Курс лекций по "Информатике"

 

 

Рисунок 6.4 – Сповільнена комутація

 

6.4.2 Прискорена комутація

 

Реактивна ЕРС   l_р, що є найбільш суттєва причина сповільненої комутації знаходиться наступним чином

тут реактивна повна  індуктивність секції:

після перетворень будемо мати:

Тут

Середнє значення пропорційне кількості витків секції, довжині секції, лінійній швидкості якоря та лінійному навантаженню. Для компенсації реактивної ЕРС треба створити по осі  q-q МПС магнітне поле, що індукуватиме ЕРС l_к зустрічного напрямку щодо  l_р. Тоді

Sl=l_p+l_об-l_К.

Можливі варіанти:

– Sl=0; l_p+l_об=l_К – лінійна комутація, l_об»0;

• Sl<0; | l_К |>|l_p+l_об| - прискорена комутація (рис.6.5).

Рисунок 6.5 – Прискорена комутація

 

Прискорена комутація  характерна тим, що:

a₂>a₁   і D₂>D₁.

За умови, коли   l_К>>l_p (перекомпенсація), густина струму D₂ набігаючого краю щітки значно зростає, що провокує сильне іскріння в момент замикання секції. Практично комутацію регулюють таким чином (за допомогою додаткових полюсів), щоб вона була дещо прискорена у всіх без винятку генераторів.

 

3. Вплив струмів комутації на потік МПС

 

Якщо щітки на геометричній нейтралі та у₁=t, та вісь секції співпадає з віссю d-d    в момент комутації. На початку комутації струм К.З. секції   i    має напрямок струму І_аа і створює повздовжню розмагнічуючу реакцію якоря. В кінці комутації - зміна напрямку струму   і, реакція якоря розмагнічуюча.

За умови лінійної комутації і=0 в момент   t=0,5 Тк, тому розмагнічуюча дія спочатку і підмагнічуюча в кінці взаємно компенсується. Якщо має місце сповільнена комутація і=0 для t >0,5 Тк,  в цьому випадку переважає розмагнічуюча дія.

За прискореної комутації  крива струму переходить через нуль в момент t <0,5 Тк і підмагнічуюча дія буде переважаючою тим більш, чим менш   t. В режимі двигуна дія комутаційної реакції якоря буде протилежна.

 

6.4.4 Причини іскріння

Процес комутації часто супроводжується іскрінням на колекторі. Дуже сильне іскріння може перейти в "круговий вогонь" вздовж кола колектора, в результаті чого виникає електрична дуга і коротке замикання між щітками.

Іскріння може бути і механічного походження: в наслідок вібрації, зміни геометричної форми колектора (еліпсність), погане стягування пластин, шерсткість поверхні та виступання слюдяних прокладок над пластинами. А також, причина може бути із-за неправильного вибору щіток, та слабке (або навпаки дуже сильне) натискання їх на колектор.

Іскріння може бути пов'язана з комутацією, а також з нерівномірним розподілом напруги між колекторними пластинами. Комутація буде найбільш сприятлива, якщо найбільша величина різниці напруги U_K.max не перевищує 25 — 28 В для МПС великої потужності, для малих машин - 50- 60 В.

З метою усунення пов'язаного  з комутацією іскріння необхідно зменшити (або зкомпенсувати) реактивну ЕРС   l_а. Згідно з формулою для   l_а зменшити реактивну ЕРС слідуючими засобами:

- кількість витків W_с  в секції слід брати найменшим. Однак, це не завжди можливо, тому що маючи мале   W_с треба збільшувати кількість секцій  S, а також кількість пластин K, як результат,  діаметр колектора збільшується;

• треба, щоб одночасно в процесі комутації знаходилась найменша кількість секцій. Тоді треба мати ширину щітки близьку до ширини пластини, але, разом з цим, довжина колектора занадто збільшується. Тому практично:     в_щ=(1,5...3)в_к;
• слід вибирати малу лінійну швидкість  V_к, але це не бажано, тому що тихохідні машини мають дуже великі масогабаритні показники;
• треба вибирати щітки з підвищеним значенням опорів   R₁   та R₂,    однак жорсткі щітки ведуть до підвищення зношування колектора.

Таким чином кожний засіб  має обмежений ступінь використання,  інакше він визиває небажані явища.

Найкращим засобом компенсації   l_p  є створення в зоні комутації магнітного поля, що створює в комутуючій секції EРС   l_k протилежного напрямку.

Тоді      Sl=l_p-l_К.

Щоб потік був саме компенсуючим необхідно полярність додаткових полюсів підбирати таким чином: у генератора;   N-S_д-S-N_д і т.д.; у двигуна:   N- N_д-S-S_д. В цьому випадку результуюче поле МПС створюється сумісною дією МРС F_зб полюсів, МРС F_a якоря та МРС  F_д додаткових полюсів (рис.6.6). З порівняння видно, що рис.6.6   МРС   F_д   та F_a направлені зустрічно. Щоб комутація була задовільна треба   l_k зрівняти з l_p тобто

l_k ³l_р;

l_k=В_К×l_д×V_al(2W_C); 

l_р=А×l_і×V_al(2W_C).

Звідки;   В_к= , або    В_к=С_К×А. З метою збереження  С_К×=сonst, треба зазор d_д під додатковими полюсами брати більш ніж   d. Індукцію в осерді додаткового полюса мати не більше 0,8...1 Тл (І_а=І_ан), тоді   l=(4...8)×10^-6 Гн/м.

 Забезпечення автоматичної компенсації ЕРС  l_p і реакції якої в зоні комутації зі зміною навантаження здійснюється послідовним включенням обмотки додаткових полюсів з обмоткою якоря. Дослідна перевірка правильності вибору кількості витків  W_К полюсів та зазору під ними виконується побудовою, так званих, кривих підживлення додаткових полюсів  [1,2].

 

Контрольні  питання до теми 6

 

1. Яке фізичне явище  зветься комутацією?

2. В яких межах змінюється  струм комутуючої секції?

3. Як складається рівняння  струму секції?

4. Що таке лінійна  комутація? Умови існування її?

5. Затримана комутація  – причини і дія її?

6. Прискорена комутація  і як її отримують?

7. Причини іскріння  під щітками?

8. Способи покращення  комутації.

 

Рисунок 6.6 – Розподіл МРС і крива результуючого поля генератора з додатковими полюсами

 

 

7 ГЕНЕРАТОРИ

 

7.1 Загальні  положення

 

Генератори постійного струму (ГПС) як перетворювачі механічної енергії в електричну, бувають з незалежним збудженням та самозбудженням.

Останні можуть розподілятись  на: а) генератори паралельного збудження (шунтові); б) послідовного (серієсні); та в) змішаного збудження (компаундні). Принципові електричні схеми генераторів (рис.7.1) відрізняються досить суттєво одна від одної.

МРС двообмоточного генератора (рис.7.1,г) можуть відніматися або складатися, підсилюючи поле. Для всіх схем потужність збудження дорівнює 1..3% від Р_н. Якщо генератор обертається з постійною швидкістю і до зажимів  (Я₁, Я₂) підключено опір навантаження то завдяки дії ЕРС якоря Е   з'явиться струм І: звідки маємо рівняння рівноваги напруг генератора (рис.7.1,а)

.

де  =1 В на одну щітку з графіту, та =0,5 В – мідно-графітна щітка.

        І=І_ан – номінальне навантаження.

а)    незалежного збудження, І=І_а;  б) шунтового збудження, І=І_а-І_зб;

в) серієсного збудження, І=І_а=І_зб; 

г) компаундного збудження, І=І_зб1= І_а-І_зб2

 

Рисунок 7.1 – Принципові електричні схеми генераторів

 

  Тобто для генераторного режиму МПС:   . Перетворення енергії в ГПС краще всього пояснюється енергетичною діаграмою (рис.7.2).

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7.2 – Енергетична  діаграма ГПН

 

Р₁   – первинна потужність;  р_мех – механічні втрати; Р_ст – втрати в сталі; р_м+р_щ – втрати в міді і щітках.  

Якщо рівняння ЕРС генератора помножити на струм І, то:

І×Е=(V+Ir_a+DV_щ);

Р_а=Р₂+р_М+р_щ=Р₂+Р_ел.

Електромагнітна потужність Р_а=Е×І    є основна ланка, що зв'язує підведену потужність Р₁ і корисну потужність  Р₂=V×І. Потужність Р_а   пов'язана з електромагнітним моментом відомим виразом з теоретичної механіки:

Р_а=wM,

тут    w – кругова частота обертання генератора (w=pn/30).

Звідки М дорівнює

.

Коефіцієнт корисної дії (ККД) як завжди 

 

7.2 Характеристики генераторів

 

Система збудження генераторів  визначає їх властивості, котрі простіше за все визначаються графічно в вигляді характеристик, які встановлюють залежності між основними електричними величинами:

1) напруга генератора V;

2) струм збудження  I_зб;

3)струм якоря    І_а ;

4) швидкість обертання w.

Але вважається, що швидкість обертання   w=const, тому всі характеристики знімають за цією умовою. Основні характеристики слідуючі: 1. Навантажувальна –   U =f(І_зб); w=const;  I=const.

  В окремому випадку I=0 ми маємо характеристику холостого ходу (XX): E=f(І_зб); w=const;  I=0.        

2. Зовнішня характеристика: U =f(І_а); w=const;  І_зб=const

3. Регулювальна характеристика: І_зб=f(І_а); w=const;  U =const. Визначає, як регулювати    І_зб , щоб напруга U нt мінялась зі зміною струму  І_а.

В окремому випадку, коли   U=0, регулювальна характеристика перетворюється в характеристику короткого замикання (КЗ): І_кз=f(І_зб); w=const;  U =0.

 

 

 

 

 

7.3 Характеристики генератора незалежного збудження

 

7.3.1 Характеристика холостого ходу

 

Незалежне збудження використовується дуже часто для живлення ГПС для регулювання систем електроприводу (система Леонарда). Характеристика Е=f(І_зб); w=const;  І_а=І=0, в деякому масштабі повторює характеристику намагнічування машини, тому що

U₀=Е=КФw=КеФ.

Рисунок 7.3 – Схема  досліду ХХ

 

Вона також дозволяє оцінити ступінь насичення магнітної  системи. Точка N по середині "коліна" теоретичної ХХХ (слабо насичена зона)  вибирається тому, що робота ГПС в глибокій зоні насичення обмежує регулювальні можливості генератора. Прямолінійна частина ХХХ дає нестійку роботу генератора. Коли І_зб=0, Е=Е_ост, тому що Ф_ост=(1...3)%Ф_н (рис.7.4).

 

Рисунок 7.4 – Характеристика XX

 

7.3.2 Навантажувальна характеристика

 

Залежність   U =f(І_зб); w=const;  I_а=const. Напруга U    завжди менше ЕРС Е із-за падіння напруги R_аI_a. їх вплив оцінюється навантажувальною характеристикою. Характеристичний трикутник  DАВС, (у якого ВС – внутрішнє падіння напруги в генераторі;  АВ - вплив реакції якоря)   дозволяє оцінити як реакцію якоря, так і вплив   R_аI, а також побудувати зовнішню та регулювальну характеристики ГПС.

  DАВС будується слідуючим чином:

1. Будується ХХХ та  навантажувальна характеристики (рис.7.5).

 

 

Рисунок 7.5 – Побудова DАВС

 

2. Вибирається значення струму   І_зб і знаходиться напруга (точка С).

3. Паралельно осі ординат відкладається відрізок    (І_а=І_н, або І_а=0,5×І_н).

4. Через точку В паралельно осі абсцис відкладається відрізок ВА до перетину з ХХХ в точці А. Трикутник АВС і є характеристичний. Відрізок СF – повне падіння напруги в якірній обмотці і ВF - зменшення ЕРС Е   завдяки дії реакції якоря.

 

7.3.3 Зовнішня характеристика

 

Залежність U=f(І_а); w=const; R_зб= const (I_зб=const). Ця характеристика знімається за схемою (рис.7.3) підключенням опору   R_н   слідуючим чином:

а) встановлюють   І_зб, щоб струм навантаження І=І_аа за умови     U=U_н;

б) потім (не змінюючи  І_зб) розвантажують генератор до І_а=0, записуючи показання амперметра А, та вольтметра U;

в) разом з цим змeншується   R_аІ_а та реакція якоря і напруга   U зростає до   U₀=Е, тобто має місце зміна напруги  DU=U₀-U_н.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7.6 – Зовнішня характеристика

 

Зовнішню характеристику будують у відносних одиницях в долях U_н та І_ан. Інколи знімають зовнішню характеристику на падіння напруги,   починаючи з    І_а=0; U=U₀    і до струму    І_а=1,25 І_ан.