Параметры машин постоянного тока при переходе от обычной коммутации к вентильно-механической Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

Том 212 1971

ПАРАМЕТРЫ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА ПРИ ПЕРЕХОДЕ ОТ ОБЫЧНОЙ КОММУТАЦИИ К ВЕНТИЛЬНО-МЕХАНИЧЕСКОЙ

О. А. Братковский, В. В. Ивашин, И. А. Милорадов

(Представлена научным семинаром кафедр электрических машин

и общей электротехники)

Рассмотрим изменение параметров машины постоянного тока при переходе от обычной схемы коммутации (рис. 1) к одной из перспективных схем вентильно-механической коммутации (ВМК) (рис. 2) с включением вентилей в коммутируемую секцию на весь период ее замыкания подразделенной щеткой и с загрузкой вентилей полным током щеточного бракета [1]. Предполагается, что основные параметры (мощность, напряжение, скорость вращения, число полюсов, геометрия и основные размеры активных частей, диаметр коллектора) остаются неизменными. В дальнейшем параметры машины с обычной коммутацией обозначаются индексом «1», а машины с ВМК — индексом «2».

Исходные положения

Введем следующие обозначения: Ь — ширина щеток, ¡3 — число коллекторных пластин, перекрываемых щеткой, 1 — коллекторное деление,

2 — число пазов якоря, ип — число коллекторных пластин на паз.

В машинах с обычной коммутацией

(1)

Ч

3 схеме ВМК (рис. 2) коллектор сдвоенный и состоит из чередующихся рабочих и холостых пластин одинакового размера. При этом

-Т3--Р» = 1, (2)

Рис. 1. Обычная схема коммутации: 1 — щетка, 2 — коллектор, 3 — секция якоря

Известно [2], что каждому диаметру якоря соответствует свое оптимальное число пазов. Поэтому если Ъ\ выбрано правильно, то необходимо, чтобы при переходе в ВМК

(3)

Принимая во внимание, что обычно отношение —¿р— достаточно близко к единице, с учетом (1) — (3) можно записать

Ь2 _ ип1 ' ^ - р2 _ 1

Ь1 ип2 • г2 . ип2

Из (4) видно, что для принятых условий Ъ^Ьх не может быть больше единицы. По соображениям наименьшей плотности тока в щеточном контакте из (4) получаем исходные соотношения для перехода к схеме ВМК (рис. 2):

ЬажЬи 11x0=1. (5)

В отдельных случаях возможны отклонения от (5), однако наибольший интерес представляет анализ изменения параметров при условии

Ь2 = ЬЬ (6)

ип2=1. (7)

Рис. 2. Схема вентильно-механической коммутации: 1— подразделенная щетка, 2 — сдвоенный коллектор, 3 — секция якоря, 4 — вентиль

Число коллекторных пластин (К)

С учетом (2), (6) получаем число рабочих коллекторных пластин на сдвоенном коллекторе (рис. 2)

к2(8)

К2 необходимо округлять до ближайшего четного знака. При этом получим Ь2=#= Ьь Однако этим изменением, ввиду его малости, при дальнейшем анализе можно пренебречь.

Плотность тока в щеточном контакте (]щ) и длина коллектора

Рассмотрим только простейший случай — прямолинейную коммутацию, когда плотность тока в щеточном контакте машины с ВМК постоянна и равна

_ 1щ2

]щ2—~о * °Щ2

Учитывая, что 1Щ2=1щ1 и Ьг — Ьь получаем

] Щ2 1

Щ1

К1

(9)

]щ1 1щ2 ^ К2

Здесь 1Щ — максимальный ток через щетку, — площадь контакта щетки с коллектором, 1Щ — длина щетки (рис. 3), 1К — длина рабочей поверхности одного коллектора (рис. 3).

4

ч 7 %

и-

Ы

6)

т 5

\гш!г внг %

Рис. 3. Расположение щеток на коллекторе при обычной коммутации (а) и при ВМК (б)

Число пазов якоря {г)

Учитывая (2), получаем

2Р (Ю)

иП1 „ ип1

и,

Обмотка якоря

В машинах со схемой ВМК (рис. 2) принципиально возможно применение как петлевых, так и волновых обмоток (рассматриваются од-иоходовые обмотки). Но при ВМК число секций обмотки (как и число рабочих коллекторных пластин) должно быть четным. Это требование накладывает определенное ограничение на соотношение числа коллекторных пластин К.2 и числа пар полюсов р2.

Ширина коммутационной зоны (Ькз)

Учитывая, что

= + + [2],

^ ~ •> Е)2 = DK2 Ок1, 1^2 = Ь после преобразования получаем

1 + (ип2 + зкз--

Ъкзз ---2Ц. • ькз1. (11

Здесь а — число пар параллельных ветвей обмотки якоря, р — число пар полюсов машины,1 Е)— диаметр якоря, Бк — диаметр коллектора,

в — укорочение шага обмотки в коллекторных делениях. В табл. 1 приведены подсчитанные по (И) с учетом (2), (6) значения ЬКз2/Ькз1 Для наиболее распространенных пределов изменения параметров: иП1 —2—4; (¡$1 = (0,75—1,0)ипь еи^ип; ек1-0—(2—4); ек2 = 0—1;

р2=р]==1_3; 1/3.

Р1

Таблица I

Род обмотки иП1 р1 Ькзг/ еК2 = 0 Ьк:и £к2~ 1

Петлевая 2 1,5- -2 0,333—0,667 0,667 — 1,334'

а -1 4 3- -4 0,3 —0,572 0,6 — 1,144

Р

Волновая 2 1,5- -2 0,489 — 0,91 0,775 — 1,450

а -1/3 п 4 3- -4 0,47 — 0,87 0,750 — 1,390

Число витков в секции

Так как при переходе к ВМК эдс якоря не изменяется, а подраз-деленность якорной обложки уменьшается в кг/к] раз, то с учетом (2)

* Кл о /1 Г»\

^2= "Г-\Г ' = Т" " ^ ' (12)

с1| * Г\2 «{

Активное сопротивление секции (г5)

В первом приближении можно считать, что при переходе к ВМК остаются неизменными коэффициент заполнения медью активного слоя, средняя длина витка, температура обмотки якоря, а сечение эффективного проводника изменяется пропорционально а2/аь

Индуктивность секции (Ц)

Известно [3], что

Ь5 = 2\^2 • I • а,

(14)

- П ¡ ЛО I 5

где/ — длина пакета якоря, /лб — длина лобовой части секции, а— удельная магнитная проводимость секции (на единицу длины пакета якоря) без учета взаимоиндукции с другими секциями в пазу; Ялг> — магнитные проводимости пазовой и лобовой части секции на единицу их длины.

При переходе к ВМК с учетом (12) получаем

L

S2

_ w's2

W'

si

А,

' Lsi —

'SI

В первом приближении

К

— 1; U —

?! )2- L

sr

Результирующая индуктивность секции (Lsp)

Сравнение проведем на базе общепринятых положений прямолинейной коммутации [3].

По аналогии с (14) имеем

(16)

Л'п + \пб

^Л б \ I \ hlù

-,— = к • Ап +Ллб. —

¿>десь

| — средняя удельная магнитная проводимость секции (на единицу длины ее пазовой части) с учетом взаимоиндукции,

Я'п— средняя удельная магнитная проводимость пазовой части секции с учетом взаимоиндукции,

к'— коэффициент, учитывающий изменение Хп из-за наличия взаимоиндукции.

При переходе к ВМК, учитывая (16), получаем

^Sp2

W'

S2

w2sl

L

Spl

a2

ai / S,

Для анализа в первом приближении можно принять

'SOI

I

Ллб2 ' —

Лб2

и

\лб1

Лб1

0; Ап2 - Ап1.

В этом случае

L

к\ ' SP2

— • р,42

а

• L

Spl*

(17)

На основании данных [2] в табл. 2 приведены пределы изменения отношения k'2/k'i при Uni = 2—4; 0i=(O,75—l,0)Uni; еК, =0—(2—4); ек2 = =0—1.

Таблица 2

U,

к27к,'

8К2=0

1,5 — 2 3—4

0,668—1,330 0,364—0,750

0,333 — 0,665 0,182—0,375

Коммутирующая эдс в секции (ек)

При прямолинейной коммутации

е — L

где ¡а — ток в параллельной ветви обмотки якоря,

Т — период коммутации секции. При переходе к ВМК

*а2 — *а1 ' ! Т2 = а2

Учитывая (17), а также то, что на практике ек увеличивается в ку раз для создания ускоренной коммутации и ку2 обычно больше куЬ пю-л\'чаем

а? Ку2 • к

К2

^ . -г ■ еко (18>

а1 * Kyi ' K'i

где ку — коэффициент ускорения коммутации.

Число витков обмотки дополнительного полюса

В нормально выполненных машинах магнитная цепь дополнительных полюсов должна быть ненасыщенной и падением намагничивающей силы в ее стальных участках можно пренебречь. Тогда

*гд = Рря,+ РйД ; Род = ш • Вгд; В,д = % . ■ (19)

Здесь

Рря — н. с. реакции якоря (РрЯ2 = Рря1),

Род — и. с. воздушного зазора под дополнительным полюсом,

1Я — ток якоря (1я2 = 1я1),

Вбд — индукция в воздушном зазоре под дополнительным полюсом,

ш — коэффициент пропорциональности между Рбд и

В од (Ш2 = Ш1),

V — линейная скорость якоря (У2 = У1). После преобразований с учетом (12), (18), (19) получаем

| КУ2 ' К 2 Род]

В„2 = h Ку2 ' Вад1; w^ = -Ky1pR/l Рря1 ■ (20)

Kyi • К ! ] +

РрЯ1

Сечение дополнительного полюса спинки якоря (Sa)

и ярма индуктора (Sj)

Как указывалось выше, при переходе к ВМК изменяется ширина коммутационной зоны (табл. 1) и индукция в зазоре под дополнительным полюсом (20). Очевидно, что при переходе к ВМК потек в магнитных участках цепи дополнительного полюса изменится в

куз ■ К'2ЬК32 = д

'1 ' f "К

Ку] ■ к J • DK3l

Если индукции в магнитных участках цепи дополнительного полюса в машине с обычной коммутацией выбраны правильно (нет насыщения), то, исходя из их сохранения, получаем

*

1+-А-

Бдз =■ А8Д1; Ва2Ц2) —

ф

Г1

1 +

ф

• Б

(21)

Д1

ф

Г1

где Фд и Фг — магнитные потоки дополнительного и главного полюсов.

В табл. 3 в качестве примера приведены найденные с учетом (1) — (21) и табл. 1 и 2 соотношения параметров машин при иП1=2—4; Эх = (0,75— 1,0)ипь ек<'ип; а2=аь Ь2 = Ь1; /к2 = 0,5/кь иП2 = р2=1; кУ1 = 1,15; ку2 =

= 1,5—2;-г^-= 0,1—0,2; РбД1/РрЯ1 =0,05—0,2. Цифры, стоящие в табл. 3

Фи

слева, относятся к значениям 01 = 1,5, а справа — к (31=4.

Таблица 3

^эргА-эр!

Г82

к2/к, .¡щгЛщ! Ws1 Г51 1-32/1-81 Бк2=0 8К2=1

0,67 — 0,25 2 1,33—1,0 1,5—4 2,25—16 1,69—9,5 0,68—4,73

екг/ек! / В5д1/Вбд1

8к2 = 0 еК2— 1 1 6к2 = 0 вк2— 1 е„2 = 0 еК2= 1

2,2—16,5 1,16—8,25 /1,47—4,12 0,735—2,06 .1,02—.1,52 0,98—1,18

Род обмотки

Ькзг/Ькз!

8к2=0 еК2=1

Здг/Зд!

еК2 = 0

6к2— 1

5а2(]2)/5а1(ЗП

8к2= 0

8К2=1

Петлевая 0,338—0,672 0,667—1,14 0,49—2,36 0,955— 1,23

Волновая 0,484—0,87 '0,775—1,39 0,715—3,62 0,57—2,86 0,975—1,44 0,96—1,3!

Выводы

1. Как видно из табл. 3, при переходе от обычной коммутации к ВМК (рис. 2) происходят следующие изменения параметров машины, зависящие б основном от Рь

а) уменьшается число коллекторных пластин, число секций, т. е. подразделенность якорной обмотки, что, естественно, приведет к некоторому увеличению пульсации эдс и тока якоря;

б) увеличивается плотность тока в щеточном контакте ]щ при неизменных габаритах коллектора (или его габариты—при неизменной плотности тока). Следует отметить, что сохранение ]щ при переходе к ВМК не всегда обязательно. Известно [4], что данная схема ВМК может нормально работать при до 50 а/см2, т. е. сдвоенный коллектор по габаритам может и не отличаться от обычного;

в) увеличивается число витков \Уз, активное сопротивление г8 и индуктивность Ц секций якоря. Известно [4, 5], что увеличение и Ц не вызывает ухудшения коммутации, как в обычных машинах. Увеличение гь несколько ухудшает коммутацию при пуске машины в режиме двигателя;

г) в большинстве случаев увеличиваются: результирующая индуктивность секции Цр, индукция под добавочным полюсом В гд, число витков дополнительного полюса \УД. Ограничить их увеличение можно-

укорочением шага обмотки при ВМК еК2=1. При увеличении Wn несколько увеличиваются и размеры обмотки дополнительного полюса;

д) увеличивается коммутирующая эдс в секции ек, что физически объясняется увеличением Ws, Lsp и необходимостью при ВМК более ускоренной коммутации. Увеличение ек так же, как и Ws, не вызывает ка-кого-либо ухудшения условий коммутации;

е) ширина коммутационной зоны Ькз при гК2 = 0 уменьшается, а при гК2~\ в отдельных случаях — увеличивается;

ж) сечения сердечника дополнительного полюса Бд, спинки якоря Sa и ярма индуктора Sj могут увеличиваться или уменьшаться. В среднем их возможное увеличение меньше, чем ек или В§д.

2. Соотношения b2~bi и Un2=l могут использоваться как исходные при определении параметров машины со схемой ВМК (рис. 2).

3. При переходе к ВМК не происходит какого-либо заметного ухудшения характеристик или существенного увеличения веса машины, а ее коммутационная устойчивость значительно повышается [5].

ЛИТЕРАТУРА

1. О. А. Братковский, В. В. Ивашин, И. А. Милорадов. Схемы вентплько-ме-ханической коммутации машин постоянного тока (см. настоящий сборник).

2. П. С. С е р г е е в и др. Проектирование электрических машин, Госэнер-гоиздат, 1956.

3. М. П. Ко стен к о, JI. М. Пиотровский. Электрические машины, ч. I. «Энергия», 1964.

4. Bates I., S г i d h а г Т., Thyristor-assisted sliding contact commutation, Proc. Inst. El. Engrs. 1966, Vol 113, № 2.

5. О. А. Братковский, В. В. Ивашин, И. А. Милорадов. Экспериментальная проверка машины постоянного тока с вентильно-механической коммутацией (см. настоящий сборник).