где bщ–ширина щетки; vк–окружная скорость коллектора.
Рис. 2.29 – Направление тока в параллельных ветвях обмотки якорк (а) и график изменения тока в секции (б)
В современных машинах Тк – 0,001 ÷ 0,0001с, вследствие чего средняя скорость изменения тока в секции (di/dt)cp – 2iа/Tк очень велика. Следовательно, в секции может индуктироваться большая э.д.с. само- и взаимоиндукции, называемая реактивной э.д.с:
, (2.17)
где Lp–результирующая индуктивность секции, определяющая величину реактивной э.д.с.
Название «реактивная» обусловлено тем, что согласно правилу Ленца эта э.д.с. препятствует изменению тока – замедляет его.
Помимо реактивной э.д.с. в коммутируемой секции индуктируется также э.д.с. вращения ек, создаваемая внешним магнитным полем и называемая коммутирующей:
, (2.18)
где Вк–индукция в воздушном зазоре, в зонах, где перемещаются коммутируемые секции.
Индукция Вк может создаваться м. д. с. главных полюсов и реакции якоря, а также м. д. с. добавочных полюсов, которые устанавливают в машинах постоянного тока с целью улучшения процесса коммутации.
Установим закон изменения тока в секции в период коммутации, полагая для простоты, что ширина щетки равна ширине коллекторной пластины. На рис. 2.30 показаны три основных этапа коммутации. В первый момент времени (рис. 2.30, а) ток i в коммутируемой секции, присоединенной к пластинам 1 и 2, равен ia и направлен от пластины 2 к пластине 1. Ток щетки 2ia проходит целиком через пластину 1, т.е. i1 = 2iα и i2= 0. В промежуточном положении (рис. 2.30, б) одна часть тока щетки 2ia проходит по-прежнему через пластину 1, а другая часть – через пластину 2, причем i1 + i2 = 2iа. К концу периода коммутации (рис. 2.30, в) пластина 1 выходит из-под щетки и ток, проходящий через нее, становится равным нулю. При этом ток щетки 2ia проходит через пластину 2, т.е. i2 = 2ia и i1 = 0, а ток i в коммутируемой секции изменяет свое направление по сравнению с током в начальный момент коммутации.
Рис. 2.30 – Распределение тока в коммутируемой секции в различные моменты коммутации
Для контура коммутируемой секции, замкнутой щеткой (рис. 2.30, б), можно написать уравнение
, (2.19)
где i1 и i2–мгновенные значения токов, проходящих через пластины 1 и 2; i-ток в коммутируемой секции; r1 и r2–сопротивления переходного контакта между щеткой и коллекторными пластинами: сбегающей 1 и набегающей 2; rс–сопротивление секции.
Поскольку сопротивление секции всегда значительно меньше сопротивлений щеточного контакта, влияние сопротивления rс на процесс коммутации весьма незначительно и им можно пренебречь. Тогда из (2.19) получим
. (2.19а)
Это уравнение называют основным уравнением коммутации. Оно является нелинейным дифференциальным уравнением с переменными коэффициентами, так как э.д.с. ер пропорциональна di/dt; э.д.с. ек является функцией Вк, сопротивления rх· и r2 являются функциями времени, а также плотности тока в щеточном контакте и скорости ее изменения, т.е. зависят от тока i и его производной.
Решение уравнения (2.19а) может быть получено при различных упрощающих предположениях. Далее изложены наиболее распространенные методы решения этого уравнения.
Рис. 2.31 – График изменения тока в коммутируемой секции при идеальной прямолинейной коммутации
Коммутация сопротивлением при ширине щетки, равной ширине коллекторной пластины. Из рис. 2.30, б следует, что токи il и i2, проходящие через сбегающую и набегающую коллекторные пластины,
i1 = ia + i; i2 = ia – i (2.20)
Подставляя значения i1 и i2 в уравнение (2.19а) и решая его относительно i, получим
. (2.21)
Если предположить, что сопротивления r1 и r2 не зависят от плотности тока и определяются только площадями соприкосновения s1 и s2 щетки с коллекторными пластинами 1 и 2, то отношение сопротивлений
.
В этом случае уравнение (2.21) принимает вид
. (2.21а)
Если подобрать ек так, чтобы в любой момент времени выполнялось условие
ev + eK = 0, (2.22)
то дифференциальное уравнение (2.21а) превращается в линейное алгебраическое уравнение
i = ia(1–2t/TK). (2.23)
Коммутацию, при которой ток i изменяется по линейному закону согласно (2.23), называют идеальной прямолинейной коммутацией (рис. 2.31).
Рассмотрим более подробно этот важный для практики случай коммутации. При идеальной прямолинейной коммутации сбегающая коллекторная пластина 1 выходит из-под щетки без разрыва тока, так как
i1 = ia + i = ia + ia(1–2t/TK) = 2ia (1 – t/TK),
и в момент времени t = Тк ток i1 = 0 (весь ток 2iа проходит через пластину 2). Следовательно, под сбегающим краем щетки искрение возникать не будет. Кроме того, в рассматриваемом случае плотность тока под щеткой в местах соприкосновения ее с пластинами 1 и 2 остается все время постоянной и равной среднему значению: Δщ1 = Δща==2iа/Sщ = const. Так, например, в месте контакта щетки с коллекторной пластиной 1
. (2.24)
Аналогично, для коллекторной пластины 2
. (2.24а)
Непосредственно плотность тока мало влияет на интенсивность искрения, однако равномерное распределение тока под щеткой способствует уменьшению потерь в щеточном контакте и поэтому считается положительным фактором.
Идеальная прямолинейная коммутация положена в основу инженерных методик расчета коммутации, предложенных рядом авторов. Главным условием этого расчета является взаимная компенсация мгновенных значений реактивной э.д.с. eр и э.д.с. ек, создаваемой внешним полем.
В рассмотренном случае при прямолинейной коммутации di/dt = const, поэтому
, (2.25)
т.е. реактивная э.д.с. является величиной постоянной, равной среднему значению ер.ср. Следовательно, при расчетах коммутации компенсация мгновенного значения реактивной э.д.с. сводится к компенсации среднего значения ер.ср.
Коммутация за счет э. д. с, создаваемой внешним полем. При выводе уравнения прямолинейной коммутации было принято произвольное допущение, что сопротивление щеточного контакта не зависит от плотности тока. Может быть предложена и другая методика анализа коммутации, при которой пренебрегается влиянием щеточного контакта. Действительно, проведенные эксперименты показывают, что в крупных машинах при удовлетворительной коммутации разница в падениях напряжения и1 – i1r1 и u2 = i2r2 в щеточном контакте составляет менее 0,5 В, в то время как э.д.с. ек превышает 3–4 В, достигая в отдельных случаях 8–10 В. Поэтому предложенное в рассматриваемой методике допущение является вполне обоснованным и основное уравнение коммутации (2.19а) может быть записано в виде
ep + eK = i1r1 – i2r2» 0. (2.26)
Подставляя в уравнение (10.26) значение реактивной э.д.с. ер = – Lрdi/dt и решая его относительно i, получим
. (2.27)
Следовательно, величина и характер изменения тока i в коммутируемой секции в основном определяются коммутирующей э.д.с.
Условием безыскровой коммутации, как и в предыдущем случае, является выход сбегающей коллекторной пластины из-под щетки без разрыва тока, для чего необходимо, чтобы (i1)t=Tк = 0 или (i)t=Tк = – ia
Согласно теореме о среднем из (2.27) имеем
. (2.27а)
Постоянную интегрирования С находим из начальных условий. Так как в начальный момент при t = 0 ток коммутации (i)t=0 = ia, то согласно (2.27) получим C = ia. Положив (i)t=Tк = – ia, найдем условие безыскровой коммутации:
, (2.28)
Откуда
. (2.29)
Таким образом, для осуществления безыскровой коммутации необходима компенсация среднего значения реактивной э.д.с. в процессе коммутации. Если внешнее поле сделать постоянным, т.е. ек = ек-ср, то
. (2.30)
Следовательно, в этом, практически важном, простейшем случае обе методики дают тождественные результаты.
В расчетной практике для определения среднего значения реактивной э.д.с. в секции обмотки якоря часто используют упрощенную формулу, которая может быть получена из (2.29). Для этого ток параллельной ветви ia выражают через линейную нагрузку якоря
,
а период коммутации Тк – через линейную скорость якоря va и число коллекторных пластин K:
. (2.31)
В последних формулах N = 2Kωc–число активных проводников обмотки якоря; Da и Dк–диаметры якоря и коллектора; K-число коллекторных пластин; ωc–число витков в секции.
В результате получим реактивную э.д.с.
. (2.32)
Индуктивность секции
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36
