книги / Машины постоянного тока средней и большой мощности
..pdfГосударственный комитет РСФСР по делам науки и высшей школы
ЛЕНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
В.В.Фетисов, Г.А.Давидчук
МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА СРЕДНЕЙ И БОЛЬШОЙ ЮНДОСТИ
Учебное пособие
Санкт-Петербург 1992
УДК 821.313
Машины постоянного тока средней и большой модности: Учеб*пособие /В.В.Фетисов, Г.А.Даниднук; Ленинградский гос^гех.уН-т. Л . ,1992.
100 с.
Проводится оценка зависимости предельной Мощности'ма*ци»г постоян ного тока (NiirT) от коммутационных параметров; рассматриваются, осо-- бенности многоходовых петлевых обмоток, применяемых в МГГГ большой "мощности..Излагается энергетическая природа искрения под щеткой и детально анализируются современные методы расчета процесса.коммута ции. Указываются возможные пути повышения коммутационной способнос ти и предельной мощности MiГГ.
Учебное пособие составлено для курса."Коллекторные и вентильные электрические машины" и предназначено для студентов специальности "Электромеханика" дневного и вечернего факультетов.
Табл.6 . Ил. 38. Ьиблиогр.: 12 назв.
Печатается по решению редакционно-издательского совета Ленин градского государственного технического университета.
Рецензенты: И.Т.Талышинский; В.П.Толйуноо.
Ленинградский государственный технический университет, 1992
ВВЕДЕНИЕ
Широкое развитие автоматизации различных отраслей народного хо зяйства обуславливает все возрастающее примЬнение машин постоянного то..а (МПГ). Такие машины, несмотря на более сложную конструкцию к более высокую стоимость, по сравнению с машинами переменного тока, обладают рядом преимуществ. Это возможность плавного и экономичного регулирования частоты вращения в широких пределах, что обеспечмбает преимущественное использование двигателей постоянного тока в регули руемых электроприводах; высокие пусковые', тормозные и перегрузочные вращающие моменты, позволяющие получать хорошие эксплуатационные хаг рактеристики при пуске, торможений, реверсе и кратковременных пере грузках; хорошие.регулировочные свойства, Они позволяют сравнительно просто осуществить автоматизацию сложных производственных процессов и обеспечить эффективную работу различных систем, например, систем точного электропривода.
Основной тенденцией современного электромашиностроения является неуклонное увеличение мощности крупных МПТ при жестком требовании к их высокой надёжности. Так, наибольшая мощность генераторов постоян ного Тока, выпускаемых ЛПЭО "Электросила”, за последние 20 лет воз росла с 5000 до 9500 кВт, а мощность двигателей постоянного тока подвышена до 14000 кВт в одноякорном исполнении.
Увеличение мощности машин в заданных габаритах обеспечивают пу тем применения новых материалов и достижениями в области расчета, проектирования и технологии изготовления МПТ. Так, создание но базе последних достижений в теории и практике МПТ уточненных методов рас чета электромагнитных, тепловых и механических процессов, позволило значительно увеличить электромагнитные нагрузки. С ростом электро магнитных нагрузок МПТ особенно остро встает вопрос о повышении их надежности, которая во многом определяется качеством коммутации. По
этому в настоящее время интенсивно |
разрабатываются и |
совершенствуют |
ся методы расчетноттеоретическйх и |
экспериментальных |
исследований |
коммутации. |
|
3 |
Глава I. ФАКТОРЫ, О Г Р А НИЧИВАШ^ М О Ц Щ Л Ъ КРУПНЫХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА
К основным факторам, препятствующим повышению мощности 'крупных машин постоянного тока, можно отнести следующие: I). допустимые вели чины электромагнитных нагрузок; 2) допустимые механические нагрузки; 3) допустимые термические нагрузки (условия нагревания); 4). условия*, обеспечения надежной коммутации; 5) габаритные ограничения. :.
Рассмотрим эти факторы более подробно. .
I.I. ЭлектромагнйЛые нагрузки
Электромагнитные нагрузки, т.е; линейная нагрузка, якоря А и маг нитная индукция В в зазоре, являются важнейшими параметрами элек трической машины, характеризующими степень:.ее использования :з.элек
трическом и магнитном отношении; От линейной |
нагрузки А |
и магнит» |
|||
ной индукции |
Вд* зависят машинная постоянная |
Арнольда |
Са и коэф-. |
||
фициент использования якоря |
С , для которых, можно получйтьолеДую- |
||||
щее |
выражение |
[ l], |
|
|
|
|
|
С = |
|
|
|
где |
Рэм - электромагнитная |
(расчетная): м о щ н о с т ь м а ш и н ы “ час-. |
|||
тога вращения, об/мш; В д н £ ( - диаметр. и |
расчётНая длина якорл! , |
ОС?- расчетный коэффициент полюсной дуги. . |
|
|||
Из |
выражения (1 Л > видно’, .что-хооффиииент. |
|
||
рактеризует э лектромагнитныймомент, приходящийся |
на^ един и ^ о б Ц м д |
|||
якоря, |
а машинная постоянная С а |
|
|
|
ницу электромагнитного момента. |
|
|
||
Согласно |
(1Л) электроиагнитная ыощность м ш и н ы |
|||
‘Зависимости (1,1) я- |
ч^' к ю а ^ |
|||
ния и злектромагнитная мЬщность машины лри |
эаданных ее габаритах и ^ ' |
|||
частоте вращения .возрастают с увеличением" йй'нейчб^^ |
||||
дукции |
Bfr |
в зазоре. |
|
|
Практикой лдоёктйдован^ |
|
машин;про-4 |
||
тояниого ток о с о временного испоянениядопусти1^еэначениялйнейнЬй: |
||||
нагрузки А |
составляют 500 - 6 0 d ( 7 0 0 V V ^ |
* |
4
1*0Ц: |
1 |
Дальнейшее увеличение электромагнитных |
на |
|
грузок н е ц е л е с о ^ |
|
причинам. Повышение линейной |
на- |
|
груэки ведшт 'к уху.гщению услов^й |
коммутации и к увеличению нагрева- |
|||
ншг .обмотки якорл^ и |
возможно лишь |
при одновременном улучшении усло |
вий {комм^ай^^^ й^иет^;бхла]Ц1е'|шя обмотки якоря. У^вётцейт‘индахшй.д^аооре В & препятствует насыщение зубцовой
зоны.,- При. пов^ении.'расчетной величины индукции в основании зубцов
\:'Вщх-Ьцйвё 2 Г4--.2»5:Тя'НО зубцов |
F£ |
чрезмерно |
возрастает, что |
|
'.дВыОнЖаеТувеличениерасхода меди |
на обмотку возбуждения i возрастание |
|||
•noT^pii* в'.:неЙ:#.{а таюке-увеличение |
размеров всей магнитной системы. |
|||
возможно лишь в случае применения гладкого |
||||
.якоря^(ё^й^оно'iie ограничено другими факторами), |
а также при частич- |
|||
■'^ном. или ,;по.лнбм» отказе от .применения |
электротехнической стали в маши |
|||
не.,-Ч йак^#.»Ф^вр:,';‘В; м ^ н а х с обмотками |
возбуждения из сверхпровод |
|||
ника)^: |
|
|
|
|
'Ч*..^'Кб^ф^ццент До л е с н о й д у г й о ^Н ) |
для |
крупных машин постоянного то- |
||
ко .имеет вполне определённое значение, равное 0,7- - 0,75 (0,78). |
||||
ДатнеЯпМд<9ь-'в|*о |
|
|
вследствие того, что оно |
|
может привести к уфМени*» Ярммртации машины из-за проникновения в |
||||
ко!лутационные зрны поля гдаяных пояюсов. |
и &' в выражение |
|||
? Если подставить yxeceixatc1величины.В& * А |
<irХ У к ^ ^ к ш Г . и в ш и ц п6<^оянно^о тока предельные значение «о- эффигйеита щаок^ъш/туС: получится равным (6 - 7) кВт/об/мин*м^
а мкошибА/пЬстоянной |
(0*14 - 6.17) Ж®кВт/об/мин, |
|
|
нагрузки. |
|
Мехбнйч<мкие'^ |
деталях якоря (бандажах, стали сердеч- |
|
|
нажимныхкольцах и др.), как показыва- |
|
|
бжружнбИ скорости якоря Ц |
и |
:|»лйотрр(|..чУ^Н.‘ |
iealwiwii могут являться приближенными |
|
; к р и ^ р и я м и ^ |
Многочисленные расчеты |
на |
^1^^чн0рт|г {«jn^K^WBaiw -UinOj да.крурных машин'постоянного тока доцустимь1е значенйя ок1^ У 1ыХскоростей Уд и Ук составляет для якоря
М/с -и ’ДиЯ. |
SO- t ^0 г{70) м/с. При больших ок- |
||
■ оказывается необходимым по условиям |
прочности |
||
Ч п ^ М е № н и е коллекторов |
е бандажними кольцами. Из |
выражения |
|
V £ ~ & 1 ) а п Ш |
|
(1.3) |
5
следует |
В а - тг « В О V a f<K 9 |
|
(1.4) |
т.е. произведение диаметра якоря на его частоту вращения в электри ческих машинах является величиной ограниченной и определяется, усло
виями механической прочности. При |
У а |
= Б0 (90) |
м/с имеем |
На гг = |
||||||
1500 - 1700 м*об/мин. |
DQ |
|
|
|
|
|
|
|
||
Значения диаметра якоря |
в |
зависимости |
от частоты |
вращения |
||||||
при Va. |
= 60 м/с |
приведены в табл. |
I.I. |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
Таблица -I.I. |
|
||
Зависимость диаметра якоря от частоты вращения при |
Vq =60 м/с |
|||||||||
П ,об/мин |
300 |
370 |
400 |
500 |
. 750 |
1000 |
1500. |
зооа |
||
Н а , см |
500 ' |
410 |
зео |
300 |
200 |
150 |
’Й Ь \ |
50 |
Данные табл.1.1 показывают, что при больших.частотах вращения условия механической прочности существенным' образом ограничивают .ве личину диметра якоря в машинах достоянного тока.
1.3. Ограничения по условиям нагревания.
Нагрев обмотки якоря зависит,от величины £аА * которая .опреде ляет'удельную тепловую нагрузку,на поверхности якоДя от потерь в ме ди якоря (иногда эту величину называют -"фактором нагрева"’якоря).
Б самом деле, для потерь в пазовой части обмотки якоря
|
|
|
Р |
— |
о |
Сй Pi |
, 2 ' |
_ |
|
|
|
N |
|
м л |
f (2 а )2 Ца 1 а ’ |
|
1- |
||
где Р |
и |
- удельное Сопротивление меди |
и полное число провод |
||||||
ников |
обмотки |
якоря; |
4 а и |
2 <* |
- поперечное |
сечение проводника и Члс- |
|||
ло параллельных ветвей обмотки якоря; |
£ а - |
полная длина якоря. |
|||||||
Подставляя |
сюда |
N Ia /2<X |
из выражения для |
линейной нагрузки |
|||||
|
|
|
|
А * fila/jcBa 2 а |
|
ci.e) |
|||
и принимая |
во внимание, что плотность тока в обмотке якоря |
||||||||
получим |
|
|
fa ~ 1а/ 2ауа, |
|
,(1.7) |
||||
|
|
Рмп - |
£а) а А |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
Отсюда потери в меди якоря, приходящиеся на единицу его активной по верхности (удельный тепловой поток через боковую поверхность, якоря).
6
|
Р м п tyfc Act Cq*tfjctA. |
(I.fa) |
|
Таким .образом,: произведение f a |
А является |
важным критерием, |
|
характеризующим использование якоря в.тепловом отношении. |
|||
Для |
того, чтобы Обмотка' якоря не |
перегревалась сверх допустимой |
|
в данном |
классе изоляции |
необходимо ограничивать величи |
|
ну j a A . Допустимое значение JaA |
зависит от |
класса изоляции и |
Системы охлаждения. Чем более теплостойка применена изоляция и ин тенсивнее :система.охлаждения, тем выше, допустимое значение fa А .
С увеличением диаметра якоря допустимая величина обычно возрас тает из-за некоторого улучшения условий охлаждения якоря.
По данным практики, для крупных машин* имеющих изоляцию класса
В |
, с обычной |
воздушной |
системой,вентиляции (для тихоходных машин- |
принудитель.ной |
для быстроходных - самовентиляцией) величина f a А |
||
составляет 2700 |
-'3100 A |
*ом, что" соответствует удельной тепло |
|
вой |
нагрузке 0,6Ь - 0,77 |
Вт/см^. |
Следует-отметить, что для прокатных машин допустимый перегрев об моток; как .правило* берется.'на класс, ниже, чем фактически обеспечива ет принятая изолйЦиЯ. Э#.м-достигается возможность увеличения допус тимых кратковременных перегрузок, а. также повышается надежность ра боты машин . В таких.случаях.указанное значение f a А справедливо и для.изоляции'класса F
•‘Применение полиамидной изоляции, обладающей повышенной электри ческой и/ механической.tпрочностью и позволяющей, уменьшить толщину изо ляция в,пазу, а значит и перепад температуры в.ней, дает возможность повысить:- величину: ‘f a А- до значения, 3600 - 4300 А/мм^*А/см. При
этом. мршнЬсть'. м€Ш1ИНы( при -тох.'жо ее'-габаритах |
может быть |
увеличена на |
|
I5V--'205S'.. |
|
|
|
,:В;'сяучве1*др1йкенё)1иА «изоляции класса Н |
увеличение |
} а А |
может |
оказаться экономически; нецелесообразнымособенно для тихоходных ма шину -вследствие'-.снижения КСД. машины из-гза увеличения потерь в меди якоря.
Ограничения по. условиям коммутации
Для оценки' напряженности коммутации и потенциальных условий на
коллекторе машины постоянного .тока обычно используют |
дво величины: |
||
среднюю реактивную ЭДС |
C /tcp^E z |
(индекс "ср" обычно оцускают) и |
|
среднее (или максимальное) напряжение |
между смежными |
коллекторными |
|
|
|
|
7 |
пластинами М к ср ( U кмакс) . . |
|
|
Для обеспечения нормальной коммутации машины средняя реактивная |
|
|
ЭДС не-1должна превышать определенную величину. Это объясняетсятем, |
|
|
что реактивную ЭДС не удается практически |
n o ' ^ ^ T ^ :% ^ e ^ p o e a t l > . |
|
посредством коммутирующей ЭДС, индуктируемой в ком»^ти^ешх-секци |
|
|
ях полем добавочных полюсов, в результате |
ч е г о й 'вЬэ.нйкае,^^дайс^ |
|
ная ЭДС А е - 6г-6к. При этом неполная |
ждоецсрциз |
. |
по мгновенным значениям ЭДС, так и по их*средним;.эн^ни^у?^^А]|^Ы
сная ЭДС может возникнуть вследбтвиб |
Jie«f ‘ |
активной и коммутирующей ЭДС |
/различия у с л о в и й ^ |
коммутации секций, приходящихся на один |
паз £ яебдинакоёрсад цагнй^-, |
кого поля добавочных полюсов, в зонах K o i a ^ ^ H , из^за магнитной ,’ие^‘ симметрии машины, несимметричного распопоженил щеток на.коллекторе,,
различия в притирке щеток й других |
различных ;Г |
|||||
технологических бтклоневий при изготовлении 'мащины. |
|
|
||||
Небалансная ЭДС АС |
так.же,лкзй; Ц^активная; 6% , пропорцио- |
|||||
нальна току якоря. Та |
.и/частртв;яр^^ |
|
|
|||
с возрастанием х^ективной.ЭДС.. |
|
|
||||
нии небаяансно.й ЭДС |
возникает’ |
|
|
|||
ная работа машины станЬвцтсй невоЗйорой*:дак^" |
|
|
||||
активная ЭДС Еъ |
является о е к о в н ы м ^ й т е р ^ наПряженнОО^ |
|
||||
ции машины. |
|
|
|
|
|
|
Практика эксплуатации показала, что для.крупных мвшин постоянног. |
||||||
го тока, имеющих |
петлевую, или "лягушачъВ" |
|
|
|||
ние реактивной |
ЭДС |
Еъ |
при работе в длительном режиме составляет.. |
|||
8 - 10 (12) В, |
а при кратковременных перегрузках до |
1б ;^ ^ |
(25) В,: - |
|||
При этих значениях |
£ |
ъ посредством регулирований зазоров |
, |
|||
ных полюсов можно обеспечить г ф ^ и ч е с 1т безыскровую Д О |
маши |
ны в эксплуатации в режимах 2 - 2,5 - кратных кгятковоеменных перегруэок по току.
Допустимое значение реактивной ЭДС но является величиной шйзмеН^ ной и одинаковой для всех машин, а зависит от мног^фахтороа. С т*- оретической точки Зрения допустимоезиачение реактивной ЭДС зависит от формы кривой £*,($)■* от различия этихкривых д л я ^ с е к ц и й паза (при резком различий этих кривыхтруднее подобрать фрржу Кривой
по ля добавочных полюсов для рбесяэдени? |
коМмута- |
ции в этих секциях), * также от различия усло^^ |
сёк- |
ции паза на завершающем етапе ксмо^аций^ когда эти секции могут
8
иметь различную электромагнитную связь с другими коммутируемыми в
этот момент времени секциями |
различим- «'оро?коьаг.'.кнупп/.й конту |
|||
рами. |
|
|
|
|
Эти различия в электромагнитных условиях коммутации, секции 3f*“* |
||||
висят, в свою очередь, |
от типа |
якорных |
обмоток |
их параметров , допу |
стимых. технологических |
отклонений при |
изготовл; |
пи машины и степени |
совершенстве ее выполнения, механических факторов, влияющих на спо койную работу, щеток на коллекторе. Отрицательное влияние механичес ких факторов на коммутацию с увеличением скорости вращения заметно возрастает и поэтому для быстроходных машин при 71 £ 3000 об/мин до пустимое значение реактивной ЭДС уменьшается до.б - 7 В.
Величина реактивной ЗДС вычисляется по формуле
|
F v - 2 e w c A V a $ ■» |
Л л |
где |
€ - длина сердечника якрря без радиальных |
вентиляционных Кача |
лов; |
Wc. ~ число витков секции обмотки якоря; |
- средняя результи |
рующая удельная магнитная проводимость коммутируемой секции с учетом •ее взаимоиндукции с:другими коммутируемыми секциями.
•Максимальное или среднее напряжение между смежными коллекторными пластинами являетсяважнейшей, величиной', характеризующей потенциаль ные условия на коллекторе .в‘.машинах постоянного' тока. Многолетний
опыт эксплуатации;, показал j что напряжение. |
UKMQKC ( иО кср |
) не |
|
должно |
превосходить .определенных' значений, так какпри больших |
вели |
|
чинах |
U кмакс возрастает вероятность |
возникновения потенциальных |
.дуг между коллекторными пластинами; приводящих к образованию круго вого огня wa,коллекторе. Практикой установлено, что для крупных ма
шин максимальное |
напряжение |
1/к.ср |
не должно превосходить 26-30 В; |
|||
среднее напряжение 1/кср при этом не превышает .16 - 18 (20) В. |
||||||
Допустимое |
значение: |
Uncp ( if к макс |
) зависит от ряда факто |
|||
ров. Например* |
с. увеличением |
толщины |
изоляции.между коллекторными |
|||
пластинами. А;щ |
до .1^2 |
- 1,5 мм величину |
11кср можно брать нес |
колько большей. При увеличении, глубины продораживаиия, уменьшении расстояния между-щеточными бракетами вероятность возникновения пере крытия по коллектору возрастает и необходимо выбирать меньшие значе ния Vкер- Следует избегать также наличия острых кромок у коллектор ных пластин и загрязнения изоляционных промежутков и при эксплуатации уделять особое внимание уходу эа коллектором и щеточным аппаратом.
В машинах с двухходовыми и трехходовыми петлевыми обмотками якоря максимальное напряжение U к макс мож®т возрасти из-за пульсаций
этого напряжения, возникающих веледствйи неполной симметрии этих об моток (см. гл. 3), Поэтому для этих обмоток среднее напряжение
следует выбирать |
не большим 16 (17) |
В. |
|
|
|
|
||
|
Величина среднего и максимального напряжения между смежными кол |
|||||||
лекторными |
пластинами определяется |
выражениями: |
|
|
|
|||
UKcp-U -2P /K |
U . I 0 ) икмансЧ ик р /а ')К и = (И 2Р/*К)Ки, < 1.1 П |
|||||||
где |
2р |
- число |
полюсов машины: |
Ки - |
коэффициент -искажения поля, |
|||
представляющий отношение максимальной индукции |
B S макс |
в |
воздушт |
|||||
ном |
зазоре при нагрузке машины к индукции |
B S |
при холостом |
ходе. |
||||
Для компенсированных машин при полной компенсации реакции якоря. |
||||||||
Ки |
= I . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.5. Габаритные |
ограничения |
|
|
|
|
|
Максимальный диаметр якоря Определяется, условиями его |
транспорти |
ровки и не должен быть больше 410 см. Для унификации штампов и ин
струмента |
на отечественных электромашиностроительных заводах принять! |
|||
следующие |
значения диаметра якоря для |
крупных машин при Da > |
100 см: |
|
120, |
150, |
160, 215, 265, 310, 340, 360 |
и. 410 см. (последний размер |
|
пока |
не использовался). |
|
|
|
|
В реверсивных двигателях для уменьшения махового момента, |
сниже |
ния времени реверса и повышения производительности приводимых во вра щение механизмов рекомендуется по возможности сникать величину диаг метра якоря.
Максимальная Длина сердечника якоря' С а ограничена возможное-- тями технологии, при его изготовлении и составляет на .наших заводах, 165 см (за рубежом до 200 см.). Кроме того; следует^ иметь в виду,, что с увеличением длины якоря возрастает реактивная ЭДС и ухудшаются условия коммутации, увеличивается неравномерность нагрева обмотки по’ длине якоря и возрастает опасность повреждения изоляции обмотки за счет неодинакового расширения стали и меди при нагреве;
В автономных установках могут возникать дополнительные габарит ные ограничения, вызванные условиями размещения машин в заданных объемах.
Предельная длина коллектора Ск ограничена в быстроходных маши нах механической прочностью коллектора и зависит от его окружной, ско рости Vi< и отношения длины к диаметру коллектора £к /Лк [ I J . Если длина коллектора, получаемая из услЬвия размещения щеток на ще точном бракете, оказывается'больше продельной, то коллектор выпопня-
10