УстрАСУ / Конспект УАСУ

181

машинах. Если часть МДС якоря в пределах половины полюсной дуги превосходит падение магнитного потенциала в зазоре и в зубцах якоря, то магнитное поле в зазоре машины на части полюсного деления изменяет знак. Это явление «опрокидывания» характерно для МПТ ЛА при перегрузках по Iя и повышенных частотах вращения, когда регуляторы уменьшают ток возбуждения Iв и поток с целью поддержания u=const при увеличении п генераторов или для повышения п двигателей. Знак поля может оказаться измененным почти на /2, а электрический угол смещения нейтрали

Рис. 8.4. Действие МДС якоря при сдвиге щеток с геометрической нейтрали.

Продольная реакция якоря. Направление результирующей МДС якоря Fя совпадает с осью установки щеток. Сдвиг щеток с геометрической нейтрали (случайный из-за технологических погрешностей или преднамеренный с целью улучшения коммутации) на

181

влияет поток Фяд, который уменьшает Ф по сравнению с Фо при размагничивающей реакции якоря или увеличивает Ф при намагничивающей реакции. Для компенсации МДС надо соответственно изменить МДС возбуждения на

.Таким образом, в общем случае с учетом коммутационных явлений МДС обмотки возбуждения

где Fф0 —МДС возбуждения при XX, соответствующая потоку Фо; составляющие, соответственно компенсирующие уменьшение Ф под влиянием потока дополнительных (коммутационных) полюсов при насыщенных ярмах статора и ротора; изменение Ф под влиянием поля этих полюсов при сдвиге щеток с нейтрали; изменение Ф от МДС короткозамкнутых коммутирующих секций при ускоренной или замедленной коммутации.

Если машины содержат дополнительные полюсы, то, как правило, щетки устанавливаются в нейтрали и Fяd=0, Fдd=0. Значение Fд,н обычно невелико. Для МПТ ЛА может оказаться существенной Fк,с (ослабленных регуляторами потоках Ф). Теоретически можно использовать МДС Fяd для намагничивания реактивных МПТ, работающих при Iв = 0. На практике это нерационально из-за плохой коммутации (при сдвиге щеток по nд или против nг для получения намагничивающей реакции) и из-за низкого КПД.

Электромеханическая коммутация тока якоря. Определение: коммутацией называется процесс изменения направления тока в проводниках якоря при их переключении из одной параллельной ветви обмотки в другую посредством щеточноколлекторного аппарата. Процесс происходит при прохождении проводников обмотки якоря через плоскость, соответствующую плоскости установки щеток на коллекторе. Классическая теория исходит из механического совершенства коллектора и не учитывает температурные факторы, явления электрического пробоя и другие физические эффекты.

Рассмотрим коммутацию для простой петлевой обмотки. Секция, присоединенная к двум соседним коллекторным пластинам, в процессе коммутации замыкается накоротко, так как обе пластины хотя бы частично перекрываются щеткой.

Время изменения тока в секции от +Iяа до –Iяа составляет период коммутации

секций. По отношению к щеточному контакту коммутация — это периодический процесс

182

183

Рис. 8.5. Зависимость тока в секции от времени (Тп — время перемещения секций между разноименными щетками).

Качество коммутации, сопровождаемой дугообразованием согласно ГОСТ 18374 оценивается в баллах по шкале искрения. Различаются пять классов коммутации: 1 (темная коммутация); 11/2, 11/4 (слабое искрение); 2, 3 (значительное искрение). Класс 2 допускается только при кратковременных режимах; класс 3 недопустим из-за почернения коллектора и обгорания щеток.

Причины искрения делятся на три группы: 1) механические факторы; 2) электропотенциальные факторы; 3) электромагнитные факторы. Последние связаны: а) с размыканием щеткой секции, имеющей запас электромагнитной энергии, рассеиваемой в дуге на сбегающем крае щетки; б) с замыканием щеткой секции при чрезмерной плотности тока на набегающем на пластину крае сетки и с искрообразованнем термического характера. Известны несколько теорий коммутации: классическая и ряд модифицированных. Классическая теория коммутации предполагает постоянство удельного (на единицу площади) переходного сопротивления подвижного контакта щ = const, т. е. и сопротивления Rщ = щ Sщ = const. Погрешность теоретических расчетов устраняется при экспериментальной наладке коммутации. Токи короткозамкнутых щеткой секций двухслойной обмотки создают изменяющийся во времени поток Фoк коммутационного рассеяния, который вызывает в секциях среднюю за период Tk

элементарного паза, а при bщ > bк —также соседних элементарных пазов. Обычно bщ = (1,5—3) bк. При вращении ротора в коммутирующих секциях от пересечения ими магнитных полей главных и дополнительных полюсов и поля реакции якоря. Пульсации Ф из-за зубчатого строения якоря и изменения Iв регулятором вызывают коммутирующих секциях ЭДС трансформации еT. Проанализируем простейший случай:

Сопротивление проводников секции и соединительных «петушков» с отводами мало по сравнению с переходными сопротивлениями R1 и R2 между щеткой и пластинами 1 и 2 коллектора. Для короткозамкнутой секции (рис. 8.6) можно записать уравнение

(8.7)

183

184

где i1, i2 — токи, подводимые к пластинам 1 и 2. Для узлов a1 и a2 (рис. 8.6) справедливо

(8.9)

Рис. 8.6. К расчету тока коммутирующей секции

Пусть при t=0 щетка находится на пластине 2. Учитывая ряд соотношений

(8.10)

184

185

(8.10) ток i (t)=i л теоретически изменяется по линейному закону, и коммутация называется прямолинейной. Ток i л = 0 при i*= 0,5 или t = Tk/2 (прямая 1 на рис. 8.7). Если ep + еk<>0, коммутация называется криволинейной замедленной (для ep > еk) или ускоренной (для ep < еk). При согласном действии ep и еk получается резко замедленная коммутация, а при встречном их действии резко ускоренная (наибольший ток i>Iяа) В случае криволинейной коммутации ток i (t) = iл + iк (кривые 2—5 на рис. 8.7).

Рис 8.7

Предпочтительна нормально ускоренная коммутация (кривая 3 при ep < еk, так как плотность тока коммутации J на сбегающем крае щетки в этом случае меньше. Плотность тока J пропорциональна тангенсу угла между осью t и касательной к i (t), т. е. производной

Наиболее благоприятна форма кривой, у которой при t = Tк будет ik=0; di/dt=0, или иначе J(Tk)=0 что предотвращает искрообразование. При некоторых сочетаниях параметров

185

187

187

189

б) Нагрузочная характеристика U=f (Iв) при Iя = const, п = const. Напряжение якоря по (8.2) составляет:

(8.11)

причем ЭДС отличается от значения ЭДС XX вследствие изменения потока Ф под влиянием реакции якоря. В ГПТ щетки можно сдвигать из нейтрали по направлению вращения для улучшения коммутации. При этом МДС Fяд размагничивает машину. Обычно сдвиг щеток незначителен, и эффект размагничивания учитывается в основном МДС Fдq. Напряжение ГПТ зависит также от падения напряжения на внутреннем участке цепи якоря. Влияние обоих факторов определяет ход нагрузочной

под влиянием реакции якоря. При малых токах Iя крутизна спадания характеристики dU/ Iя невелика и практически постоянна; при больших Iя ход кривой отклоняется от линейного закона вследствие сильного влияния поперечной реакции якоря при насыщении полем Вя (РИС.8.11). Величина характеризует относительное изменение напряжения нерегулируемого генератора при переходе от холостого хода к режиму номинальной (8.11) для U=0 ток КЗ Ток Iя,к в несколько раз больше номинального тока что приводит к недопустимому нагреву машины и резкому ухудшению коммутации.

г) Регулировочная характеристика Iв =f (Iя), при U = const, п = const. В

установившемся режиме цепь якоря практически (без учета процесса коммутации) не влияет на цепь возбуждения. Изменение Iв достигается извне принудительно, например с помощью регулятора. В соответствии с (8.11) регулировочная характеристика показывает (рис. 8.12, кривая 7), по какой закономерности необходимо варьировать Iв при возрастании нагрузки генератора, чтобы его напряжение оставалось постоянным. При Iв > Iв,ном , крутизна dIв/dIя увеличивается из-за влияния насыщения.

д) Скоростные характеристики U=f(n) при Iв = const, Iя = const и

при U = const, Iя = const. Скоростные характеристики U=f(n) существенны для генераторов, используемых на ЛА. При XX и при нагрузке они отражают линейное возрастание напряжения генератора с независимым возбужденней от увеличения частоты вращения. Скоростные регулировочные

характеристики Iв = (п) показывают, по какой закономерности надо варьировать Iв для

нарушается из-за насыщения магнитной цепи.

189

190

Генераторы параллельного возбуждения. Характеристики XX и нагрузочная этих машин соответствуют рис. 8.9 и 8.10. Незначительное отличие зависимости Е=f(Iв) при Iя =0 от магнитной характеристики Ф = Ф (Iв) в ГПТ с самовозбуждением обусловлено тем, что при XX по его якорю протекает ток Iв<>0.

Внешняя характеристика U=f (Iя) при Rв = const; п = const существенно отличается от кривой рис. 8.11 только в диапазоне Iя > Iя, ном. С уменьшением U снижаются ток Iв=U/ Rв и ЭДС. После достижения наибольшего (критического) значения ток якоря будет уменьшаться при дальнейшем снижении Rн (рис. 8.13). Для режима КЗ (U = 0, Iв = 0) Iя, к =Iя ,ост = Eост/Rя . В переходном процессе ток iв (t) и поток Ф(t) снижаются относительно медленно, а ток iв (t) достигает максимума (ударного значения Iя,max>> Iя,ном) и обусловливает резкое возрастание момента Мэ что может повредить вал. Недопустимое коммутационное искрение приводит к обгоранию коллектора и щеток.

Рис. 8.13. Внешние характеристики ГПТ:

1 — ГПТ с параллельном возбуждением; 2 — ГПТ с независимым возбуждением; 3 — зависимость полезной мощности Р от Iя ГПТ с параллельным возбуждением

190