5.6. Поліпшення комутації за допомогою трансформаторної ерс

Покажемо, як у двигунах пульсуючого струму можна частково або май­же повністю компенсувати ЕРС і тим самим звести до мінімуму неба- лансну ЕРС за рахунок зміни величини і фази трансформаторної ЕРС. Нагадаємо, що трансформаторна ЕРС пропорційна змінній складовій потоку

збудження і, отже, залежить від ступеня ослаблення збудження _.

Розглянемо схему заміщення шунтованої обмотки збудження, яка наведена на рис. 5.13. Обмотка збудження з кількістю витків ɷз, по якій проходить струм , має активний опір та індуктивність . По шунтуючому резистору проходить струм , а струм якоря .

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

Рис.5.13 Рис. 5.14

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

Побудуємо тепер векторну діаграму (рис. 5.14), що інтерпретує процеси, які ви­никають у схемі на рис. 5.13.

Сполучимо вектор з віссю абсцис. Цей вектор відстає від вектора струму на достатньо великий кут магнітного запізню­вання γ, величина якого зумовлена нерозшарованою конструкцією магнітопроводу головного полюса і ступенем його насичен­ня сталою складовою потоку. Розкладемо струм (відрізок оb) на реактивну і ак­тивну складові. Врахуємо, що при зміні збудження в межах = 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 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 одержуємо в результаті додавання векторів і . Останній як суто активний струм проводиться з точки b паралельно век­тору . Таким чином вектори струмів створили деякий неправильний чо­тирикутник oabc'.

Як показує досвід, кут зміщення векторів і < 8.. 10°, тому ним можна знехтувати, перемістивши точку с' в с. Тоді вектор буде поданий відрізком bс, а — відрізком ос. Після суміщення точок с' і с вектор 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 , суміщений з віссю ординат (рис. 5.15).

Рис. 5.15

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

Нехай _ =1 ( =∞), тоді = , а =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 =0 і _ =0, струм =0, а = ; точка а переміститься в точку о.

Таким чином, при зміні ступеня збу­дження головних полюсів у межах β_ = 0...1 кінець вектора ковзає по колу діаметром ос, рівним , від точки о до точ­ки а'. Отже, пропорційний йому вектор 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 ( _=1) трансформаторна ЕРС максимальна, що відповідає відрізку od а при _=0 =0. Змінна значення опору шунтуючого резистора призводить до ковзання кінців векторів сруму і транс­форматорної ЕРС 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. 5.9, а. Очевидно, що при зміні величини _, коли кінець вектора переміщується по дузі оd', по цій же дузі ковзає кінець вектора небалансної ЕРС , 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 . У точці d для різних двигунів _ = 0,97.. .0,98. Видно, що зміна оптимального значення _ в бік збільшення або зменшення (у бік точки d' або точки о) призведе до збільшення небалан­сної ЕРС у порівнянні з її мінімальним значенням .

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 _ з 0,95

до 0,85, коли < 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 дозволяє, зводячи до мінімуму небалансну ЕРС (0,5...0,8 В), помітно поліпшити комутацію двигуна.

При зміні режиму навантаження (інший струм ) 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. 5.13 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. 5.13). Тому в режимі ОЗ (контактор К ввімкнутий) послідовно в коло активного резистора опором необхідно включити індуктивний шунт .

Зміна величини індуктивності суттєво впливає на величину транс­форматорної, а значить, і небалансної ЕРС. Відповідним розрахунком мож­на визначити таку величину індуктивності , 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.