Параллельная работа синхронных генераторов с сетью (стр. 13 )

Реактивная ЭДС по правилу Ленца стремится задержать изме­нение тока в коммутируемой секции, и ее направление совпада­ет с направлением тока в секции до начала коммутации. Кроме реактивной ЭДС в коммутируемой секции наводится ЭДС вращения евр от внешнего поля, имеющегося в зоне коммутации. Обычно середина этой зоны совпадает с геометрической нейтралью машины (поперечной осью). Внешнее поле создается или поперечным полем якоря, или дополнительными полюсами (см. подразд. 20.4). В зависимости от направления внешнего поля ЭДС вращения может иметь согласное или встречное направление с реактивной ЭДС.

Рис. 20.3. Замыкание добавочного тока iд в коммутируемой секции

Таким образом, при работе машины в коммутируемой секции действует результирующая ЭДС

∑е = ер ± евр,

которая создает добавочный ток коммутации iд, протекающий в контуре, образованном коммутируемой секцией и щеткой, как показано на рис. 20.3. Если в момент времени t= Тк, когда сек­ция выходит из состояния короткого замыкания, ток iд не дос­тигает нулевого значения, то происходит механический разрыв этого тока. При этом запасенная в секции энергия, равная Ls i²д /2, высвобождается в виде искрового разряда между щеткой и кол­лектором. Интенсивность искрения зависит от запасенной в сек­ции электромагнитной энергии.

На процесс коммутации в машинах постоянного тока суще­ственное влияние оказывает переходное сопротивление контакта между щеткой и коллектором. Механизм прохождения тока в этом контакте отличается большой сложностью и зависит от целого ряда факторов. Обычно в соответствии со стандартом для электри­ческих машин задается падение напряжения в щеточном контакте на пару щеток ΔUЩ, которое зависит от их типа. В машинах посто­янного тока находят применение графитные, угольно-графитные и электрографитированные щетки, для которых ΔUЩ = 1,5…3,0 В. В электрических машинах низкого напряжения применяются металлографитные щетки с ΔUЩ = 0,5…2 В.

20.3. Виды коммутации

Характер протекания коммутационного процесса в машинах постоянного тока зависит от закона изменения тока в секции за период, когда она накоротко замкнута щеткой. В основу классиче-ской теории коммутации положено предположение, что переходное сопротивление rщ между щеткой и коллектором является постоянным и не зависящим от плотности тока в щетке Jщ, т. е. зависимость ΔUЩ =f(Jщ) считается линейной. Несмотря на то, что это допущение не является кор­ректным, результаты анализа, полу­ченные на основе классической тео­рии, позволяют выявить основные закономерности процесса коммута­ции и определить способы ее улуч­шения.

Рис. 20.4. Расчетная схема для вывода закона изменения тока в коммутируемой секции:

1 — коммутируемая секция; 2— 4 — коллекторные пластины

Процесс коммутации рассмотрим на примере простой петлевой обмот­ки. В целях большей наглядности при­мем, что обмотка якоря является кольцевой и что ширина щетки bщ равна ширине коллекторной пластины bк. При заданном направ­лении вращения якоря (рис. 20.4) коммутация секции 1 начнет­ся с того момента, когда коллекторная пластина 3 войдет в со­прикосновение с правым краем щетки, который называют набе­гающим. С этого момента секция 1 будет замкнута щеткой накоротко и в ней будет происходить изменение тока iк. с (от +iа до –ia). При дальнейшем перемещении якоря через период ком­мутации Тк коллекторная пластина 2 выйдет из соприкосновения со щеткой под ее левым краем (сбегающим). В этот момент ком­мутация секции 1 закончится, секция перейдет в другую парал­лельную ветвь обмотки и ток в ней поменяет направление на противоположное по сравнению с его направлением до начала коммутации.

Для определения закона изменения тока в коммутируемой сек­ции 1 в момент времени t (0 < t< Tк) согласно рис. 20.4 и второму правилу Кирхгофа можно записать

i1 rщ1 – i2 rщ2 =∑e (20.2)

где rщ1, rщ2 — переходные сопротивления щеточного контакта сбе­гающей и набегающей частей щетки соответственно; ∑e = ер± евр.

В уравнении (20.2) не учитываются сопротивления коммути­руемой секции и выводов, соединяющих эту секцию с коллекто­ром, так как эти сопротивления значительно меньше переходных сопротивлений в щеточном контакте.

По первому правилу Кирхгофа для коммутируемой секции спра­ведливы выражения

i1= iа + iк.с ; i2= iа - iк.с (20.3)

Из совместного решения уравнений (20.2) и (20.3) получим

iк.с = iа (rщ1- rщ2)/( rщ1+ rщ2)+ ∑e /rщ (20.4)

где rщ = rщ1+ rщ2 — переходное сопротивление щеточного контакта. Переходные сопротивления rщ1 и rщ2 обратно пропорциональ­ны площадям Sщ1 и Sщ2 соприкосновения щетки с соответству­ющей коллекторной пластиной, которые определяются по фор­мулам

Sщ1= bщ1 lщ = υк (Tк -t) lщ;

(20.5)

Sщ2= bщ2 lщ = υк t lщ,

где lщ — осевая длина щетки.

Тогда

rщ1/ rщ2 = Sщ1 / Sщ2 =t/(Tк -t).

Подставив (20.5) в (20.4), получим в окончательном виде вы­ражение для тока в коммутируемой секции:

iк. с = iа (1 – 2t/Tк) +∑e /rщ (20.6)

Из уравнения (20.6) видно, что характер изменения тока iк. с за период коммутации зависит от значения суммарной ЭДС и ее зна­ка. В зависимости от этого различают три вида коммутации.

Прямолинейная коммутация в машинах постоянного тока имеет место при ∑e =0. Для чего реактивная ЭДС ер в любой момент времени должна быть скомпенсирована ЭДС вращения евр. При выполнении этого условия ток в коммутируемой секции

iк.с = iпр =iа (1 – 2t/Tк) (20.7)

где iпр — ток, соответствующий прямолинейной коммутации.

Рис. 20.5. Изменение тока в комму­тируемой секции при прямолиней­ной коммутации

Из (20.7) видно, что изме­нение тока во времени проис­ходит по линейному закону (рис. 20.5), поэтому такая ком­мутация и называется прямоли­нейной.

Замедленная коммутация про­исходит в том случае, когда ре­активная ЭДС ер имеет большее значение, чем компенсирующая ее ЭДС вращения евр, а также тогда, когда евр совпадает по на­правлению с ер.

В соответствии с (20.6) ток iк. с замедленной коммутации можно представить в виде двух составляющих: