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.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Что называют коммутацией в электродвигателе

Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Дальневосточный государственный университет путей сообщения»

Кафедра «Электроподвижной состав»
Ю.А. Давыдов, А.К. Пляскин

Тяговые электрические машины.
Учебное пособие

Рекомендовано
Учебно-методическим объединением
в качестве учебного пособия для студентов
вузов железнодорожного транспорта

1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ОТЕЧЕСТВЕННОГО И МИРОВОГО ЭЛЕКТРОМАШИНОСТРОЕНИЯ
2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ
3. КОНСТРУКЦИЯ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
3.1. Способы подвешивания тяговых двигателей
3.2. Кинематические схемы тяговых передач
3.3. Элементы конструкции тягового двигателя постоянного тока
3.4. Особенности конструкции тяговых двигателей переменного тока
3.5. Особенности конструкции и перспективы применения линейных двигателей
4. УСЛОВИЯ РАБОТЫ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
5. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ
6. ХАРАКТЕРИСТИКИ И СВОЙСТВА ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
6.1. Номинальные и предельные данные тяговых двигателей
6.2. Магнитные и нагрузочные характеристики тягового электродвигателя
6.3. Рабочие характеристики двигателей
6.3.1. Электромеханические характеристики
6.3.2. Электротяговые характеристики
6.4. Коэффициент полезного действия и потери в двигателе
7. ПРИНЦИПЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
8. КОММУТАЦИЯ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
8.1. Критерии оценки качества коммутации
8.2. Коммутация при установившихся процессах
8.3. Электромагнитные причины искрения
9. ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ НА КОЛЛЕКТОРЕ
9.1. Распределение индукции и напряжения
9.2. Способы повышения потенциальной устойчивости
9.3. Дополнительные полюса и компенсация ими реактивной эдс
9.4. Компенсационная обмотка и ее влияние на потенциальные условия
9.5. Круговой огонь на коллекторе тяговых двигателей
10. ТЯГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ТОКА
10.1. Внешние способы сглаживания пульсации
10.2. Коммутация переменной составляющей тока
10.3. Переменная составляющая момента
10.4. Особенности коммутационного процесса двигателей пульсирующего тока
10.5. Определение переменной составляющей екп
10.6. Компенсация реактивной эдс дополнительными полюсами двигателей пульсирующего тока
10.7. Способы улучшения коммутации тяговых двигателей пульсирующего тока
11. НЕУСТАНОВИВШИЕСЯ ПРОЦЕССЫ В ЦЕПИ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
11.1. Виды переходных процессов
11.2. Влияние вихревых потоков в магнитопроводах на протекание переходных процессов
11.3. Влияние индуктивности обмоток тяговых машин на переходные процессы
11.4. Влияние параметров внешних цепей на переходные процессы
11.5. Мероприятия, направленные на облегчение протекания переходных процессов
12. НАГРЕВАНИЕ И ОХЛАЖДЕНИЕ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
12.1. Допустимые превышения температур
12.2. Классическая теория нагревания однородного твердого тела
13. ВЕНТИЛЯЦИЯ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
13.1. Самовентилирующиеся машины
13.2. Независимая вентиляция
13.3. Расчет вентиляции тяговых электрических машин
14. ТЯГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
14.1. Асинхронные двигатели. Основные понятия.
14.2. Принцип регулирования асинхронного тягового двигателя
14.3. Формы фазных токов и напряжений АТД
14.4. Моменты от высших временных гармоник тока и потока одного порядка
14.5. Коэффициент мощности и кпд АТД
15. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ И МАШИННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
15.1. Назначение и классификация вспомогательных машин
15.2. Особенности конструкции вспомогательных машин электроподвижного состава постоянного тока
15.3. Вспомогательные машины ЭПС переменного тока
15.4. Мотор-вентиляторы
15.5. Мотор-компрессоры
15.6. Мотор-насосы
15.7. Расщепители фаз
15.8. Мотор-генераторы и генераторы управления
15.9. Делители напряжения
16. ИСПЫТАНИЯ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
17. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ И РЕМОНТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
17.1. Основные неисправности электрических машин
17.2. Тяговый электродвигатель НБ-520В
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Тяговые электрические машины.
Учебное пособие

8. КОММУТАЦИЯ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

8.1. Критерии оценки качества коммутации

Коммутация в машинах постоянного тока представляет собой ряд явлений, вызванных процессом изменения тока в секциях обмотки якоря за время их перехода из одной параллельной ветви обмотки в другую. Секции обмотки в течение этого времени замыкаются накоротко щетками. Это время – период коммутации.

Коммутация – это процесс изменения тока в секции обмотки якоря.

Коммутация признается хорошей, если под щетками при работе машины с нагрузкой или на холостом ходу не возникает искрения. И наоборот, если наблюдается искрообразование, вызывающее повреждения поверхности коллектора, то это – неудовлетворительная коммутация.

Практикой установлены два основных критерия для оценки качества коммутации:
1) степень искрения щеток, оцениваемая по стандартной шкале;
2) ширина безыскровой зоны.

Стандартная шкала искрения формирует следующие степени:
— 1 – отсутствие искрения, или темная коммутация;
— 1 1 /₄ – слабое искрение под небольшой частью щетки;
— 1 1 /₂ – слабое искрение под большей частью щетки;
— 2 – искрение под всем краем щетки;
— 3 – значительное искрение под всем краем щетки с появлением крупных вылетающих искр.

Надежная работа машин в длительном режиме обеспечивается при условии, что искрение на щетках не превосходит степени 1 1 /₄.

Визуальная оценка коммутации вносит субъективизм в результаты. Для объективной оценки разработан ряд приборов, основанный на фотоэлектрических датчиках. Чем же вызвано искрение под щетками? Наиболее крупных причин, вызывающих искрение, – две:
1) механические;
2) электромагнитные, т. е. собственно коммутационные.

К механическим причинам искрения относятся следующие:
1) биение коллектора, под которым подразумевается:
а) нарушение цилиндрической поверхности коллектора, вызванное плохим качеством шлифовки;
б) выступание миканита;
2) неправильная притирка щеток;
3) неправильная расстановка щеток;
4) неправильная величина нажатия щеток;
5) ослабление щеток в гнездах. Боковой износ щеток, их перекосы, выкрашивание;
6) неодинаковый воздушный зазор под различными полюсами;
7) косая сборка коллекторных пластин;
8) неодинаковая толщина коллекторных пластин или миканита;
9) загрязнение поверхности коллектора.

Большое влияние на работу тяговых машин оказывает конфигурация и материал щеток.

В тяговых машинах два основных сорта щеток:
1. твердые угольно-графитные щетки и
2. электрографитированные.

Электромагнитные причины искрения будут рассмотрены позднее, рассмотрев процессы коммутации.

Наиболее просто процесс коммутации объясняется в так называемой классической теории.

8.2. Коммутация при установившихся процессах

Согласно классической теории коммутации ток в коммутируемой секции будет изменяться во времени прямолинейно, если щетка перекрывает одно коллекторное деление, сопротивление щеточного контакта сохраняется постоянным и коллектор вращается медленно. При быстром вращении коллектора в коммутируемой секции появляется эдс самоиндукции от изменяющегося тока.

Для того чтобы коммутация сохранялась прямолинейной, рекомендуется наводить в коммутируемых витках эдс равную эдс самоиндукции. Для наведения коммутирующей эдс, равной эдс самоиндукции, и служат добавочные полюса. Таким образом, все расчеты коммутации сводятся к расчету электродвижущей силы самоиндукции и расчету мдс обмотки добавочных полюсов. Кроме эдс самоиндукции, в коммутирующей секции наводится и эдс взаимоиндукции из-за расположения в пазу пазовых частей двух секций.

Исходя из сказанного суммы эдс самоиндукции и взаимоиндукции – это мгновенные значения реактивной эдс коммутирующей секции

(8.1)

где L_э – эквивалентная индуктивность секции;
i_я – ток в параллельной ветви обмотки якоря;
Т_к – период коммутации (время, в течение которого осуществляется коммутация).

(8.2)

где L и М – коэффициенты само- и взаимоиндукции.

(8.3)

где в_щ – ширина щетки;
V_к – окружная скорость коллектора обычно T_к = 10 –4 …10 –5 с.

(8.4)

(8.5)

где u_к – число коллекторных пластин приходящихся на один паз;
λ_п – удельная проводимость магнитного потока.

Число коллекторных пластин на паз определяется по формуле

(8.6)

где К – число коллекторных пластин;
Z – число зубцов (пазов) якоря.

(8.7)

где γ = в_щ / t_к – коэффициент щеточного перекрытия;
t_к – коллекторное деление;
ɛ_к – укорочение шага обмотки в коллекторных делениях, которое может быть вычислено по формуле

(8.8)

где Y_z– шаг обмотки по пазам.

Период времени, в течение которого происходит полное изменение потока

(8.9)

Так как магнитное поле обоих пазов, в которых расположены стороны коммутируемой секции, изменяется одновременно, то

(8.10)

(8.11)

Из формулы видно, что реактивная эдс зависит прямо пропорционально от удельной проводимости магнитному потоку пазового рассеяния

(8.12)

где λ_пп – проводимость в зоне расположения проводников;
λ_пв – проводимость в зоне клинового крепления секции;
λ_з – проводимость в зоне воздушного зазора;
λ_л – проводимость в зоне лобовых частей обмотки, отнесенная к пазу.

По формуле А.Б. Иоффе определено максимальное значение реактивной эдс, однако, необходимо знать и изменение этой эдс в пределах зоны коммутации. Такое знание открывают диаграммы пазового поля. Рассмотрим их для случая диаметральной обмотки (когда отсутствует пазовое укорочение) и для хордовой обмотки якоря (рис. 8.1).

При построении диаграмм будем учитывать, что эдс самоиндукции e_сп в пазу и взаимоиндукции e_вп в каждом проводнике постоянны и ширина зоны коммутации, отнесенная к коллектору

(8.13)

Обычно в тяговых двигателях значение реактивной эдс поднимается до 18…20 В, но это предельные значения. Как правило, e_р 6…7 В, а если тяжелые условия токосъема – р e 3…5 В.

Рис. 8.1. Диаграммы пазового поля: :
а – для диаметральной обмотки; б – для хордовой обмотки

По итогам рассмотрения диаграмм можно сформулировать электромагнитные причины искрения.

Искажения кривой распределения поля добавочных полюсов под влиянием поля главных полюсов.

8.3. Электромагнитные причины искрения

1. Невозможность создания компенсирующего поля, в точности совпадающего по форме для любого момента времени с теоретически требующимся. Вследствие этого остаются небалансные или остаточные эдс.

2. Различная степень демпфирующего влияния вихревых токов в проводниках обмотки якоря на пазовое поле рассеяния коммутирующих секций при широком диапазоне изменения частоты.

3. Пульсации потока главных полюсов машины вследствие изменения магнитной проводимости зазора, что вызывает появление трансформаторной эдс в коммутируемых секциях.

4. Не соответствие во времени между налагающейся переменной составляющей в реактивной эдс коммутации, вызванной пульсацией тока якоря, и коммутирующей эдс, создаваемой добавочными полюсами (только для двигателей пульсирующего тока).

9. ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ НА КОЛЛЕКТОРЕ

10. ТЯГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ТОКА

11. НЕУСТАНОВИВШИЕСЯ ПРОЦЕССЫ В ЦЕПИ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

11.1. Виды переходных процессов

Различают два основных вида переходных процессов:
1) электромеханические;
2) электрические.

Электромеханические процессы связаны с изменением нагрузки на валу тягового двигателя. Они, как правило, протекают при постоянном напряжении. Например, увеличение тяговой силы электровоза при выходе с ровного участка на подъем. Ток в двигателе изменяется, но это постепенные изменения, которые, как привило, не приводят к серьезным последствиям. Значительно сложнее электрические переходные процессы.

Причем электрические переходные процессы также можно разделить на две группы:
1) эксплуатационные;
2) аварийные.

К эксплуатационным переходным процессам относят:
— трогание с места и разгон электровоза,
— переход с одного соединения на другое,
— изменение степени ослабления поля и т. д.

К аварийным – броски напряжения в контактной сети, потеря питания с последующим восстановлением, режимы короткого замыкания, в частности, круговой огонь на коллекторе.

Особенно опасны резкие толчки напряжения или отрывы токоприемника от контактного провода. При этом происходят процессы, пояснить которые можно диаграммой (рис. 11.1).

Рис. 11.1. Процессы в тяговом двигателе при снятии и восстановлении напряжения

На основании вышесказанного, бросок тока сопровождается нарушением коммутационного процесса. Нарушение коммутационного процесса вызвано еще и тем, что вихревые токи препятствуют нарастанию тока в дополнительных полюсах, а значит, нарушается баланс между реактивной и компенсационной эдс.

Итак, мы опять столкнулись с влиянием вихревых токов, только теперь уже при переходных процессах. х.

11.2. Влияние вихревых потоков в магнитопроводах на протекание переходных процессов

Существует утверждение, что изменение магнитодвижущей силы постепенно продвигает магнитный поток вглубь сечения магнитопровода, наводя эдс в условных контурах:

Под действием этой эдс возникают токи

Вихревые токи, как бы образуют экран по внешнему контуру магнитопровода, препятствуя изменению потока по всей его площади (рис. 11.2).

На рис. 11.3 приняты следующие обозначения:
q – глубина проникновения потока;
Ву – индукция в зоне проникновения потока;
а – ширина магнитопровода;
б – длина магнитопровода в осевом направлении;
П – средний периметр сечения, занятого магнитным потоком

где П 2 а в – периметр сечения магнитопровода;
к – коэффициент, зависящий от отношения потока Ф в настоящий момент времени к установившемуся значению потока (рис. 11.4). При этом

Рис. 11.2. Вихревые токи в магнитопроводе главных полюсов

Рис. 11.3. Проникновение магнитного потока в магнитопровод

Сопротивление контура вихревого тока

где ρ – удельное электрическое сопротивление магнитопровода, Ом·см;
l – длина магнитопровода, см.

Глубина проникновения потока

Изменение вихревого тока

Это наиболее общая формула, характеризующая изменения вихревых токов в зависимости от остальных показателей.

Рис. 11.4. Зависимость к (Ф / Ф_у)

При расчете конкретных участков магнитной цепи формула несколько модифицируется, в основном за счет добавления коэффициентов. Обозначив постоянную часть приведенной формулы коэффициентом вихревых токов для данного магнитопровода К_вихр, перейдем к другой форме записи

Из формулы видно, что вихревой ток прямо пропорционален изменению магнитного потока и чем больше

, тем больше тормозящее действие вихревых токов.

На характер процессов, кроме вихревых токов, оказывают влияние как параметры двигателя, так и параметры внешней схемы. Вначале рассмотрим влияние индуктивности обмоток двигателя на характер переходных процессов в связи с тем, что форма тока на активных сопротивлениях по существу не отличается от формы напряжения, а емкостные составляющие у двигателя невелики.

11.3. Влияние индуктивности обмоток тяговых машин на переходные процессы

Если на время «отбросить» параметры внешней цепи, то с учетом влияния вихревых токов можно записать уравнение для двигательного режима машины

где L = L_я + L_д + L_в + L_ко – индуктивность всех обмоток двигателя;
е_св – эдс самоиндукции обмотки возбуждения

Индуктивность обмотки возбуждения очень велика и составляет примерно

Теперь рассмотрим определение каждой составляющей формулы (11.11). Из уравнения (11.11) видно, что именно индуктивные составляющие будут влиять на характер протекания процессов в тяговом двигателе. Полная индуктивность обмотки якоря

где L‘_я – индуктивность, обусловленная потоком реакции якоря;
L n _я – индуктивность, вызываемая местными (в якоре) потоками рассеяния.

Не проводя промежуточных преобразований для равномерного воздушного зазора, можно записать, что индуктивность определяется как

где К_в – коэффициент воздушного зазора;
К_н – коэффициент для учета насыщенности магнитной цепи (определяется по графикам в зависимости от индукции в зубцовом слое).

Индуктивность обмотки якоря, обусловленная местными потоками,

где п – проводимость рассеяния паза.

Индуктивность компенсационной обмотки определяется аналогично

где ко – проводимость рассеяния, состоящая из рассеяния в пазах, по сторонам зубцов и в лобовых частях обмотки.

Индуктивность обмотки главных полюсов

где i – ток намагничивания

Индуктивность обмотки добавочных полюсов

где 1,3 – коэффициент, учитывающий распределение потока рассеяния по высоте; д – коэффициент рассеяния дополнительного полюса. Таким образом, определены факторы, влияющие на характер переходных процессов в двигателе.

11.4. Влияние параметров внешних цепей на переходные процессы

Рассмотрим широко применяемую схему подключения тяговых двигателей на подвижном составе (рис. 11.5).

Рис. 11.5. Схема подключения тяговых двигателей

Назначение всех элементов схемы хорошо известно. Подробная схема, только с одним двигателем, уже рассматривалась. Сложность расчета связана с тем, что полученная схема нелинейна из-за сглаживающего реактора, индуктивного шунта и обмоток двигателя.

На рис. 11.5 дана схема и если сделать допущение о симметричности ветвей с тяговыми двигателями, то приведенная схема может быть описана следующей системой уравнений:

(11.21)

где я L – индуктивность обмоток якоря, добавочных полюсов, компенсационной обмотки; я R – эквивалентное сопротивление якорной цепи;

где тр r = 0,07…0,12 Ом – эквивалентное сопротивление трансформатора;
rш1, rш2, rв – активные сопротивления шунтирующих цепей и обмотки возбуждения, Ом;
С – конструкционная постоянная машины.

По приведенным уравнениям можно сделать следующие замечания. Считается, что индуктивность зависят от токов, но при быстроизменяющихся процессах индуктивное сопротивление не успевает изменяться, поэтому в уравнения можно подставлять значения индуктивного сопротивления, бывшие при установившихся значениях тока. Для учета влияния вихревых токов в эти уравнения можно включить и значение тока намагничивания

где Ф f i – нагрузочная характеристика.

Полученная система уравнений полностью описывает переходные процессы в цепи тягового двигателя. Решается она на ЭВМ методами интегрирования дифференциальных уравнений.

11.5. Мероприятия, направленные на облегчение протекания переходных процессов

Расчеты переходных процессов дают возможность выбрать параметры силовой цепи электровоза таким образом, чтобы обеспечить надежную работу двигателя и электровоза в целом.

Поэтому, задаваясь значениями бросков токов, можно оценить максимально допустимые значения индуктивностей шунта и сглаживающего реактора. Это позволяет уменьшить металлоемкость оборудования и одновременно снизить потери.

Снижение влияния вихревых токов можно достичь, используя следующие мероприятия:
1) шихтовку элементов магнитной цепи дополнительных полюсов;
2) образование второго зазора под дополнительными полюсами.

Выполняя второй зазор, следует не забывать о том, что это приведет к падению напряженности и необходимо будет увеличивать мдс за счет увеличения числа витков..

12. НАГРЕВАНИЕ И ОХЛАЖДЕНИЕ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

12.1. Допустимые превышения температур

При работе электрической машины часть ее энергии превращается в тепло. Это тепло выделяется в обмотках в виде электрических потерь и в стале в виде потерь на перемагничивание. Кроме этого, нагреваются от трения подшипники и коллектор. Нагрев электрической машины вызывает старение изоляции, а вызванное нагревание обмоток и не одинаковые коэффициенты линейного расширения у различных частей тягового двигателя могут привести к разрыву изоляции, а значит, и к преждевременному выходу машины из строя.

В связи с этим можно предположить, что на интенсивность старения изоляции будут влиять следующие факторы:
1) значение и время действия рабочих температур;
2) пределы и частота изменения температур;
3) влажность;
4) электрическое напряжение;
5) воздействие химических элементов;
6) вибрационные нагрузки.

В настоящем подразделе рассматриваются первые два пункта из перечисленных.

В зависимости от нагревостойкости компонентов, входящих в состав изоляции, её подразделяют на 5 классов А, В, Е, F, Н.
В тяговом электро-магнитостроении используют три класса В, F, Н.

Предельные температуры нагревания для этих классов изоляции мы указывали в одной из первых лекций. Хотелось бы заметить, что расчетный срок службы изоляции класса В составляет 4…5 лет, а изоляции класса Н – 8…10 лет.

Допустимые превышения температур нормируются для каждой части тягового двигателя (обмотка якоря, обмотка полюсов, коллектор) (табл. 12.1).

Таблица 12.1. Допустимые превышения температур

Различаются изоляционные материалы для разных классов.
Для класса В – это материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна.
Класс F – то же самое, но пропитывается синтетическими связующими и эпоксидными смолами.
Класс Н – то же самое, но пропитываются кремнийорганическим составом.

12.2. Классическая теория нагревания однородного твердого тела а

Согласно данной теории части машины рассматриваются как однородные тела, выделяющие тепловую энергию. Часть этой энергии вызывает нагревание тела, а часть рассеивается в окружающую среду.

Для лучшего понимания процессов сделаем небольшой экскурс в теплотехнику и определим ряд ее аспектов и терминов. Итак, общая теплоемкость тела – количество тепла, необходимое для его нагревания на 1 °С. Общая теплоемкость зависит от массы тела m и удельной теплоемкости «с»

Общая теплоотдача тела В – количество тепловой энергии, отдаваемой за единицу времени со всей поверхности в окружающую среду при разности температур в 1 °С

где α – коэффициент теплоотдачи Вт/см 2 ;
S – площадь поверхности тела.

Коэффициент теплоотдачи – количество тепловой энергии, отдаваемой лучеиспусканием и конвенцией за единицу времени с единицы поверхности тела, при разности температур в 1 °С.

Поскольку было сказано, что тепловая энергия частью поглощается телом, а частью – рассеивается, то можно записать уравнение теплового баланса

Хотелось бы сразу пояснить два момента.
Во-первых, если в начале нагревания температура тела равна температуре окружающей среды, т. е. τ = 0, то

Отсюда, установившееся превышение температуры тела

(12.7)

Учитывая, что выделившийся в теле тепловой поток имеет вид:

(12.9)

Разделив правую и левую часть на В, и обозначим получим

(12.10)

Разделив переменные, получим

(12.11)

(12.12)

где N – постоянная интегрирования.
При t = 0

(12.13)

(12.14)

(12.15)

Из полученного выражения (12.15) определим превышение температуры тела над температурой окружающей среды в функции времени:

Если начальное превышение температуры тела τ₀ = 0, тогда

(12.19)

Исходя из этого кривые нагревания и охлаждения однородного тела будут иметь вид, показанный на рис. 12.1.

можно сказать, что если тепловыделение прекратилось, т. е. ∆Р = 0, то уравнение приобретает вид:

(12.20)

Рис. 12.1. Кривые нагревания и охлаждения

На рис. 12.1 кривая 3 охлаждения тела соответствует уравнению (12.20). Это наиболее общее уравнение, характеризующее нагревание тела.

Давыдов Ю.А.
Тяговые электрические машины. Учебное пособие

Источник