§ 36. Улучшение коммутации тяговых двигателей

При вращении якоря секции его обмотки проходят под полюсами то одной, то другой полярности. Чтобы направление вращающего момента двигателя при этом оставалось постоянным, направление тока в каждой секции в момент прохождения ее через физическую нейтраль (линию, разделяющую зоны соседних главных полюсов) должно изменяться. Процесс перехода секций из одной параллельной цепи обмотки в другую, сопровождающийся изменением направления в ней тока и замыканием щеткой этой секции накоротко, называют коммутацией, а замыкаемые секции, участвующие в процессе коммутации,— коммутируемыми. Время Тк, в течение которого коммутируемая секция замкнута щеткой, называют периодом коммутации. Для тяговых двигателей Тк = 10~4 Чг Ю-5 с. На процесс коммутации оказывает влияние ряд факторов: в первую очередь возникающие в коммутируемой секции, э. д. с. самоиндукции е5 и взаимной индукции еи, состояние контакта щетки с коллектором, правильность установки щеткодержателей, симметричность магнитного потока и др. В эксплуатации процесс коммутации осложняется рядом дополнительных явлений. К ним, как уже указывалось, относятся нестабильность щеточного контакта, нестационарные динамические процессы (толчкообразное изменение напряжения) и др.

Чтобы улучшить коммутацию, в тяговых двигателях, как уже указывалось, стремятся рационально выполнить щеточный узел, систему добавочных полюсов, применять твердые щетки, обоснованно выбирать длину полюсной дуги, а также параметры якорной обмотки и воздушный зазор под главными полюсами.

При твердых, а также разрезных щетках, имеющих повышенное сопротивление в момент перехода тока со щетки на коллектор и обратно, падение напряжения под двумя разнополярными щетками составляет примерно 2,5—3 В при плотности тока около 8 А/см2, что в достаточной мере ограничивает ток коммутации.

Добавочные полюса обеспечивают удовлетворительную работу двигателя постоянного тока при нормальной нагрузке. В случае перегрузки нарушается компенсация реактивной э д. с. ер, так как начинает сказываться насыщение магнитной цепи добавочных полюсов При этом э. д с ер возрастает пропорционально току, а э д с. ек из-за насыщения добавочных полюсов растет медленнее, вследствие чего в короткозамк-нутых секциях появится некоторая несбалансированная э. д. с. ер—ек, вызывающая искрение под щетками. Поэтому в двигателях большой мощности для получения достаточной перегрузочной способности стремятся снизить насыщение магнитной цепи добавочных полюсов. Для этого создают второй зазор у этих полюсов, устанавливая пластины из немагнитного материала между сердечником и остовом двигателя Изменяя толщину или число немагнитных прокладок, можно регулировать зазор под добавочным полюсом, т. е его поток Фдп, а следовательно, и э. д. с. ек = Фдпп Допустима несбалансированная э. д. с, равная 0,8—1 В для машин, собранных недостаточно точно, и около 1,5 В для машин, собранных очень тщательно.

В тяговых двигателях локомотивов со статическими преобразователями ток, как и напряжение, пульсирует и представляет собой сумму постоянной составляющей /ср и переменной in, имеющей максимальное значение 1птах. Переменная составляющая изменяется с частотой 100 Гц. Реактивная э. д. с. при пульсирующем токе также имеет постоянную и переменную составляющие; последняя меняется с частотой тока. Поэтому для компенсации переменной реактивной э. д. с. необходимо, чтобы поток добавочных полюсов имел постоянную и переменную составляющие и точно следовал за изменением ер как по значению, так и по времени. Однако полностью компенсировать переменную составляющую реактивной э. д с. нельзя, так как переменная составляющая потока замыкается по стальным Массивным участкам, что вызывает отставание потока от тока и изменение его возникающими токами. При массивном магнитопроводе тягового двигателя угол отставания составляет

около 45°, а при шихтованном статоре — 15° Поэтому для улучшения коммутации при пульсирующем токе в некоторых мощных двигателях статоры и сердечники добавочных полюсов, как отмечалось, изготовляют шихтованными (применение шихтованных сердечников добавочных полюсов уменьшает угол отставания до 30°)

Несбалансированная э. д. с. в коротко-замкнутой секции возникает также вследствие пульсации потока главных полюсов. Эта э. д. с. называется трансформаторной, так как обмотка главных полюсов через общий магнитный поток имеет трансформаторную связь с коммутируемой секцией обмотки якоря При отсутствии шунта обмотки главных полюсов она достигает 1 —1,5 В, а при наличии шунта (активного сопротивления) резко уменьшается.

Постоянно включенный параллельно обмотке главных полюсов резистор (см. рис 265) вызывает отставание переменной составляющей тока в обмотке главных полюсов от переменной составляющей тока в обмотке якоря. В этом случае трансформаторная э. д.с. находится в противофазе с током, а следовательно, и с переменной составляющей несбалансированной э. д. с, практически совпадающей по направлению с током. Переменная составляющая тока проходит по резистору, постоянная — по обмотке возбуждения главных полюсов. В результате создается практически постоянный магнитный поток. Сопротивление резистора обычно выбирают таким, чтобы через него замыкалось 3—6% постоянной составляющей тока двигателя Для того чтобы несбалансированная э. д. с. находилась в требуемых пределах в тяговых двигателях пульсирующего тока, необходимо более точно устанавливать щетки на нейтрали, применять разрезные щетки и компенсационную обмотку.

Резкие изменения режима работы тяговых двигателей, значительные колебания напряжения в контактной сети, удары и вибрации, наличие взвешенных частиц угольной пыли в зоне коллектора способствуют возникновению искрения под щетками. При некоторых условиях оно сопровождается вспышкой электрической дуги, круговым огнем, что приводит

к повреждению коллектора и отдельных частей двигателя. Следовательно, чрезвычайно важно обеспечить нормальную коммутацию тяговых двигателей.

Для оценки качества коммутации установлено пять (1, 11 /4, 11 /2, 2, 3) степеней искрения. Искрение степеней 1, 1'/4 и 1'/2 даже в течение длительного времени не вызывает необходимости чистить коллектор и улучшать щеточный контакт. При этом коммутация считается «практически без искрения» и допускается для всех номинальных режимов работы двигателя. В случае искрения степени 2 при длительной работе иа коллекторе остаются следы — почернение, а на щетках — иагар. Такое искрение допустимо лишь при кратковременных перегрузках. Работа с искрением степени 3 недопустима.

Искрение на коллекторе по характеру вызывающих его причин разделяют на три категории: вызванное механическими повреждениями, коммутационное и потенциальное.

К механическим повреждениям и неточностям изготовления, приводящим к возникновению искрения, относят: биение коллектора; выступание изоляции между коллекторными пластинами; царапины; заусенцы; задиры и неровности на поверхности коллектора; недостаточное нажатие на щетки, что может вызвать отскакивание их от поверхности коллектора при толчках; ослабление щеток в гнездах (изношенные гнезда, наличие значительных зазоров); неодинаковое расстояние между щетками по коллектору и их сдвиг с нейтрали, неточную установку зазоров между полюсами и якорем; неодинаковые расстояния между осями полюсов; неодинаковую по толщине изоляцию между коллекторными пластинами; повышенный износ зубьев передачи; наличие выбоин на бандажах и их овальность; единичные вспышки вследствие наличия проводящих мостиков и др. При правильно выполненном коллекторе, тщательной сборке машины и надлежащем уходе за ней искрения вследствие механических повреждений не возникает

Коммутационное искрение возникает, если неправильно выбраны зазоры в цепи добавочных полюсов, ширина щет-

ки, форма наконечников добавочного и главного полюсов, применены щетки марки, не соответствующей данному двигателю.

Возникновение потенциального искрения и кругового огня прежде всего связано с недопустимым повышением меж-ламельного напряжения. Искры, появившиеся под щеткой, образуют электрическую дугу (рис. 99, а), которая при вращении коллектора вытягивается и горит между неподвижными щетками и уходящими от иих коллекторными пластинами. Опытным путем установлено, что для горения дуги в тяговых машинах достаточно 22—25 В. Следовательно, если дуга, возникшая под щетками, растянется до точки А, то она не погаснет, а будет гореть между коллекторными пластинами, так как иапряжейие относительно точки 0 по кривой и межсегментного напряжения равно 25 В. При вращении якоря пластины коллектора непрерывно перемещаются. На место ушедшей пары пластин в точку А попадает новая пара и т. д. И в каждом случае будет гореть дуга. Из этих небольших дуг иад частью коллектора образуется круговой огонь.

Существует и второе объяснение появления кругового огня: он возникает между разноименными щетками в тех местах коллектора, где имеются повышенные межсегментные напряжения. Искрение под щетками в этом случае рассматривается как фактор, облегчающий процесс образования кругового огня.

Основную роль в возникновении кругового огня играет напряжение между соседними коллекторными пластинами, которое зависит от индукции магнитного потока полюсов в том месте, где находятся стороны данной секции, длины рабочей части секции, скорости ее движения и числа витков. Для двигателя определенного типа в каком-либо режиме работы длина, число витков и скорость движения секции — величины постоянные, а межсегментные напряжения изменяются прямо пропорционально магнитной индукции полюсов. Когда ток в обмотке якоря небольшой (примерно равный 0,2/ч), то магнитная индукция распределяется под полюсами сравнительно равномерно (кривая ВВа на рис. 99, б),

Рис 99 Схема, поясняющая появление кругового огня {а), и кривые распределения индукции в

воздушном зазоре (б)

чем обеспечивается равномерное распределение напряжения между соседними коллекторными пластинами. При нагрузке двигателя, близкой к номинальной, магнитные потоки якоря и полюсов под одной половиной каждого из полюсов складываются, а под другой вычитаются. В результате равномерное распределение индукции под полюсами нарушается (кривая Въ на рис. 99, б).

Если полностью компенсируется поток реакции якоря в зоне коммутации магнитным потоком добавочных полюсов, то результирующая индукция Вй = ВВо + + Вря, где Вря — индукция реакции якоря.

Следовательно, чем сильней реакция якоря, тем больше нарушается распределение индукции под полюсами, что приводит к росту в отдельных точках коллектора межсегментных напряжений. Немалую опасность представляет также возникновение отрицательной индукции (площадь Б), при достаточном значении которой может произойти быстро развивающееся перемагничивание машины реакцией якоря. Для преодоления вредного влияния реакции якоря, как указывалось выше, применяют компенсационную обмотку или же увеличивают воздушный зазор между главным полюсом и якорем. При малых насыщениях магнитной системы двигателя без компенсационной обмотки значительно улучшить распределение потенциала на коллекторе можно, выполнив воздушный зазор под главным полюсом переменным и применив полюсные рога специальной

формы, устанавливаемой детальным расчетом магнитной системы машины.

При ослаблении возбуждения снижается поток главного полюса в случае увеличения тока якоря, что вызывает еще большую неравномерность в распределении индукции в воздушном зазоре и напряжения по окружности коллектора. Поэтому обеспечение необходимой потенциальной и магнитной устойчивости ограничивает глубину регулирования возбуждения.

В эксплуатации для предотвращения искрения необходимо содержать в чистоте поверхности коллектора, миканитовых манжет, канавок между пластинами и щеткодержателей, своевременно удалять с рабочей поверхности коллектора все шероховатости (поджоги, заусенцы, царапины), своевременно заменять изношенные и сколотые щетки, устранять разработку гнезд, притирать щетки, поддерживать нормальное иажатие пальцев).

Предыдущая Оглавление Следующая