Поясннительная записка (1230467), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

5 РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ОГРАНИЧЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

5.1 Процесс коммутации

Под понятием коммутации в электромашинах постоянного тока принимают явление, вызванное изменением направления тока в проводнике обмотки якоря при переходе его из одной соседней ветви в другую, т. е. при прохождении линии, на которой располагаются щетки. Исследуем явление коммутации на примере кольцевого якоря [6].

На рисунке 5.1 представлена развертка части якорной обмотки, состоящей из четырех проводников, сектора коллектора (две коллекторные пластины) и щетки. Проводники 2 и 3 образуют собой коммутируемый виток, показанный на рисунке 5.1(a) в положении, которое он будет занимать до процесса коммутации, на рисунке 5.1(в) – после прохождения процесса коммутации, а на рисунке 5.1(б) – в период процесса коммутации. Коллектор и обмотка якоря перемещаются в указанном стрелкой направлении с частотой вращения n, щетка не передвигается.

До момента времени коммутации, ток якоря протекает через щетку, правую коллекторную пластину и распределяется между параллельными ветвями обмотки якоря поровну. Проводники 1, 2 и 3 и проводник 4 образуют собой различные параллельные ветви.

После момента коммутации проводники 2 и 3 переместились в другую соседнюю ветвь и в них изменилось направление тока на противоположное. Данное изменение произошло за время, которое равно периоду протекания коммутации, т. е. за то время, которое необходимо, чтобы щетка переместилась с правой пластины на параллельную левую (в реальности щетка покрывает сразу несколько пластин коллектора, но принципиально это не влияет на протекание процесса коммутации).

Один момент периода коммутации изображен на рисунке 5.1(б). Коммутируемый виток замкнут накоротко коллекторными пластинами и щеткой. Таким образом, за время коммутации происходит изменение направления электрического тока в витке 2 – 3, то это означает, что по витку протекает переменный ток, наводящий переменный магнитный поток.

Переменный магнитный поток индуцирует в витке, подверженном коммутации, электродвижущую силу самоиндукции, или другими словами реактивную электродвижущую силу. Согласно принципу Ленца, электродвижущая сила самоиндукции стремится поддержать в проводнике ток прежнего направления. Следовательно, направление электродвижущей силы самоиндукции совпадает с направлением тока в витке до коммутации [6].

Рисунок 5.1 – Схема процесса коммутации тока: а – положение до коммутации; б – в период коммутации; в – после коммутации

Под воздействием электродвижущей силы самоиндукции в короткозамкнутом витке 2 – 3 протекает высокий дополнительный электрический ток, ввиду того, что сопротивление контура низкое. В точке соприкосновения щетки с левой пластиной дополнительный ток направлен в противоположную сторону току якоря, а в точке соприкосновения щетки с правой пластиной направление этих токов одинаково.

Чем ближе к моменту окончанию времени коммутации, тем менее обширна площадь соприкосновения щетки с правой пластиной и тем выше плотность тока. По окончании момента коммутации контакт щетки с правой пластиной разрывается и возникает электрическая дуга. Чем выше дополнительный ток, тем мощнее дуга [6].

Когда щетки расположены на геометрической нейтрали, тогда в коммутируемом витке магнитный поток якоря индуцирует электродвижущая сила вращения. На рисунке 5.2 в увеличенном виде показаны проводники коммутируемого витка, расположенные вдоль геометрической нейтрали, и направление электродвижущей силы самоиндукции для генератора, сонаправлено с током якоря в этом проводнике до периода коммутации.

Рисунок 5.2 – Направление электродвижущей силы в коммутирующем витке

Направление вращения определяют согласно правилу правой руки и постоянно совпадает с направлением электродвижущей силы. В результате чего дополнительный ток еще больше повышается. Появляющаяся электрическая дуга меж щетками и коллекторными пластинами может повредить поверхность коллектора, в результате ухудшается контакт между щетками и коллектором.

Для улучшения условий коммутации щетки сдвигают в направлении физической нейтрали. Когда щетки расположены на физической нейтрали коммутируемый виток не пересекает ни одного внешнего магнитного потока и электродвижущая сила вращения не индуцируется. Если же передвинуть щетки дальше физической нейтрали, как показано на рисунке 5.3, тогда в коммутируемом витке суммарный магнитный поток будет индуцировать электродвижущую силу, которая направлена противоположно электродвижущей силе самоиндукции.

Рисунок 5.3 – Направление электродвижущей силы в коммутируемом витке при сдвиге щеток за физическую нейтраль

Так будет скомпенсирована не только э.д.с. вращения но и э.д.с. самоиндукции (частично или полностью). Как говорилось ранее, угол сдвига физической нейтрали постоянно изменяется, поэтому щетки обычно устанавливают со сдвигом на некоторый усредненный угол по отношению к ней.

Уменьшение электродвижущей силы в коммутируемом витке вызывает уменьшение дополнительного тока и ослаблению электрического разряда между щетками и коллектором [6].

Существенно улучшить условия протекания коммутации можно установкой добавочных полюсов (рисунок 5.4). Добавочный полюс располагается по геометрической нейтрали. У генераторов добавочный полюс располагается за основным полюсом сонаправлено вращению якоря, а у двигателя - нет. Обмотки добавочных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря так, чтобы создаваемый ими поток был направлен встречно потоку якоря.

Рисунок 5.4 – Схема включения обмоток добавочных полюсов

Ввиду того что оба эти потока наводятся одним током (током якоря), следовательно можно подобрать количество витков обмотки добавочных полюсов и величину воздушного зазора между ними и якорем таким образом, чтобы потоки были равными по значению при любой величине тока якоря. Поток добавочных полюсов будет всегда компенсировать поток якоря и электродвижущая сила вращения в коммутируемом витке будет отсутствовать.

Повышение сопротивления цепи коммутируемой секции возможно за счет выполнения "петушков" с высоким сопротивлением. В то же время это приводит к понижению коэффициента полезного действия (к.п.д.) электромашины, а также к увеличению плотности тока у сбегающего края щетки. Кроме того, такие "петушки" менее надежны в эксплуатации.

Рисунок 5.5 – Прямолинейная (а) и криволинейная (б) коммутация сопротивлением

Весьма важным аспектом является подбор щеток с требуемыми характеристиками. В тяжелых условиях коммутации лучше проявляют себя твердые графитовые щетки с высоким переходным сопротивлением контакта, однако при этом электрические потери в переходном контакте и механические потери на трение также становятся выше. Щетки с круто поднимающейся вольт-амперной характеристикой хороши с точки зрения понижения плотности тока на сбегающем краю щетки и способствуют улучшению условий коммутации. Медно-графитовые щетки, выделяющиеся малым переходным сопротивлением, применяются исключительно в электромашинах на напряжение до 25 – 30 В.

В целях улучшения коммутации предложен и ряд других мер, которые, тем не менее, не находят широкого применения ввиду малой экономической целесообразности.

5.2 Улучшение коммутаций при переходных режимах и пульсирующем токе.

При неблагоприятных переходных режимах (толчкообразная и пульсирующая нагрузка, сильные перегрузки, короткие замыкания и т. п.), и также при питании электромашин постоянного тока, особенно от однофазной сети (например, железные дороги, электрифицированные на переменном токе), условия коммутации резко ухудшаются [6].

Одной из основных причин ухудшения условий коммутации при может являться присутствие трансформаторной э.д.с., которая появляется при изменении магнитного потока главных полюсов. Компенсировать эту э.д.с. при помощи добавочных полюсов практически невозможно, ввиду того что закономерности изменения Е_тр и Е_к различаются. Например, Е_тр совсем не зависит от скорости вращения. Потому в необходимых случаях применяют меры к понижению Е_тр. Также, в тяговых электродвигателях постоянного тока, эксплуатируемых на электровозах переменного тока с выпрямительными установками, обмотки возбуждения главных полюсов шунтируются активным сопротивлением. В виду высокой индуктивности обмотки возбуждения пульсирующая составляющая выпрямленного тока при этом будет ответвляться в шунтирующее сопротивление и поток главных полюсов не будет содержать этой составляющей.

При быстрых изменениях тока в цепи якоря поток добавочных полюсов вследствие возникновения вихревых токов в массивной магнитной цепи и создаваемых ими магнитных потоков не будет изменяться пропорционально току якоря и компенсация реактивной э.д.с. нарушится. Улучшить коммутацию при этом можно с помощью индуктивной катушки, присоединяемой параллельно обмотке добавочных полюсов. Если постоянная времени

индуктивной катушки значительно больше постоянной времени обмотки добавочных полюсов, то ток в этой катушке будет меняться весьма медленно по сравнению с током в обмотке добавочных полюсов. Поэтому резкие изменения тока якоря воспринимаются этой обмоткой, и так как через нее проходит только часть полного тока якоря, то относительное изменение тока в обмотке добавочных полюсов будет больше, чем в обмотке якоря. Такая "форсировка" тока обмотки добавочного полюса позволяет добиться более быстрого изменения его магнитного потока и тем самым компенсировать в определенной мере влияние вихревых токов в магнитопроводе. Однако наиболее эффективной мерой улучшения коммутации в машинах с резко изменяющейся нагрузкой или при сильных пульсациях питающего тока является изготовление сердечников добавочных полюсов, а также ярма машины из листовой электротехнической стали.

При наличии значительных перегрузок электромашины, а в частности при коротких замыканиях, сердечники добавочных полюсов насыщают прежде всего за счет больших потоков рассеяния. В таком случае с помощью добавочных полюсов уже невозможно обеспечить компенсацию реактивной э.д.с. и коммутация значительно ухудшается. При наличии компенсационной обмотки поток рассеяния добавочных полюсов значительно уменьшается, в результате чего область их правильного действия увеличивается.

5.3 Скорость протекания коммутационных процессов

При нахождения длительности коммутационных процессов при различных скоростях движения, для начала найдем количество оборотов совершаемых колесом для прохождения одного километра железнодорожного пути. Для этого найдем длину окружности колеса, при диаметре колеса 1250 мм, длинна окружности будет равна:

Отсюда найдем количество оборотов колеса на километр пути:

Умножив полученное значение на скорость движения, выведем количество оборотов в час для данной скорости движения. При скорости 10 км/ч имеем выражение:

об/ч.

Переведем в обороты в секунду:

Для получения оборотов якоря в секунду, умножим обороты колеса на передаточное число, в данном случае 4,19:

об/сек.

Характеристики

Список файлов ВКР