Лекції по електромеханічним пристроям комп'ютеризованих систем - файл n4.doc

Лекції по електромеханічним пристроям комп'ютеризованих систем
скачать (471.1 kb.)
Доступные файлы (8):
n1.doc557kb.20.12.2008 03:08скачать
n2.doc206kb.11.04.2004 00:13скачать
n3.doc297kb.02.06.2004 11:01скачать
n4.doc267kb.11.04.2004 00:23скачать
n5.doc244kb.11.04.2004 01:21скачать
n6.doc283kb.11.04.2004 00:18скачать
n7.doc299kb.11.04.2004 01:19скачать
n8.doc254kb.11.04.2004 01:23скачать

n4.doc

2.10. Реакція якоря та комутація машини постійного струму
2.10.1. Реакція якоря машини постійного струму. Магнітне поле машини при навантаженні і знаходженні щіток на геометричній нейтралі
Реакцією якоря зветься вплив магнітного поля якоря (при протіканні по ньому струму) на магнітне поле індуктора. Таким чином, на холостому ході реакції якоря немає. На рис.2.10.1,а показаний напрямок поперечної реакції якоря Faq, отриманий за правилом буравчика.

Щоб отримати вірне результуюче магнітне поле з врахуванням дії реакції якоря, треба дотримуватись таких правил:

1.Напрямок магнітних силових ліній головного північного полюса N вважати додатнім, а південного S - відємним.

2.Врахувати вказаний додатній та відємний напрямок магнітних силових ліній також для реакції якоря.

3.Щітки розміщені на геометричній нейтралі.

При якісному аналізі цього явища ми (без враховування зубчастості якоря і наявності додаткових полюсів) скористаємось методом накладання, згідно якому будуємо показану пунктиром магнітну індукцію головних полюсів (рис.2.10.1,б) та складаємо ії з картиною магнітного поля якоря (показана точками). Цей метод дає вірне результуюче магнітне поле (показана жирною лінією) лише у випадку лінійної залежності магнітної індукції матеріалу від магнітної напруженості, чого в ЕМ не спостерігається, бо їх магнітна система є насиченою.

На рис.2.10.1,а напрямок струму в якорі співпадає з напрямком ЕРС (який може бути визначений за правилом правої руки) і показаний хрестиками та точками. Напрямок поперечної реакції якоря Faq, яка виникає під дією струму якоря, визначається за “правилом буравчика”: при обертанні буравчика за напрямками струмів в якорі спрямування вектора Faq співпадає з напрямком руху буравчика.

Для якісного аналіза поля якоря дійсний зубчастий якір замінюють еквівалентним гладким якорем з рівномірно розміщеною на його поверхні обмоткою та розрахунковим повітряним проміжком .

При визначенні реакції якоря за початкову точку розглянемо відрізок, який складається з «2х», де відстань “х=0…/2” відраховується від осі полюса. Закон повного струму для участка, що розглядається має вигляд

.

Якщо нехтувати напруженістю магнітного поля в сталі, то закон повного струму має вигляд

,

де =100…600 А/см;

– відстань від осі головного полюса, м; А – лінійне навантаження якоря ЕМ, яке збільшується зі збільшенням потужності машини, А; - повітряний проміжок, м; – напруженість магнітного поля, А/м; -кількість провдників в пазах якоря ЕМ; - струм в одному провіднику, А; - диаметр якоря, м.

Індукція поля реакції якоря в точці “х”

, Вб/м2 ,

де - магнітна проникненість у повітрі, Гн/м.

У відповідному масштабі крива н.с. може служити як крива індукції реакції якоря , яка на рис.5.1.,б показана пунктирними лініями. Але у міжполюсному просторі індукція різко зменшується внаслідок збільшення повітряного проміжка.

З отриманої кривої результуючого магнітного поля (рис.2.10.1,б)



випливає:

1.Реакція якоря спотворює результуючий магнітний потік у порівнянні з режимом холостого ходу (збільшує поле на набігаючому краю щітки та зменшує на збігаючому у режимі генератора, а для режима двигуна – навпаки).

2.Спостерігається зсув фізичної нейтралі результуючого магнітного поля (у ній результуюче поле проходить через нуль) від геометричної нейтралі, що призводить до погіршення комутації, бо у секції, що комутує, знаходиться у додатковому магнітному полі і у ній наводиться додаткова ЕРС.

3.Зростає амплітуда результуючого магнітного поля . Якщо б магнітна проникненість була незмінною, то рузультуючий магнітний потік ЕМ не змінювався б. Але у дійсності магнітна система ЕМ є насиченою тому амплітуда зменшується, що зменшує результуючий магнітний потік ЕМ. Згідно формули



це означає зменшення ЕРС генератора та збільшення частоти обертів двигуна зі зростанням навантаження, що небажано з точки зору стабілізації процесів у ЕМ.

4.Перерозподіл магнітного потока під дією реакції якоря призводить до збільшення на 25-30% напруги між сусідніми колекторними пластинами. Це збільшує небезпеку щодо виникнення колового вогня навколо колектора.
2.10.2.Поперечна і подовжня реакції якоря



Якщо щітки на рис. 2.10.1,а повернути на на деякий кут у напрямку обертання якоря генератора, то реакцію якоря можна розкласти на поперечну Faq і подовжню Fad. Подовжня реакція якоря Fad розмагнічує ЕМ, якщо щітки на рис.2.10.1,а повернути проти вартовий стрілки, або намагнічує — при повороті щіток у зворотну сторону. У сучасних електричних машинах щітки звичайно встановлюють так, щоб вони замикали секції обмоток, що знаходяться на лінії геометричної нейтрали. У цьому випадку буде мати місце тільки поперечная реакція якоря Faq. Але щітки у загальному випадку можуть бути зсунутими з нейтралі: для покращення умов комутації, внаслідок підгоряння щіток при комутації або неточної установки щіток.
2.10.3.Сутність процеса комутації

Комутацєю зветься процес зміни напрямку струму в секції при ії перемиканні з однієї паралельної гілки на іншу (рис.2.10.4).



На рис.2.10.4 щітка нерухома, а обмотка якоря переміщується відносно неї. Із рис.2.10.4 випливає, що набігаюча на щітку секція у деякий момент виявиться замкненою накоротко, і в нії відбувається процес комутації (зміни напрямку струму за час комутації приблизно 0,001 сек). Розглянемо таку окрему секцію (рис.2.10.5). На рис.2.10.6 ця комутуюча секція показана пунктиром: вона виходить з-під головних полюсів, надходить під щітки і комутує – змінює напрямок струму в секції.


n



Якість комутації оцінюється з трьох боків: іскрінням під щітками, підгаром щіток та зношенням і підгаром колектора.

Комутація є складним процесом, що складається з сукупності явищ електромагнітного, електрохімічного, термічного та механічного характера:

1. Електромагнітний характер процесів пояснюється залежністю іскріння під щітками від величини струму та підсумкової ЕРС секції, що комутує.

2. Електрохімічний характер процесів пояснюється тим, що на колекторі (після деякого терміну роботи ЕМ під навантаженням) створюється електрохімічна плівка вишневого кольору, яка має слабкі напівпровідникові якості і позитивно впливає на комутацію (зменшує зношення щіток під струмом та покращує комутацію). Тому при ремонті ЕМ забороняється зачищувати цю вишневу плівку з колектора (звичайно якщо немає такого зносу колектора, який вимагає його обточки). Виявляється, що у створенні плівки приймає участь навіть волога у повітрі, яка під дією струму розкладається; кіслород повітря створює окисли, які збільшують перехідний опір плівки. Ці особливості враховують для ЕМ літаків, які експлуатуються у повітрі з малою кількістю вологи; тому у щітки додаються відповідні химічні сполуки.

3. Термічний характер процесів пояснюється збільшенням іскріння зі збільшенням температури щіток та колектора.

4. Механічний характер процесів пояснюється залежністю іскріння від нерівності поверхні та ексцентриситета колектора, від вібрації щіток, від величини тиску на щітки (це натиснення повинне вимірюватись дінамометром і залежить від машини та марки щіток).

Внаслідок таких складних явищ, процес комутації до сих пір не має чіткої теорії, але звичайно для ії пояснення обмежуються розглядом електромагнітних явищ. Ми теж розглянемо найпростіший випадок - комутацію, яка пояснюється опором щіток. Для цього враховуємо лише опір щіток під набігаючою 1 та збігаючою 2 пластинами колектора (рис.2.10.5). Позначимо ці опори щіток відповідно як та . Опорами інших елементів секції та ЕРС секції нехтуємо. Тому для секції ми можемо скласти систему рівнянь:

; (1)

; (2)

. (3)

З цієї системи рівнянь отримуємо
; . (4)

Опір щіток вважаємо зворотньо-пропорційним площі поверхні пластини колектора, яка входить у контакт зі щіткою
, (5)

де S1 – площа контактної поверхні колекторної пластини 1, яка створює з щіткою опір RЩ1;

S2 – площа контактної поверхні колекторної пластини 2, яка створює з щіткою опір RЩ2;

SЩ – загальна площа поверхні щітки;

Т – час комутації секції;

t – поточний час.

Тому отримуємо

; ;

(6)

З виразу (6) випливає, що комутація у цьому випадку є прямолінійною (рис.2.10.6). При цьому виявяляється що щильність струму під набігаючим та збігаючим краями щіток є однаковою.


З рис.2.10.6 та рис.2.10.7 випливає, що струм “+іа” виникає під дією ЕРС головних полюсів “еN” в режимі генератора і має однаковий напрямок з цією ЕРС. Як видно з рис.5.6, ЕРС реакції якоря “еРЯ” має однаковий з ЕРС головних полюсів “еN” напрямок, бо спрямування магнітного потоку реакції якоря є однаковим у зоні комутації з напрямком магнітного потоку головних полюсів. На комутуючу секцію діє ЕРС самоіндукції “еL”, яка намагається зберегти напрямок струму комутуючої секції без зміни і тому спрямована однаково з ЕРС головних полюсів “еN”. Якщо використовується широка щітка, яка перекриває кілька сусідніх пластин колектора (ширина щітки може у 1,5..3,5 рази перевищувати ширину колекторної пластини), то внаслідок комутації ряда сусідніх секцій виникає ЕРС взаємоіндукції “еM”, напрямок якої співпадає з “еL”. В секції також може наводитись ЕРС обертів “еОБ”, яка виникає пяд дією результуючого магнітного поля в місці комутації.

Якщо підсумкова ЕРС є додатньою (еСРЯLM± еОБ>0), то вона намагається підтримати попередній напрямок струму в секції, що комутує. Тому струм “і” у секції змінюється не по прямолінійному закону (6), а досягає заданого значення пізніше, і комутація набуває криволінійного уповільненого характеру згідно, наприклад, показаних пунктиром кривих “1” та “2” рис.2.10.7. При цьому додатковий струм від ЕРС “еС” спрямований однаково зі струмом “+і” рис.2.10.5, і тому густина струму на збігаючому краї щітки буде вище, ніж на набігаючому, що викликає підвищення іскріння під збігаючим краєм щітки.

Якщо підсумкова ЕРС є відємною (еСРЯLM± еОБ<0), то вона намагається прискорити зміну струму в секції, що комутує. Тому струм “і” у секції змінюється не по прямолінійному закону (6), а досягає заданого значення раніше, і комутація набуває криволінійного прискореного характеру згідно, наприклад, кривих “3” та “4” рис.2.10.7. При цьому додатковий струм від ЕРС “еС” спрямований проти струму “+і” рис.2.10.5, і тому густина струму на набігаючому краї щітки буде вище, ніж на збігаючому, що викликає підвищення іскріння під набігаючим краєм щітки.

Якщо підсумкова ЕРС дорівнює нулю (еСРЯLM± еОБ=0), то зміна струму в секції пртікає по прямолінійному закону згідно формули (6). Теоретично це найкращий режим з точки зору комутації.

Але на практиці вважається, що доцільно використовувати трішки прискорену комутацію, бо підвищення іскріння під набігаючим краєм щітки (а отже підвищені втрати енергії) більше нагрівають набігаючий край, який краще охолоджується у порівнянні із збігаючим краєм щітки.

Проведені експерименти показали:

1.Погіршує комутацію: збільшення запасу електромагнітної енергії секції “0,5Li2”; підвищена напруга між колекторними пластинами, яка може зростати під впливом реакції якоря на 30…50%; підвищена швидкість обертання ЕМ.

2.Для зменшення індуктивності самоіндукції L комутуючої секції треба зменшити магнітний потік розсіяння секції, для чого бажано використовувати відкриті пази, які мають меншу магнітну проводимість. З цією ж метою треба намагатись, щоб секція мала один виток.

3.Скорочення кроку секції “у1” покращує комутацію, бо тоді верхні та нижні сторони секції, що знаходяться в одному пазі, комутують не одночасно. Тому зменшується ЕРС взаємної індукції “еM”.

4.Не уся поверхня щітки проводить струм, і тому у дійсності час комутації скорочується.

5.Якщо щітка полярізована катодно, то при протіканні струму частки вугілля переносяться на колектор, згоряють на ньому і створюють тонкий захистний шар окисленої плівки, яка покращує комутацію і захищає колектор від зношення. Якщо щітка полярізована анодно, то при протіканні струму не створюється захистна плівка. Тому на контактних кільцях, через які живлиться, наприклад, обмотка збудження синхронного генератора, через час деякий роботи бажано змінювати полярність щіток, інакше контактні кільця та щітки зношуються нерівномірно.

6.Збільшення активного опору комутуючої секції покращує комутацію. Виконується це за рахунок підбору щіток. Використовуються щітки вугільно-графітні, графітні, електрографітовані, міднографітовані, бронзово-графітні. Найбільший опір мають вугільно-графітні щітки, а найменший опір - металево-графітні. Перехідний опір “щітка-колектор” залежить від матеріала щіток та колектора; щильності струму; напрямку струму; температури; натиснення на щітку; лінійної швидкості колектора; механичних факторів. Металево-графітні щітки вокористовуються в ЕМ при малих напругах (наприклад, при UH=30 B).
2.10.4. Способи поліпшення комутації

Повітряний проміжок. Як доведено, реакція якоря намагнічує один край головного полюса і розмагнічує інший край. У випадку, коли магнітне поле машини ослаблене, під впливом реакції якоря взагалі можлива зміна напрямку («перекидання») поля під одним краєм полюса.

Зі сказаного випливає, що для зменшення перекручування поля треба збільшувати повітряний проміжок. Але просте збільшення повітряного зазору приводить до збільшення магнітного опору й для основного магнітного потоку. Тому для зменшення впливу реакції якоря , повітряний проміжок збільшують по краях головного полюса, де реакція якоря максимальна, тобто під краєм полюса. Тобто за формою повітряний зазор виконують нерівномірним: він збільшується від центра до країв головного полюса. Під центром полюса, де н.с. якоря дорівнює нулю, зазор роблять невеликим, і тоді його опір основному магнітному потоку практично не збільшується.

Найбільше поширення одержав ексцентричний повітряний зазор, величина якого під краєм полюса вдвічі більше величини під центром. Зазори можуть мати й іншу форму. Підбираючи їхню величину і конфігурацію, можна тією чи іншою мірою зменшити дія реакції, що спотворює, якоря.

Додаткові полюси (рис. 2.10.8). Ці невеликі полюси встановлюють на лінії геометричної нейтрали машини (де реакція якоря максимальна), і через їх обмотки протікає струм якоря. Вони включаються послідовно в ланцюг якоря, а їх н.с. розраховують так, щоб компенсувати в цій зоні реакцію якоря Faq і створити додаткове магнітне поле для поліпшення коммутації. Полярність додаткових полюсів протилежна полярності головних полюсів. Тому вони створюють ЕРС “еОБ”, яка компенсує ЕРС (еРЯLM).

Зсув щіток з метою покращення комутації. Якщо ми зсунемо щітки так, як показано на рис.2.9.9, то тим самим ми змінимо результуюче магнітне поле у зоні комутації, наче ввели додаткові полюси. Але, на відміну від додаткових полюсів, це поле є полем головного полюса, яке не залежить від струму якоря. Тому таке покращення комутації можна використати лише для машини зі стабільним навантаженням.


N1

Компенсаційна обмотка (рис. 2.10.10). встановлюється в пазах в головних полюсах ЕМ. Н.с. компенсаційної обмотк спрямована проти н.с. реакції якоря. Через компенсаційну обмотку протікає струм якоря.


Якщо лінійні навантаження якоря і компенсаційної обмотки будуть рівні, то вплив реакції якоря на довжині полюсного наконечника цілком усувається, бо н.с. реакції якоря Faq цілком компенсується н.с. компенсаційної обмотки Fk. Звичайно передбачають неповну компенсцію реакції якоря.

Машини з компенсаційними обмотками, звуться компенсованими. Повітряний зазор у таких машинах за формою роблять рівномірним — концентрическим а по величині — мінімальним.

Компенсаційна обмотка — складний пристрій і (як і будь-яка інша обмотка) може стати причиною виходу машини з ладу під час її експлуатації. Наявність компенсаційної обмотки дозволяє різко зменшити повітряний зазор і, виходить, н.с. головних полюсів машини. Н. с. додаткових полюсів компенсованих машин також різко знижується. Усе це сприяє тому, що, незважаючи на додатковий витрата міді на виготовлення компенсаційної обмотки, у цілому кількість міді (у головних, додаткових полюсах і компенсаційній обмотці) у компенсованих машин менше, ніж у машин без компенсаційної промотки. ЕМ виконуються з компенсаційними обмотками при потужності більше за 150 кВт.

Порівняння способів поліпшення комутації у генераторів та двигунів. Ми розглянули способи поліпшення комутації у генераторів, розглядаючи при цьому напрямок струму в обмотці якоря. У двигуна при збереженні напрямку струму в якорі змінюється напрямок частоти обертання ротора, із-за чого усі розглянуті ЕРС разом змінять свій напрямок. Тобто взаємне розташування основних розглянутих ЕРС не зміниться, що забезпечить приблизно рівну нулю підсумкову ЕРС у секції, що комутує, і, отже, - нормальну комутацію. Тому немає причин турбуватись, якщо двигун з налагодженою комутацією переходить у генераторний режим, бо і в цьому режимі у нього також буде добра комутація.
Завдання 2.10.1. Розрахунок комутаційних процесів з урахуванням змінного активного опору щіток.

Скласти програму по розрахунку перехідних процесів в комутуючій секції користуючись рис.2.10.5 при вказаних нижче параметрах. Вважаємо, що опір щітки на набігаючому та збігаючому краях змінюється по лінійному закону

; ,

де (А); (Ом); (сек); (сек);

; ;

- штучно введена величина, яка не допускає ділення на нуль в ЕОМ, сек;

- порядковий номер студента у групі.

Опори для часток щіток та отримані з системи рівнянь

; .
Для програмування використати рівняння:

; (7)

; ,

де (В); ; (В);

(Гн); (Ом); (сек);

- некомпенсована ЕРС в комутуючій секції, В;

, , - початкові значення струмів при ;

=0,0 – ЕРС від головних полюсів, В;

= - 0,008*N– підсумкова ЕРС від дії додаткових полюсів та реакції якоря.

Отримати математичну модель при вказаних параметрах. Відлагодити комутацію, отримаши найліпше наближення до прямолінійної комутації з вказівкою потрібних значень ЕРС . Отримати прискорену та уповільнену комутацію з вказівкою використаних значень ЕРС. Розглянути вплив на комутацію збільшення активного опору щіток. Позначення деяких ідентифікаторів у наведеній нижче програмі показані нижче.

LC,RC,R1,R2,R,A,B,TT,IA,PI,K,N – LC, RC, RЩ1, RЩ2, RЩ, , b, T, Ia, , K, N.

Enk,Egp,Edpra,Em -, , , Em .

Di,i1,i2,i11,i12,i21,i22,T,DT - di/dt, i, i1, i2, t,dt.

gd,gm,ErrCode - дані для входження у графічний режим.

TM,IM,IM1,IM2 - - виведення графіків і=f0(t), i1=f1(t), i2=f2(t).

S1 -стринг виведення цифрових значень на графічний екран.

j,KP,N5 - організація цикла розрахунків.

X1,Y1,X2,Y2 - пряма, що зєднує початкову та кінцеву точки комутації.
Program Kommutation;{Kommutacya elektrichnoi mashini}

Uses Crt, Graph;

Var LC,RC,R1,R2,A,B,TT,IA,PI,K,N: Real;

Enk,Egp,Edpra,Em: Real;

Di,i1,i2,i11,i12,i21,i22,T,DT: Real;

gd,gm,ErrCode,TM,IM,IM1,IM2:Integer;

S1:String;

j,KP,N5,X1,Y1,X2,Y2:Integer;

Procedure GR;

Begin

gD:=Detect;InitGraph(gd,gm,'');

ErrCode:=GraphResult;

If ErrCode<>GrOK Then Begin Writeln(GraphErrorMsg(ErrCode));

Writeln('Graph error!'); Halt(1);End;ClearDevice;

SetBkColor(Black); SetColor(Yellow); SetFillStyle(SolidFill,Green);

End;

BEGIN GR; N:=1;

IA:=N;i1:=IA; i11:=0; i21:=2*IA;

T:=0; TT:=0.002*N; DT:=0.1*TT/360;

LC:=0.00005/IA; RC:=0.05/IA;

A:=0.00001; R:=0.8/IA; B:=R*TT/A;

Em:=0.60*N; Egp:=0; Edpra:=-0.008*N;

PI:=3.14; K:=3; N5:=0;

KP:=Round(1.0*TT/DT+100);
For j:=1 To KP do Begin

T:=T+DT;

R1:=R*TT/(T+A); If R1
If (TT>T) AND (TT=T) Then R2:=R*TT/(TT-T+A) Else R2:=B;

Enk:=Em*sin(2*PI/TT*K*T+PI/6); Di:=(Egp+Edpra+Enk-RC*i1+R1*i11-R2*i21)/LC;

i2:=i1+DT*Di; i12:=IA-i2; i22:=IA+i2;

If (i1>0)AND(i2<0) Then Begin Line(5,IM,240,IM); Line(50,IM,50,10); End;

i1:=i2; i11:=i12; i21:=i22;

TM:=50+Round(100000*T); IM:=200-Round(50*i1);

IM1:=200-Round(50*i11);IM2:=200-Round(50*i21);

If i11>0 Then PutPixel(TM,IM1,Green) Else PutPixel(TM,IM1,Red);

If i21>0 Then PutPixel(TM,IM2,White) Else PutPixel(TM,IM2,Red);

If i1>0 Then PutPixel(TM,IM,Yellow) Else PutPixel(TM,IM,Red);

If T=DT Then Begin OutTextXY(TM,IM-10,'H'); X1:=TM;Y1:=IM;

Str(i1:3:2,S1); OutTextXY(TM,IM-20,'i='+S1); End;

If (T>TT)AND(N5=0) Then Begin OutTextXY(TM,IM,'K');N5:=1;

X2:=TM; Y2:=IM; Line(X1,Y1,X2,Y2);

Str(i1:3:2,S1); OutTextXY(TM,IM+20,'i='+S1); Str(i11:3:2,S1); OutTextXY(TM,IM+40,'i1='+S1);

Str(i21:3:2,S1); OutTextXY(TM,IM+60,'i2='+S1); End;Delay(20);End;

Readln; ClearDevice; CloseGraph; END.
Завдання 2.10.2. Розрахунок комутаційних процесів з урахуванням постійного падіння напруги на щітках.

Використовуючі параметри завдання 2.10.1, розрахувати комутаційні процеси при умові постійного падіння напруги на щітках. При цьому використати ліше одне диференційне рівняння
,

де ==(0,4+0,05*N) (В).

Отримати математичну модель при вказаних параметрах. Відлагодити комутацію, отримати найліпше наближення до прямолінійної комутації з вказівкою потрібних значень ЕРС та при різниці падіння напруги на щітці. Отримати прискорену та уповільнену комутацію з вказівкою використаних значень ЕРС.


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации