CC BY
10
Том 132
1965
ОСОБЕННОСТИ КОММУТАЦИИ ЭМУ ПОПЕРЕЧНОГО ПОЛЯ ПРИ РАБОТЕ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ
Б. И. КОСТЫЛЕВ, А. И. СКОРОСПЕШКИН
(Представлена научным семинаром кафедр электрических машин и общей
электротехники)
К настоящему времени ЭМУ поперечного поля, работающие на переменном или пульсирующем сигнале управления, находят все более широкое применение в различных схемах автоматического управления и электропривода [1, 2].
ЭМУ поперечного поля является специфичной машиной постоянного тока. Эта специфика обусловлена наличием двух комплектов щеток, неравномерным распределением тока по обмотке якоря, существенным влиянием на характеристики реакции коммутационных и вихревых токов, свойствами магнитной системы.
При работе ЭМУ на переменном токе, кроме указанных обстоятельств, появляются новые особенности, обусловленные переменным током. Прежде всего, к ним следует отнести трансформаторные связи. Так, по продольной оси усилителя (рис. 1) трансформаторно. связаны обмотки управления, компенсационная, якорная, дополнительных полюсов и секции, коммутируемые в поперечной цепи. При этом обмотку управления, питаемую переменным током, можно рассматривать как первичную обмотку трансформатора по отношению к остальным обмоткам. Обмотки компенсационная, дополнительных полюсов и якоря сопротивление нагрузки. Эти обмотки включены таким образом, что результирующая трансформаторная э. д. с. очень мала и ею можно пренебречь. Но компеисациойная обмотка и коммутируемые в поперечной цепи секции замкнуты соответственно на сопротивление шунта и малое сопротивление щеточного контакта. В результате появления токов в этих контурах от наведенных
ОУ
Рис. 1. Схема усилителя, включены последовательно на
э. д. с. трансформации ухудшается коммутация поперечных щеток, мощность обмотки управления возрастает, и коэффициент усиления уменьшается. Кроме того, в контуре компенсационной обмотки при работе ЭМУ на переменном токе нарушается распределение токов, что приводит к расстройству компенсации и ухудшению характеристик.
В поперечной цепи следует рассматривать автотрансформаторную-связь. При этом обмотку якоря, замкнутую накоротко через поперечные щетки, можно считать первичной обмоткой автотрансформатора, а коммутируемые секции продольной цепи — вторичной. Коммутируемые в продольной цепи секции находятся в плоскости, перпендикуляр ной оси поперечного потока, и замкнуты на малое сопротивление щеточного контакта. От поперечного потока в этих секциях индуктируется значительная э. д. с. и возникают большие токи, что приводит к резкому ухудшению коммутации продольных щеток, даже при отсутствии тока нагрузки, увеличению потерь и увеличению эквивалентного активного сопротивления поперечной цепи, которое оказывает сильное влияние на коэффициент усиления ЭМУ.
Например, в ЭМУЧ2А мощностью 1,2 кет и с числом витков в секции якоря 1^с = 4 при токе поперечной цепи 1д — 3 а, что составляет 75% от номинального, при частоте 50 гц трансформаторная э. д. с. коммутируемой секции равна 3,5 в. При этом под продольными щетками наблюдается сильное искрение с подгаром сбегающего края щеток. Эквивалентное сопротивление поперечной цепи при отсутствии продольных щеток равно 5,27 ома, а с ними — 9,3 ома, то есть сопротивление возрастает почти в два раза.
Таким образом, при работе ЭМУ на переменном токе в коммутируемых секциях продольной и поперечной цепей возникают трансформаторные э.д. с. и токи, ухудшающие условия коммутации и не- ф - » благоприятно влияющие на ха- 'У рактеристики усилителя. Поэтому вопрос исследования процесса коммутации и ее улучшения в ЭМУ поперечного поля при работе на переменном токе является актуальным. Если неблагоприятное влияние компенсационной об- ? мотки с шунтирующим сопротив- " лением может быть устранено путем. наладки компенсации без шунтирования, то влияние коммутации можно лишь ослабить, тщательно изучив этот процесс с целью нахождения эффективных и приемлемых на практике способов улучшения коммутации.
Для ЭМУ поперечного поля характерно своеобразное взаимодействие э. д. с. в коммутируемых секциях. Если рассмотреть коммутируемые секции поперечной цепи, то в них реактивная и трансформаторная э. д. с. взаимодействует в зависимости от частоты и параметров цепи. Для этого случая можно представить векторную диаграмму, приведенную на рис. 2. Поток управления Фу наводит в поперечной цепи совпадающую с ним по фазе э. д. с. вращения Ея , а в коммутируемых секциях трансформаторную э. д. с.
16Г>
Ет»
Рис. 2. Векторная диаграмма э. д. с. коммутируемых секций поперечной цепи.
Ет(1 отстающую от него на угол ~ . Под действием э. д. с. вращения
в короткозамкнутой поперечной Цепи протекает переменный ток 1Яу остающий от Ед на угол
■Т^агс^,
где Яя и Хц — активное и индуктивное сопротивления поперечной цепи.
В фазе с этим током находится реактивная э. д. с. секции Е$я . Угол Даже на низких частотах, так как активное сопротивление
поперечной цепи очень мало из условия получения высокого коэффициента усиления. В этом случае условия коммутации в поперечной цепи будут наихудшими, так как реактивная и трансформаторная э. д. с. суммируются алгебраически.
Для расширения диапазона пропускания частот усилителя в поперечную цепь включается компенсирующая емкость, создающая резонансный контур. В этом случае ток поперечной цепи совпадает по фазе с э. д. с. вращения,, а реактивная и трансформаторная э.д. с. коммутируемых секций находятся в квадратуре, то есть условия коммутации несколько улучшаются.
Условия коммутации в продольной цепи будут зависеть как от величины, так и характера нагрузки. Это видно из векторной диаграммы, проведенной на рис. 3. Основной поперечный поток усилителя Фя наводит в обмотке якоря совпадающую с ним по фазе э.д. с. вращения Еа ив коммутируемых секциях продольной цепи отстающую на
уГ0Л — трансформаторную э. д. с. Ета . При включении нагрузки ото
Рис. 3. Векторная диаграмма э. д. с. коммутируемых секций продольной цепи.
продольной цепи протекает той Ел на угол
Т
агс^
сдвинутый по фазе относительно
X,,
я,
где Яй и -Л^ — активное и реактивное сопротивления продольной цепи и нагрузки.
От тока нагрузки в коммутируемых секциях продольной цепи появляется реактивная э. д. с. совпадающая с ним по фазе. В общем случае угол сдвига между Е1Ы и Ета равен о, и результирующая э.д. с. коммутируемой секции Еса запишется выражением
С а
Уе2
Ий
■Г 4 -Т
2ЕгмЕха соэ а.
(1)
Так как в зависимости от характера тока нагрузки а выражение (1) можно записать в виде
Ecd - VÉ¿m + E'id ± 2ERdErd sin Wd, (2)
где знак + соответствует индуктивной нагрузке,
знак — соответствует емкостной нагрузке.
Выражение (2) показывает, что результирующая э. д. с. секций, коммутируемых в продольной цепи, зависит не только от величины составляющих Е и Ета, но и от характера, нагрузки. Причем более тяжелые условия коммутации возникают при индуктивной нагрузке усилителя.
Исследования процесса коммутации в ЭМУ поперечного поля на переменном токе проводятся на реальных усилителях типа ЭМУ-12А по пути, предложенному в [3]. Этот путь сводится к первоначальному раздельному исследованию коммутации в поперечной и продольной цепях с переходом на совместную работу цепей, то есть путь с переходом от простого к сложному. Первый этап позволяет выяснить, как влияет на процесс коммутации переменный ток при отсутствии трансформаторных э. д. с. в коммутируемых секциях.
Исследования, проведенные по этому этапу, показали, что переменный ток при отсутствии трансформаторных э. д. с. по сравнению с. постоянным существенного изменения в процесс коммутации не вносит. Это объясняется тем, что за период коммутации мгновенное значение тока практически остается постоянным и условия коммутации так же, как и на постоянном токе, обусловлены параметрами коммутирующих секций и щеточного контакта.
Рис. 4. Статические вольт-амперные характеристики щеток ЭГ-8: 1 — переменный ток частоты 50 гц, 2 — постоянный ток.
На рис. 4 приведены статические вольтамперные характеристики щеток ЭГ-8, снятые экспериментально на закороченном коллекторе при
_J_ ^ q ■
ТО
постоянном и переменном токе. Они показывают, что сопротивление щеточного контакта на постоянном и переменном токе практически одинаково. Одинаковый характер коммутации при постоянном и переменном токе подтверждают и осциллограммы кривых тока коммутируемых секций, приведенные на рис. 5 и 6, полученные соответственно для поперечной и продольной цепей.
Таким образом, условия коммутации в ЭМУ поперечного поля на переменном токе определяются величиной реактивной и трансформаторной э. д. с. и характером их взаимодействия. Поэтому вопрос улучшения коммутации тесно связан с компенсацией этих э. д. с.
г
¿¿а =3,5 а
/
Рис. 5. Кривые тока коммутируемых секций поперечной цепи, питаемой постоянным и переменным током:
1.....переменный ток частоты 50 гц,
2 — постоянный ток.
Рис. 6. Кривые тока коммутируемых секций продольной цепи, питаемой постоянным и переменным током, при отключенных дополнительных полюсах: 1 — переменный ток частоты 50 гц, 2 — постоянный ток.
Выводы
1. Условия коммутации и характеристики при работе ЭМУ поперечного поля на переменном токе ухудшаются за счет трансформаторных связей коммутируемых секций с обмотками усилителя.
2. Условия коммутации при работе ЭМУ поперечного поля на переменном токе зависят не только от параметров секций и щеточного контакта,. но и от параметров цепей усилителя и характера нагрузки.
3. Переменный ток при отсутствии трансформаторных э. д. с. в коммутируемых секциях существенных изменении в процесс коммутации не вносит.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ю. М.. Александров. Применение электромашинного усилителя поперечного поля в системах привода, как генератора тока переменной частоты. Сб. работ по вопросам электромеханики, в. 2, 1958.
2. В. В. Рудаков. Электромашинные усилители в системах автоматики. ГЭИ, 1961.
3. А. И. Скороспешкин, Коммутация электромашинных усилителей с поперечным полем. Диссертация, г. Томск, 1960.
