В понятие коммутации машин постоянного тока включают обычно явления, связанные с изменением направления тока в катушке якоря при ее переходе из одной параллельной ветви якоря в другую и при замыкании щетками этой коммутируемой катушки.
Проблемы, связанные с возникновением и компенсацией реактивной э. д. с., возникающей в процессе изменения тока в катушке якоря, и вопросы искрения под щетками, обусловленного коммутационными явлениями, составляют содержание теории коммутации. Оценка степени искрения регламентирована стандартом 183 на электрические машины (табл. 4).
Наряду с чисто коммутационными вопросами применительно к тяговым двигателям для городского транспорта чрезвычайно большое значение имеет проблема стойкости этих двигателей против возникновения кругового огня по коллектору как при стационарном, так и при переходных режимах. Чисто коммутационные явления при стационарном режиме в современных тяговых двигателях протекают при относительно небольшом искрении при умеренном значении реактивной э.д.с. (еч), величина которой в двигателях с одновитковой катушкой якоря не превосходит 2 в. Лишь в двигателях с двухвитковой катушкой значение еч достигает 2,3 в.
Степени искрения
| Степень искрения (класс коммутации) | Характеристика степени искрения | Состояние коллектора и щеток |
| Отсутствие искрения (темная коммутация) | Отсутствие почернения на коллекторе и нагара на щетках |
| Слабое искрение под большей частью щетки | Появление следов почернения на коллекторе, легко устраняемых протиранием поверхности коллектора бензином, а также следов нагара на щетках |
2 | Искрение под всем краем щетки. Допускается только при кратковременных толчках нагрузки и перегрузки | Появление следов почернения на коллекторе, не устраняемое протиранием поверхности коллектора бензином, а также подгар и разрушение щеток |
3 | Значительное искрение под всем краем щетки с наличием крупных вылетающих искр. Допускается только для моментов прямого (без реостатных ступеней) включения или реверсирования машин, если при этом коллектор и щетки остаются в состоянии пригодности для дальнейшей работы | Значительное почернение коллектора, не устраняемое протиранием коллектора бензином, а также подгар и разрушение щеток |
Выбор целесообразной конструкции добавочных полюсов при относительно высоком отношении намагничивающей силы добавочных полюсов к реакции якоря и умеренные насыщения сердечника дополнительных полюсов обеспечивают надлежащую компенсацию реактивной э.д.с. в широком диапазоне нагрузок. Большое влияние на коммутацию оказывает состояние рабочей части коллектора. Установлено, что биение коллектора выше 0,06 мм уже приводит к появлению искрения.
Практически следует считаться с наличием небольшого искрения двигателей при некоторых режимах. Это искрение в двигателях с одновитковой катушкой якоря обычно не превосходит степени
. При двойной перегрузке двигателей с двухвитковой секцией якоря искрение достигает двух баллов. Искрение
балла практически безвредно для коллектора и щеток.
Степень искрения может резко ухудшаться из-за неудовлетворительного состояния коллектора или применения щеток несоответствующей марки. Подобное искрение может привести к прогрессивному обгару и износу коллектора и весьма быстрому износу щеток.
При правильной эксплуатации и надлежащем качестве двигателя его коммутация при стационарных режимах обычно не создает ограничений в использовании двигателя в практическом диапазоне нагрузок.
Более существенные ограничения при выборе и использовании двигателя создаются предельными напряжениями между пластинами, определяющими устойчивость двигателя к появлению вспышек и круговых огней на коллекторе.
Как показали многочисленные исследования, при напряжении между соседними пластинами коллектора 50 в возникшая между пластинами дуга не гаснет и приводит к круговому огню на коллекторе. При напряжении 45 в также не исключена возможность кругового огня. Устойчивая работа тяговых двигателей может быть обеспечена при напряжении не более 37—38 в.
Максимальное напряжение между пластинами (в некомпенсированной машине) при нагрузке может быть определено следующим образом.
Максимальное напряжение между пластинами без учета действия реакции якоря равно:
режиме наиболее напряженным с точки зрения коммутационной устойчивости является режим ослабленного поля. Увеличение воздушного зазора и увеличение (при данной скорости вращения) величины н. с. главного полюса уменьшает искажение поля реакцией якоря и снижает значение ек.
Эффективным средством уменьшения искажающего действия реакции якоря является применение компенсационной обмотки. Существует ряд методов определения максимальных межламельных напряжений компенсированных двигателей. Эти методы отличаются некоторой сложностью и не приводятся в данной книге.
Расчеты применительно к тяговым двигателям для городского транспорта показывают, что применение компенсационной обмотки позволяет примерно в 2 раза уменьшить влияние реакции якоря на величину ек и в режимах ослабленного поля в двигательном и тормозном режимах уменьшить величину ек примерно на 30% (либо повысить допустимое значение мощности в 2 раза.
На рис. 5 изображен компенсированный тяговый двигатель. Н. с. компенсационной обмотки составляет 50% общей н. с. добавочных полюсов некомпенсированного двигателя, а 50% н. с., компенсирующей реакцию якоря и создающей коммутирующее поле, создается н. с. дополнительных полюсов. В каждой половине наконечника главного полюса расположены 2—4 паза, в которые укладывается компенсационная обмотка. Для удобства монтажа сердечник главного полюса сделан разъемным с тем, чтобы установка в остов катушек главных и добавочных полю- сов производилась независимо от компенсационной обмотки.
Рис. 6. Ток при ударном включении
Компенсированные двигатели отличаются повышенной сложностью конструкции. Кроме сложной компенсационной обмотки и наконечника главного полюса необходимо также выполнить специальную обмотку возбуждения главных полюсов.
Однако применение компенсационной обмотки в некоторых типах двигателей следует считать целесообразным.
Все сказанное выше относится к установившемуся режиму. При переходных режимах могут возникнуть явления, ухудшающие коммутацию машины. К числу этих явлений относятся:
а) запаздывание изменения потока добавочных полюсов от изменения тока якоря из-за наличия вихревых токов в массивных частях магнитопровода;
б) возникновение трансформаторной э. д. с. в короткозамкнутой катушке якоря при изменении главного поля;
в) запаздывание изменения главного поля от изменения тока возбуждения и повышенные значения тока якоря при повторных включениях.
Существует проверенный практикой метод оценки коммутационной устойчивости двигателя при переходных процессах, основанной на проведении опыта «ударного включения». Опыт этот заключается в определении минимального напряжения, при котором происходит круговой огонь на двигателе после его отключения на 1—2 сек и повторного включения на это напряжение (определение «напряжения кругового огня»). На рис. 6 приведена осциллограмма тока при опыте «ударного включения» двигателя с последовательным возбуждением. Всплеск тока, достигающий двойного установившегося значения, обусловлен запаздыванием нарастания главного поля. Опыт ударного включения необходимо проводить для режима наиболее ослабленного поля. Машина считается удовлетворительной с точки зрения устойчивости коммутации при переходных режимах, если напряжение кругового огня по меньшей мере на 30% превышает номинальное напряжение на коллекторе.
Коммутационный расчет тягового двигателя заключается в определении величины реактивной э. д. с. и Н. С. обмотки дополнительных полюсов. В свою очередь реактивная э. д. с. вычисляется после определения проводимости потока рассеяния паза. Индукция в воздушном зазоре под добавочным полюсом, необходимая для компенсации реактивной э. д. с., может быть определена по формуле:
В двигателях для городского транспорта намагничивающая сила добавочного полюса равна 1,2 н. с. реакции якоря.
Введение немагнитной прокладки между сердечником дополнительного полюса и ярмом уменьшает рассеяние сердечника дополнительного полюса, улучшает коммутацию двигателя в широком диапазоне мощностей и повышает коммутационную стойкость двигателя при нестационарных режимах. При ремонте и сборке двигателя необходимо тщательно следить за правильной установкой немагнитных прокладок.
Условия вписывания в подвижной состав.
При определении размеров тяговых двигателей должны быть уточнены условия вписывания двигателя в тележку (или раму кузова).
Если ось вала двигателя расположена параллельно оси вагона, то должен быть обеспечен зазор (не менее 10 мм) между остовом двигателя и осью вагона, т. е. централь передачи (A) должна быть больше полусуммы диаметра двигателя и диаметра оси по меньшей мере на 10 мм:
С другой стороны, централь может быть определена из числа зубьев и модуля шестерен
Предельный диаметр большой зубчатки при данном диаметре колеса определяется исходя из минимального зазора между нижней точкой кожуха редуктора и рельсом. Этот зазор должен быть не менее 110 мм для трамвая и 85 мм для вагонов метрополитена.
Опуская промежуточные вычисления, мы можем сделать вывод, что при наружном диаметре станины 515 мм, передаточном числе 6, при модуле 8 минимальный диаметр колеса для вагонов метрополитена равен 780 мм, а при диаметре станины 485 мм, передаточном числе 8 и модуле 8 минимальный диаметр колеса для трамвая также равен 780 мм. Колесо этого размера и было принято для вагонов метрополитена типа Е и трамвайных вагонов МТВ-82. При продольном расположении двигателя на тележке (перпендикулярно оси) длина двигателя ограничена базой тележки. При двухступенчатом редукторе вписывание в тележку двигателя с длиной более 900 мм затруднительно.
В троллейбусе с двухступенчатым центральным редуктором двигатель расположен сравнительно высоко и диаметр станины двигателя в известной мере определяет уровень пола в салоне. В связи с этим увеличение наружных габаритов станины сверх 515—520 мм может вызвать затруднения при размещении двигателя. При бортовых редукторах (сочлененный троллейбус ТС-1) эти ограничения практически отсутствуют. Предельные наружные размеры станины в значительной степени определяют и предельный диаметр якоря. При диаметре колеса 780 мм и станине круглой формы максимальный диаметр якоря двигателя для вагонов метрополитена составляет 280—290 мм. Для троллейбусов с центральным редуктором предельный диаметр якоря при круглой станине составляет 300 мм, а при станине восьмигранной формы — 320 мм.
В трамвайных самовентилированных двигателях с ограниченной (по вписыванию в тележку) длиной существенное снижение диаметра якоря вызывает недопустимое увеличение его длины.
Все эти обстоятельства делают целесообразным построение всей серии машин для городского транспорта на едином диаметре якоря, равным 280 мм.
Приведенные выше закономерности относятся к стационарному режиму двигателя.
При переходных процессах возникают сложные явления, которые могут существенно отразиться на коммутации двигателя и на режиме динамического торможения, главным образом из-за запаздывания процесса изменения магнитного поля главных и добавочных полюсов от процесса изменения тока.
На основе электромагнитного и теплового расчета тягового двигателя, проверки размещения двигателя на вагоне и последующих геометрических и механических расчетов может быть разработана его конструкция.