Регулировочные свойства электрических машин

РЕГУЛИРОВОЧНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Физическое обоснование регулировочных свойств коллекторных двигателей постоянного тока

В классической теории машин постоянного тока формулу для электромагнитного момента получают, исходя из выражения для силы, действующей на проводник с током, находящимся в магнитном поле. Поскольку якорные обмотки состоят из витков, определим момент, который действует на плоский контур с током во внешнем магнитном поле.

 

а) б)

Рис. 1.3

На рисунке 1.3,а) приняты следующие обозначения: - магнитная индукция внешнего поля; - угол, составленный положительной нормалью к этой поверхности с вектором . Поверхность, ограниченную контуром тока, обозначим через .

Электромагнитные силы стремятся расположить жесткие контуры системы таким образом, чтобы каждый контур охватывал возможно большую часть внешнего потока при условии, что токи в контурах постоянны.

.

Искомый вращающий момент можно представить как произведение тока в контуре на производную от внешнего потокосцепления по углу .

,

. (1.4)

Произведение называют магнитным моментом замкнутого тока. В векторной форме выражение (1.4) имеет вид:

.

Таким образом, вращающий момент не зависит отдельно от и , а определяется магнитным моментом .

Расположим виток, образованный двумя прямолинейными проводниками, в магнитном поле, как показано на рисунке 1.3, б). Ось магнитного поля , созданного током витка, совпадает с нормалью к поверхности витка. Поэтому по своему физическому содержанию угол нагрузки между взаимодействующими магнитными полями возбуждения и якоря в ЭМ эквивалентен углу на рисунке 1.3, б).

Применяя соотношение (1.4), дадим физическое обоснование резкому отличительному свойству МПТ и синхронных машин, проявляющееся при регулировании тока возбуждения. Рассмотрим на примере двигательного режима, когда

.

В СМ, чтобы соблюдалось условие

,

одновременно изменяются ток якоря и угол между осями полей возбуждения и якоря, и ротор продолжает вращаться синхронно. При этом изменяется лишь реактивная составляющая тока, а активная составляющая тока и активная мощность остаются постоянными. Отличительной особенностью МПТ от СМ является то обстоятельство, что при щетках, установленных по линии геометрической нейтрали, поток реакции якоря независимо от нагрузки направлен по поперечной оси. Поэтому угол между осями полей возбуждения и якоря остается постоянным и равным .

Поскольку в МПТ угол , то изменение тока возбуждения вызывает в соответствии с выражением (1.4) изменение тока якоря в обратном направлении. Но поскольку во внешней цепи протекает постоянный ток, то изменение тока якоря приводит к изменению активной мощности:

.

Нарушение баланса мощностей приводит к появлению динамического момента, под воздействием которого изменяется скорость ротора до тех пор, пока не восстановится баланс мощностей. Под воздействием избыточной мощности ротор ускоряется до скорости , определяемой из равенства, если не учитывать потери:

Становится физически наглядным так называемый «разнос» двигателя, когда при обрыве цепи возбуждения магнитный поток уменьшается до величины остаточного магнитного потока, и в соответствии с (1.4) ток якоря может достичь недопустимо большой величины.

Изменение скорости якоря приводит к изменению частоты индуктируемой ЭДС, что позволяет рассматривать коллектор с щетками как преобразователь частоты.

Такой подход к обоснованию регулировочных свойств применим как к вентильным двигателям с замкнутой многосекционной обмоткой якоря, так и к вентильным двигателям, выполненных на базе синхронных машин. При всех способах регулирования скорости система управления инвертором должна обеспечить постоянство угла между осями полей возбуждения и якоря. Как следует из вышеизложенного, если этот угол поддерживать близким к значению, равным , то от двигателя можно получить максимальную мощность.

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ КОММУТАТОРАМИ

Учет процесса коммутации

В реальных случаях индуктивное сопротивление при переклю­чении вентилей не равно нулю. Поэтому время, за которое ток в отключаемом вентиле спадает от до 0, а во включаемом вен­тиле нарастает от 0 до , будет конечным. На временной диаг­рамме напряжений этому периоду, называемому периодом комму­тации, соответствует угол коммутации (рис. 2.4, б ). При одно­временной работе вентилей 1 и 2(рис. 2.3)ветви с обмотками фазА и Ввключены параллельно и напряжение на их кон­цах одинаковое. Поэтому, если пренебречь активными сопротивле­ниями обмоток и вентилей, имеем:

или

(2.3)

где L_K и — индуктивность и индуктивное сопротивление обмотки фазы во время коммутации.

Сопротивление коммутации соответствует ЭДС самоиндук­ции, наводимой в обмотках быстро изменяющимися магнитными потоками во время коммутации. Поскольку это время мало, пото­ки, соответствующие Х_К,замыкаются примерно по тем же путям, что и потоки при внезапном коротком замыкании генератора. Поэтому параметр Х_к имеет порядок .Более точный анализ показывает, что процесс коммутации вентилей близок по своей физической природе к начальной стадии внезапного двухфазнoro короткого замыкания генератора и поэтому

, (2.4)

где — индуктивное сопротивление обратного следования фаз, приближенно выражаемое в виде:

Поэтому окончательно получаем:

.

Поскольку обычно не сильно отличается от ,в более грубомприближении будет:

В оценочных расчетах часто принимают значение Х_к равным индуктивному сопротивлению рассеяния якорной обмотки .

Так как во время коммутации = const, то

.

Поэтому согласно (2.3) будет:

. (2.5)

Обозначим через . В общем случае:

. (2.6)

После подстановки (2.6) в формулу (2.5) получим:

(2.7)

Путем интегрирования (2.7), учитывая, что при ток , найдем:

. (2.8)

Поскольку при период коммутации завершается и , из равенства (2.8) имеем:

. (2.9)

Из этого выражения можно определить длительность коммутации . Легко видеть, что она тем больше, чем больше коммутационное индуктивное сопротивление обмотки якоря и ток нагрузки . Для неуправляемого ПВ, когда , получим:

.

Отсюда можно сделать вывод, что сростом угол коммутации уменьшается.

Уравнение (2.8) можно записать для номинального режима в безразмерном виде, если поделить обе его части на и ввести дей­ствующий фазный ток в виде , где - коэффициент преобразования тока.

. (2.10)

Здесь - от­носительное индуктивное коммутационное сопротивление.

На рис. 2.5 приведены кривые для = 0,8 и различных при типич­ных значениях = 0,1 (сплошные линии) и = 0,2(пунктирные ли­нии). Рост и снижение приводят к уменьшению — угла, при кото­ром достигает еди­ницы. При 10... 15° зависимости стано­вятся близкими к прямым линиям, а при =0° их кривизна

 

Рис. 2.5

существенна. На этом основании при инженерных расчетах часто аппроксимируют кривую в период коммутации параболой - для неуправляемых ПВ ( =0°) или линейной зависимостью - для управляемых ПВ .

Напряжение на коммутирующих вентилях и_т равно полусумме напряжений отключающейся и включающейся фазы. Действитель­но, согласно (2.3):

,

.

Складывая оба выражения и деля результат на 2 получим:

Таким образом, во время коммутации напряжение снижается по сравнению с напряжением включающейся фазы, которое действо­вало бы без коммутации.

Коммутация возникает с периодичностью , поэтому из-за коммутации среднее значение падения выпрямленного напряжения равно:

,

откуда с учетом условия при следует:

. (2.11)

Окончательно, с учетом (2.2) среднее значение выпрямленного напряжения равно:

РЕГУЛИРОВОЧНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН