения тока очень велика и значение э.д.с. самоиндукции довольно большое. В процессе коммутации участвует одновременно несколько секций, замыкаемых накоротко щётками. Сумма возникающих в каждой коммутируемой секции э.д.с. самоиндукции и взаимоиндукции называется реактивной э.д.с. Реактивная э.д.с. нарушает условия без искровой работы щеток, так как в секции возникает дополнительный ток. Величина дополнительного тока зависит от величины возникающей реактивной э.д.с. и сопротивления короткозамкнутого контура, которое, главным образом, зависит от сопротивления щеточного контакта. Увеличение нагрузки ведет к возрастанию реактивной э.д.с.

Способы улучшения коммутации:

1. уменьшение реактивной э.д.с.:

· за счёт уменьшения индуктивности секции; для этого уменьшают число витков (делают одновитковыми);

· пазы якоря делают открытыми и не очень глубокими (не более 4,5-5,5 мм),

· одну сторону каждой секции располагают в верхнем слое паза, а другую – в нижнем;

· уменьшают ширину щётки (в тяговых двигателях и генераторах щётка перекрывает 3,5-4,5 коллекторных пластины);

· в крупных машинах уменьшают длину, окружную скорость и суммарный ток проводников в пазах якоря, увеличивают диаметр якоря(поэтому машины постоянного тока имеют примерно на 20-25% меньшую мощность, чем машины переменного тока при тех же габаритных размерах и частоте вращения).

2. компенсацией реактивной э.д.с. и э.д.с. вращения от потока якоря:

· при изменении нагрузки машины от холостого хода до несколько большей её номинальной применяют добавочные полюсы между главными полюсами (для создания дополнительного внешнего коммутирующего магнитного поля);магнитный поток направлен против потока якоря в коммутационной зоне и компенсирует его; коммутирующая э.д.с. должна быть примерно равна реактивной э.д.с. (не более 0,8-1,0 В);

· для увеличения предельной нагрузки поперечное сечение сердечников добавочных полюсов увеличивают и устанавливают значительно большие воздушные зазоры под главными полюсами;

· обмотку добавочного полюса размещают ближе к якорю;

· в воздушный зазор между остовом и торцами сердечников добавочных полюсов устанавливают немагнитные прокладки для обеспечения без искровой работы щеток и замедления магнитного насыщения сердечников;

· путём смещения щеток с геометрической нейтрали на физическую. Этот способ не дает автоматической настройки при изменении нагрузки, как применение добавочных полюсов.

3. уменьшение тока коммутации i_к путем увеличения сопротивления цепи коммутирующей секции:

· переход от медных щёток к электрографитированным (с достаточно высоким активным сопротивлением: слишком высокое сопротивление приведет к увеличению потерь и нагреву щеток, что может ухудшить коммутацию);

· применение разрезных щёток.

1. Что такое процесс коммутации?

2. Дайте определение периода коммутации.

3. Назначение реактивной э.д.с.

4. Способы уменьшения реактивной э.д.с.

5. Способы компенсации реактивной э.д.с.

6. Способы улучшения коммутации.

5.5. Способы возбуждения электродвигателей.

Пуск и торможение электродвигателей постоянного тока

Свойства электродвигателей постоянного тока определяются в основном способом включения обмотки возбуждения. В зависимости от этого различают электродвигатели:

а) с независимым возбуждением: обмотка возбуждения питается от постороннего источника постоянного тока (возбудителя или выпрямителя); недостатком генератора с независимым возбуждением является необходимость иметь отдельный источник питания. Но при определенных условиях обмотку возбуждения можно питать током якоря генератора.

б) с параллельным возбуждением (шунтовый): обмотка возбуждения подключена параллельно обмотке якоря;

в) с последовательным возбуждением (сериесный): обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря; с увеличением нагрузки скорость двигателя резко падает; с уменьшением нагрузки на валу двигатель развивает очень большую частоту вращения. Говорят, что двигатель идет вразнос. Работа двигателя последовательного возбуждения без нагрузки недопустима.

Все эти электродвигатели имеют одинаковое устройство и отличаются лишь выполнением обмотки возбуждения. Обмотки возбуждения электродвигателей выполняют также, как у соответствующих генераторов.

Для пуска электродвигателя могут быть применены три способа :

· пуск путём изменения питающего напряжения.

При прямом пуске обмотка якоря подключается непосредственно к сети. В электродвигателях постоянного тока падение напряжения I_яƩR_я во внутреннем сопротивлении цепи обмотки якоря при номинальном токе составляет 5-10% от U_ном, поэтому при прямом пуске I_я=(10-20) I_ном, что недопустимо для машины. По этой причине прямой пуск применяют только для двигателей очень малой мощности (до нескольких сотен ватт), в которых сопротивление ƩR_я относительно велико, и лишь в отдельных случаях – для двигателей мощностью в несколько киловатт.

Получил наибольшее применение. Для ограничения тока в цепь якоря включают пусковой реостат R_п. Он обычно имеет несколько ступеней (секций) R₁, R₂, R₃, которые в процессе пуска замыкают накоротко специальными выключателями (контакторами) 1, 2, 3. При этом сопротивление реостата постепенно уменьшается, что обеспечивает высокое значение пускового момента в течение всего времени разгона двигателя.

Реостатный пуск применяют на электровозах и электропоездах постоянного тока.

При приблизительной постоянной массе электропоезда выключение ступеней пускового реостата производят автоматически специальным реле ускорения (реле минимального тока). Реле срабатывает, когда пусковой ток уменьшается до порогового значения, тем самым обеспечивающее замыкание соответствующих контакторов.

На электровозах ступени пускового реостата выключаются по мере увеличения скорости движения поезда непосредственно самим машинистом при помощи ручного аппарата, называемого контроллером машиниста. На некоторых электровозах применяют автоматическое выключение ступеней пусковых реостатов с той или иной скоростью.

Пуск путём изменения питающего напряжения.

При реостатном пуске возникают довольно большие потери энергии в пусковом реостате. Этот недостаток можно устранить, если пускать двигатель путём плавного повышения напряжения, подаваемого на обмотку якоря. Такой пуск называют безреостатным. Для этого необходимо иметь отдельный источник постоянного тока с регулируемым напряжением (генератор или управляемый выпрямитель). Безреостатный пуск применяют на э.п.с. переменного тока и тепловозах.

Торможение электродвигателей постоянного тока.

Для торможения подвижного состава тяговые двигатели пере­водятся в генераторный режим, при котором они создают тормоз­ной момент. В зависимости от условий, при которых требуется осуществлять торможение, генератор может отдавать электрическую энергию в сеть или гасить ее в реостате. В первом случае торможе­ние называется рекуперативным, во втором — реостатным.

На э. п. с. применяют как рекуперативное, так и реостатное торможение. Рекуперативное торможение с энергетической точки зрения являет­ся наиболее выгодным, так как отданная в сеть электрическая энергия полезно используется другими электровозами или электро­поездами. На тепловозах применять рекуперативное торможение нельзя, так как отсутствует приемник электрической энергии. Рео­статное торможение может быть использовано, если оборудовать тепловозы реостатами для гашения электрической энергии.

Преимуществом электрического торможения является значитель­но меньшая склонность колес к заклиниванию (юзу) при больших значениях тормозной силы, чем при механическом торможении, и способность к самозащите колес от юза. В этом случае юз, как пра­вило, проявляется в форме частичного проскальзывания колес по рельсу без резкой потери сцепления, как это имеет место при меха­ническом торможении.

В режим рекуперативного торможе­ния можно перевести только электродвигатели с:

В электродвигателе с неза­висимым (параллельным) возбуждением при уменьшении нагру­зочного момента М_ВН, например, при переходе локомотива с подъема на площадку, частота вращения якоря возрастает, при этом увели­чивается индуцированная в нем э. д. с., уменьшается ток и созда­ваемый двигателем электромагнитный момент. При М_вн. = 0 частота вращения возрастает до значения п₀ (частота вращения при холо­стом ходе).

Если пренебречь трением и внутренними потерями в машине, то при холостом ходе э. д. с. электродвигателя становится равной напряжению сети, а ток и развиваемый двигателем электромагнит­ный момент оказывается равным нулю. (В действительности при холостом ходе двигатель потребляет из сети некоторый ток, необ­ходимый для компенсации внутренних потерь мощности в машине.) При изменении направления нагрузочного момента (например, при переходе локомотива на спуск) частота вращения якоря становится больше п_0, э. д. с.— больше напряжения сети, ток и вращающий момент изменяют свое направление и машина переходит из двига­тельного режима в генераторный (рис. 5.21). При этом электро­магнитный момент направлен против вращения якоря, а выработан­ная генератором электрическая энергия отдается в сеть.

Рис. 5.21. Механическая характеристи­ка электродвигателя с независимым (параллельным) возбуждением в двига­тельном режиме и при рекуперативном торможении

Таким образом, двигатель с независимым (параллельным) воз­буждением при изменении направления М_вн, т. е. при возрастании частоты вращения более п₀, автоматически переходит в режим рекуперативного торможения.

Двигатель с последовательным возбуждением не может быть переведен в режим рекуперативного торможения, так как при умень­шении внешней нагрузки, т. е. вращающего момента двигателя, частота вращения возрастает и он идет вразнос. Следовательно, не представляется возможным изменить направление вращающего момента двигателя и перейти через промежуточный режим холостого хода, что необходимо для перевода его с двигательного в генератор­ный режим. Поэтому для осуществления рекуперативного торможе­ния обмотку возбуждения такого электродвигателя необходимо переключить на независимое питание от специального электрома­шинного или полупроводникового возбудителя. При таком переклю­чении электродвигатель начинает работать как генератор с незави­симым возбуждением.

Генераторы с независимым возбуждением работают вполне на­дежно и устойчиво. Однако они непригодны для рекуперативного торможения в условиях тяговых сетей, напряжение которых сильно изменяется. При неизбежных колебаниях напряжения в контактной сети ток такого генератора и создаваемый им тормозной момент очень резко изменяются, что не дает возможности обеспечить надеж­ное торможение поезда. Для того чтобы генератор был малочув­ствителен к колебаниям напряжения в контактной сети, необходимо питать обмотку возбуждения тягового двигателя в режиме рекуперативного торможения от воз­будителя со встречно-смешанным возбуждением или включить в цепь возбудителя так называемый стабилизирующий резистор. Благодаря этим мероприятиям ток, отдаваемый в контактную сеть тяговым двигателем, который работает в генераторном режиме, сохраняется примерно постоянным. Такими способами стабилизируют (поддер­живают постоянным) этот ток.

Рис. 5.22. Схемы включения тягового двигателя при рекуперативном торможении:

1 — якорь тягового двигателя; 2 — обмотка возбуждения; 3 — регулировочный реостат; 4.— обмотка независимого возбуждения возбудителя; 5 — якорь возбудителя; 6 — после­довательная обмотка возбуждения возбудителя; 7 — стабилизирующий резистор

При использовании возбудителя со встречно-смешанным возбуж­дением (рис. 5.22, а) уменьшение напряжения в контактной сети и возрастание в связи с этим тока рекуперации I_я, отдаваемого тяговым двигателем, работающим в генераторном режиме, вызовут размагничивание возбудителя и снижение его напряжения, а сле­довательно, и магнитного потока обмотки возбуждения двигателя. В результате этого э. д. с. тягового двигателя, работающего в гене­раторном режиме, будет снижаться и ток рекуперации не будет испы­тывать сильных колебаний. То же самое будет происходить и при увеличении напряжения в контактной сети.

При использовании стабилизирующего резистора его включают в цепь возбудителя так, что по нему, кроме тока возбуждения I_в, про­ходит и ток обмотки якоря I_я тягового двигателя, работающего в генераторном режиме (рис. 5.22.б). При уменьшении напряжения в контактной сети возрастут ток рекуперации I_я, отдаваемый тяго­вым двигателем, и падение напряжения ΔU в стабилизирующем резисторе 7. Так как падение напряжения ΔU в контуре «стабили­зирующий резистор — обмотка якоря возбудителя» действует против напряжения возбудителя U_B, его увеличение приведет к уменьшению тока I_в, поступающего в обмотку возбуждения тягового двигателя, и снижению создаваемой в нем э. д. с. В результате будет иметь место такой же стабилизирующий эффект, как и при возбудителе со встречно-смешанным возбуждением.

Применять рекуперативное торможение для остановки поезда нельзя. Получение от двигателя, работающего в генераторном режиме на контактную сеть, необходимой э. д. с. потребовало бы при низких частотах вращения очень сильного увеличения его магнитного потока и тока, отдаваемого возбудителем. Поэтому реку­перативное торможение может применяться только до некоторой минимальной частоты вращения п_тin.

Если электродвигатель в режиме рекуперативного торможения отдает энергию не непосредственно в сеть, а через какой-либо пре­образователь, то путем уменьшения напряжения, подаваемого от преобразователя на обмотку якоря двигателя, можно существенно уменьшитьп_min.

При реостатном торможении тяговые двигатели работают как генераторы с последовательным возбуж­дением и включаются на тормозные резисторы, в которых электри­ческая энергия, выработанная генератором во время торможения поезда, превращается в тепловую. В качестве тормозных резисто­ров используют обычно те же реостаты, что и при пуске двигателя. Реостатное торможение может применяться как при высоких, так и при низких частотах вращения, так как напряжение гене­ратора в этом случае не связано с напряжением сети и может быть установлено таким, какое необходимо для получения требу­емой тормозной силы. Для перехода на реостатное торможение двигателя с последовательным возбуждением необходимо отклю­чить его от контактной сети, переключить концы обмотки якоря или обмотки возбуждения двигателя и подключить к обмотке якоря резистор (рис. 5.23).

Как известно, при переходе машины из двигательного режима в генераторный ток I_я в обмотке якоря изменяет свое направ­ление. Если не переключить концы обмотки якоря или обмотки воз­буждения, то при изменении направления тока произошло бы размагничивание машины (исчезновение в ней остаточного магне­тизма) и она не смогла бы начать работать в качестве гене­ратора последовательного возбуждения. При переключении на­правление тока в обмотке возбуждения в генераторном режиме остается таким же, как и при двигательном, благодаря чему обе­спечивается самовозбуждение машины за счет остаточного маг­нетизма.

При уменьшении частоты вращения тягового двигателя в про­цессе реостатного торможения будет уменьшаться создаваемое им напряжение, а следовательно, ток I_Я и развиваемый им тормозной момент (тормозная сила). Чтобы поддержать тормозную силу на определенном уровне по мере уменьшения частоты вращения, необходимо постепенно уменьшать сопротивление тормозного рези­стора.

Применять реостатное торможение для остановки поезда нель­зя, так как при малых частотах вращения тягового двигателя, рабо­тающего в генераторном режиме, резко уменьшаются его э. д. с. Е, ток I_я и электромагнитный тормозной момент. Поэтому оконча­тельная остановка поезда производится в таких случаях механи­ческим тормозом.

Тяговые двигатели локомотивов и электропоездов при реостат­ном торможении включаются только параллельно. При включении двигателей последовательно суммарное их напряжение могло бы достичь больших значений, что недопустимо для нормальной ра­боты электрического оборудования. Однако параллельно включен­ные

Рис. 5.23. Схемы перехода из двигательного режима (а) в режим реостатного торможения с переключением обмотки возбуждения (б) или обмотки якоря (в)

генераторы с последовательным возбуждением не в состоянии работать устойчиво, т. е. поддерживать постоянство своих токов и э. д. с.

Например, если по какой-то причине увеличится ток I₁ (рис. 5.23, а) в одном из параллельно включенных тяговых дви­гателей, работающих в генераторном режиме, это вызовет уве­личение его э. д. с. Е₁. Одновременно уменьшатся ток I₂ и э. д. с. Е₂ второго двигателя. Этот процесс продолжается до тех пор, пока ток I₂ не упадет до нуля, после чего он изменит свое направ­ление. При этом изменится полярность второй машины и вместо параллельного включения двух генераторов образуется замкнутый контур, в который оба генератора будут включены последовательно без какого-либо внешнего сопротивления (рис. 5.23, б). Такое вклю­чение генераторов представляет собой, по сути дела, их короткое замыкание, поэтому по замкнутому контуру начнет проходить большой ток I_к.

Для получения устойчивой работы нескольких параллельно соединенных генераторов обмотки возбуждения их включают с перекрещиванием (рис. 5.23, в). В этом случае ток первого ге­нератора проходит через обмотку возбуждения второго генератора и наоборот. Поэтому всякое случайное возрастание тока в цепи одного из генераторов вызовет усиление магнитного потока, а следовательно, и э. д. с. во втором генераторе, что обеспечи­вает автоматическое выравнивание э. д.с. и токов этих генера­торов.

1. Назовите способы включения обмотки возбуждения.

2. Принцип работы электродвигателя с независимым возбуждением.

3. Принцип работы электродвигателя с последовательным возбуждением.

4. Принцип работы электродвигателя с параллельным возбуждением.

5. Принцип работы электродвигателя со смешанным возбуждением.

6. Назовите способы пуска электродвигателя.

7. Принцип прямого пуска электродвигателя.

8. Принцип реостатного пуска электродвигателя.

9. Принцип пуска электродвигателя путём изменения питающего напряжения.

Тема 6. Электрические машины переменного тока

Электрические машины переменного тока могут быть однофазными и многофазными. Наиболее широкое распространение нашли синхронные и асинхронные машины, а также коллекторные машины переменного тока. Принцип действия этих машин основан на использовании вращающегося магнитного поля.

6.1. Вращающееся магнитное поле

Рисунок 6.1. Схема пространственного расположения катушек на статоре двухполюсного асинхронного двигателя (а) и график изменения в них тока (б)

Рисунок 6.2. Упрощённые картины магнитных полей, созданных токами i₁, i₂ и i₃ в фазах обмотки статора двухполюсного двигателя в различные моменты времени

На рис.6.2. изображены картины магнитных полей, созданных переменными токами i₁, i₂ и i₃ в различные моменты времени всеми тремя катушками I, II и III. Предположим, что ток в любой катушке положительный, когда направлен от начала к её концу, и отрицательный, когда направлен от конца к началу.

Начала катушек обозначим А, В и С, а их концы – Х, Y и Z. Направления токов в сторонах катушки показаны точками и крестиками.

а) 0°

б) 60°

в) 120°

Продолжая рассматривать процесс прохождения токов i₁, i₂ и i₃ по катушкам обмотки статора машины и определяя направление созданного магнитного поля (рис 7.2. г, д, е), можно легко доказать, что в течение одного периода изменения тока магнитный поток машины, а следовательно, и находящийся в её поле магнит повернётся на один оборот.

Таким образом, при питании трёхфазным током трёх катушек, сдвинутых одна относительно другой на угол 120°, возникает магнитное поле, вращающееся в пространстве с постоянной частотой вращения n₁=60f₁, где f₁ – частота изменения питающего напряжения, которую называют синхронной.

Амплитуда результирующего потока, создаваемого всеми тремя катушками, в 1,5 раза больше максимального значения потока одной катушки. Полученное вращающееся магнитное поле имеет два полюса.

Укладка проводников каждой фазы в нескольких рядом расположенных пазах, укорочение шага обмотки и скоса пазов обеспечивает распределение магнитной индукции результирующего поля вдоль окружности статора и ротора по закону, близкому к синусоидальному.

1. Какие основные элементы конструкции электрической машины необходимы для получения вращающегося магнитного поля?

2. Как пойдёт ток в момент времени ωt=0°?

3. Как пойдёт ток при повороте катушек на 60°?

4. Как пойдёт ток при повороте катушек на 120°?

6.2. Принцип действия синхронной машины

Назначение.Синхронные машины используют в качестве генераторов и двигателей. Синхронные генераторы вырабатывают электрическую энергию трехфазного тока. Почти все генераторы переменного тока, устанавливаемые на больших и малых электрических станциях, являются синхронными. Мощность этих генераторов может быть самая различная, начиная от нескольких киловольт-ампер (на передвижных электростанциях) и кончая несколькими сотнями тысяч киловольт-ампер (на мощных центральных электростанциях). Синхронные двигатели используют, главным образом, для мощных электрических приводов.

Синхронные генераторы применяют на тепловозах с электрической передачей переменно-постоянного тока. На этих тепловозах напряжение, полученное от синхронного генератора, выпрямляется полупроводниковыми преобразователями и подается на тяговые двигатели постоянного тока.

Принцип действия.

На статоре 2 синхронной машины располагается трехфазная обмотка 1 (рис. 6.3,а), а на роторе 4 — полюсы (электромагниты) с обмоткой, питаемой постоянным током через контактные кольца 3 и щетки. Обмотка 5 полюсов, создающая магнитный поток возбуждения машины, называется обмоткой возбуждения.

Рис. 6.3. Электромагнитная схема синхронной машины (а), и схемы ее включения (б и в):

1—трехфазная обмотка статора; 2— ротор; 3— обмотка возбуждения; 4, 5 — обмотки якоря

Статор синхронной машины ничем не отличается от статора асинхронной машины; его обмотка имеет три (в двухполюсной машине), шесть (в четырехполюсной) или большее число катушек, сдвинутых одна относительно другой на соответствующие углы (120° или 60° и т. д.). При вращении ротора 4с некоторой частотой n поток возбуждения пересекает проводники обмотки статора и индуцирует в ее фазах переменную э. д. с. Е₁.

Благодаря тому, что обмотки трех фаз синхронного генератора сдвинуты в пространстве на угол 120°, индуцируемые в них э. д. с. будут сдвинуты одна относительно другой по фазе на 1/3 периода. Если к обмотке статора подключить какую-либо нагрузку, то протекающий по этой обмотке трехфазный ток создает вращающееся магнитное поле.

Ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. По этой причине рассматриваемая машина называется синхронной. В такой машине результирующий магнитный поток Ф_рез создается совместным действием магнитодвижущих сил обмотки возбуждения и обмотки статора и вращается в пространстве с той же частотой вращения, что и ротор.

В синхронной машине обмотка 1 (рис. 6.3,б), в которой индуцируется э. д. с. и протекает ток нагрузки, называется обмоткой якоря, а часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения, — индуктором. Следовательно, в машине, выполненной по схеме, показанной на рис. 6.3, статор является якорем, а ротор — индуктором. С точки зрения принципа действия и теории работы машины безразлично — вращается якорь или индуктор, поэтому в некоторых случаях применяют синхронные машины с обращенной электромагнитной схемой: у них обмотка якоря, к которой подключается нагрузка, располагается на роторе, а обмотка возбуждения, питаемая постоянным током,— на статоре.

Обмотка якоря обычно имеет семь выводов: от начал А, В, С и концов X, Y, Z фаз и от нулевой точки 0. Это дает возможность соединять фазы и подключать к ним нагрузку по различным схемам: «звезда», «звезда с нулевым проводом» и «треугольник».

Таким образом, синхронная машина имеет следующие особенности:

· ротор машины, работающей как в двигательном, так и в генераторном режимах, вращается с постоянной частотой вращения, равной частоте вращения вращающегося магнитного поля, т. е. n = n₁;

· в обмотке ротора э. д. с. не индуцируется, а магнитное поле создается постоянным током, подводимым от внешнего источника, или постоянными магнитами.

Синхронные генераторы тепловозов с электропередачей переменно-постоянного тока имеют две обмотки якоря 6 и 7(рис. 6.3, в), фазы которых OA и О’А’, ОВ и О’В’ и ОС и О’С’ сдвинуты на 30°. Выводы обмоток якоря подключены к полупроводниковому выпрямителю. В результате сдвига фаз обмоток якоря существенно уменьшается пульсация напряжения и тока на выходе выпрямителя, что улучшает работу тяговых двигателей постоянного тока.

Возбуждение синхронной машины.

В качестве источника постоянного тока для питания обмотки возбуждения 1 синхронной машины может служить генератор постоянного тока 4 (возбудитель), установленный на валу ротора синхронной машины (рис. 6.4, а), или полупроводниковый выпрямитель 5, присоединенный к обмотке якоря 2 (рис. 6.4,б). Питание обмотки возбуждения от полупроводникового выпрямителя все более широко применяется как в двигателях и генераторах небольшой и средней мощности, так и в мощных турбо- и гидрогенераторах. Регулирование тока возбуждения осуществляется вручную регулировочным реостатом 3, включенным в цепь обмотки возбуждения, или автоматически специальными регуляторами. Мощность, необходимая для возбуждения, составляет 0,3—3 % мощности синхронной машины.

1. Способы регулировки напряжения генератора?

2. Что происходит при холостом ходу генератора?

3. Назовите основные элементы конструкции электрической машины.

4. Как расположены обмотки статора при симметричной нагрузке?

5. Из чего состоит полюс генератора?

6. Что используют в качестве магнита в конструкции электрической машины?

Источник