4.6. Поліпшення комутації за допомогою трансформаторної ерс

Покажемо, як у двигунах пульсуючого струму можна частково або май­же повністю компенсувати ЕРС Ерк~ і тим самим звести до мінімуму неба- лансну ЕРС ΔЕ~ за рахунок зміни величини і фази трансформаторної ЕРС. Нагадаємо, що трансформаторна ЕРС пропорційна змінній складовій пото­ку збудження Фз~ і, отже, залежить від ступеня ослаблення збудження β_.

Розглянемо схему заміщення шунтованої обмотки збудження, яка наве­дена на рис. 4.13. Обмотка збудження з кількістю витків ɷз, по якій прохо­дить струм Iз, має активний опір з та індуктивність 3. По шунтуючому ре­зистору проходить струм Iш, а струм якоря Iя = Iз + Iш.

Змінна складова магнітного потоку збудження Фз~ наводить у секції яко­ря трансформаторну ЕРС Еt. Основна гармоніка Uз~ напруги, прикладеної до обмотки збудження, врівноважується ЕРС Ез, наведеною в обмотці про­порційно потоку збудження, і спадом напруги в з і хз, причому останнє зу­мовлене змінною складовою потоку розсіяння Фз.р~ .

Рис. 4.13

До обмотки збудження через контактор К приєднані регульований резистор Rш.оз і індуктивний шунт, які призначені для ство­рення тягових режимів при ослабленому збудженні.

Побудуємо тепер векторну діаграму (рис. 4.14), що інтерпретує процеси, які ви­никають у схемі на рис. 4.13.

Сполучимо вектор Фз~ з віссю абсцис. Цей вектор відстає від вектора струму İз на достатньо великий кут магнітного запізню­вання γ, величина якого зумовлена нерозшарованою конструкцією магнітопроводу головного полюса і ступенем його насичен­ня сталою складовою потоку. Розкладемо струм İз (відрізок оb) на реактивну İз.p і ак­тивну İз.a складові. Врахуємо, що при зміні збудження в межах β = 1,0…0,85 величина кута γ залишається майже незмінною.

Побудуємо вектор напруги, рівний

.

Відомо, що трансформаторна ЕРС пропорційна величині потоку, що її створив, і відстає від нього на кут 90°. Потік збуджується MPC, яка створена струмом İз.p і збігається з потоком за фазою. Отже, трансформаторна ЕРС пропорційна реактивній складовій струму збудження і завжди відстає від неї на кут 90°.

Вектор струму якоря İя одержуємо в результаті додавання векторів İз і İш. Останній як суто активний струм проводиться з точки b паралельно век­тору з~. Таким чином вектори струмів створили деякий неправильний чо­тирикутник oabc'.

Як показує досвід, кут зміщення векторів з~ і α < 8.. 10°, тому ним можна знехтувати, перемістивши точку с' в с. Тоді вектор İш буде поданий відрізком bс, а İя — відрізком ос. Після суміщення точок с' і с вектор İя змістився на кут αя, який, як видно з побудови, менший за кут α. Таким чи­ном, припушена при нехтуванні кутом α неточність значно зменшилась. Зате тепер вектори струмів створили прямокутний трикутник оас з гіпоте­нузою ос, яка є вектором

Ця обставина дозволяє побудувати колову діаграму, діаметром кола струмів якої є вектор İя, суміщений з віссю ординат (рис. 4.15).

Розглянемо, як зміниться співвідно­шення векторів струмів при зміні ступеня ослаблення збудження β_, але при збере­женні постійного навантаження, тобто при Ія = const.

Нехай β_ =1 (Rш =∞), тоді Із = Ія, а Іш =0. При цьому точка b переміститься в точку с, а точка а в а'. Своїх максималь­них значень досягнуть активна й реактив­на складові струму збудження.

У другому граничному випадку, коли Rш =0 і β_ =0, струм Із =0, а Іш = Ія; точка а переміститься в точку о.

Таким чином, при зміні ступеня збу­дження головних полюсів у межах β_ = 0...1 кінець вектора İз.p ковзає по колу діаметром ос, рівним İя, від точки о до точ­ки а'. Отже, пропорційний йому вектор Ét також ковзає по колу, діаметр якого зміщений відносно діаметра кола струмів на кут 90°, тобто збігається з віссю абсцис. Центр цього кола ЕРС - точка о'.

При вимкнутому шунті (β_=1) трансформаторна ЕРС максимальна, що відповідає відрізку od а при β_=0 Et =0. Змінна значення опору шунтую­чого резистора Rш призводить до ковзання кінців векторів сруму İз.p і транс­форматорної ЕРС Е по дугах відповідно оа' і осі', які є робочими ділянками колової діаграми.

Прибудуємо до колової діаграми вектори змінних реактивної і комутую­чої ЕРС, сумістивши перший з напрямком вектора струму якоря, а другий - як на рис. 4.9, а. Очевидно, що при зміні величини β_, коли кінець вектора Ét переміщується по дузі оd', по цій же дузі ковзає кінець вектора небалансної ЕРС ΔE~, причому мінімум останнього лежить на прямій, що з’єднує точку е (зовні кола) з центром о'. Таким чином, мінімальна величина неба­лансної ЕРС визначається відрізком ed, а відрізком od - оптимальна величи­на трасформаторної ЕРС, яка відповідає ΔEmin. У точці d для різних двигунів β_ = 0,97.. .0,98. Видно, що зміна оптимального значення β_ в бік збільшення або зменшення (у бік точки d' або точки о) призведе до збільшення небалан­сної ЕРС у порівнянні з її мінімальним значенням ΔEmin.

При створенні перших двигунів пульсуючого струму вважали, що при­чиною погіршення їх комутації є трансформаторна ЕРС, як в однофазних колекторних двигунах змінного струму. В одному з експериментів, бажаю­чи зменшити іскріння під щітками (вважали, що в ньому винна трансформа­торна ЕРС), зменшили значення постійного ослаблення збудження β_ з 0,95 до 0,85, коли Еt < 0.25 В і ніяк не впливає на ступінь іскріння, а іскріння при цьому збільшилось. Колова діаграма пояснює це явище.

Отже, відповідний підбір величини опору Rш = дозволяє, зводячи

до мінімуму небалансну ЕРС (0,5...0,8 В), помітно поліпшити комутацію двигуна.

При зміні режиму навантаження (інший струм Iя) зміниться лише кількісний, але не якісний бік розглядуваної нами картини: небалансна ЕРС буде мінімальною при будь-якому струмі якоря, хоч, звичайно, зміниться за величиною.

Інакше ідуть справи при роботі двигуна в режимі ослабленого збуджен­ня (контактор К на рис. 4.13 замкнутий). Тепер зміниться і якісний бік роз­глянутого процесу отримання мінімальної небалансної ЕРС, тому що пору­шуються співвідношення, які прийняті при суто активному постійному шунтуванні (контактор К розімкнутий), між активними й індуктивними опорами схеми (рис. 4.13). Тому в режимі ОЗ (контактор К ввімкнутий) послідовно в коло активного резистора опором Rш.оз необхідно включити індуктивний шунт ІШ.

Зміна величини індуктивності ІШ суттєво впливає на величину транс­форматорної, а значить, і небалансної ЕРС. Відповідним розрахунком мож­на визначити таку величину індуктивності ІШ, при якій небалансна ЕРС буде мінімальною і в режимі ОЗ.

Викладений спосіб поліпшення комутації діє автоматично при будь-яких режимах і є дуже ефективним. Він дозволяє застосовувати зви­чайні тягові двигуни з масивним остовом на пульсуючому струмі без ускладнення конструкції, а схема включення на електровозі в режимі ОЗ об­межує кидки струму в перехідних режимах.

Таким чином, необхідне удосконалення конструкції, яке приводить до зменшення вихрових струмів і потоків розсіювання, і використання транс­форматорної ЕРС забезпечили задовільну комутацію сучасних двигунів пу­льсуючого струму.