Раздел 2. Электропривод на базе коллекторных двигателей постоянного тока (КДПТ) (стр. 2 )

В уравнении (7) индекс "в" у момента на валу, как правило, опускается.

2.5. Выражение для противоЭДС.

Проводники обмотки якоря двигателя вращаются в маг­нитном поле полюсов, и поэтому в обмотке якоря двигателя (как и у генератора) индуктируется ЭДС Е. В двигателе эта ЭДС направлена против тока Iя и приложенного к зажимам якоря напряжения U. Поэтому ЭДС якоря двигателя называется также противоЭДС [33].

ЭДС, наводимая в одном проводнике, находящемся в переменном магнитном поле:

Е1=Вlv, (8)

где v - линейная скорость движения проводника:

v=DW/2 (9)

Полная ЭДС якоря

(10)

2.6. Достоинства и недостатки КДПТ

2.6.1. Достоинства КДПТ

1) Большая кратность пускового момента (в особенности, если допустим прямой пуск) [23].

2) Большая перегрузочная способность [4].

3) Возможность получения различной скорости вращения при любой частоте напряжения сети.

4) Практически линейные регулировочные характеристики, обеспечивающие возможность достижения широкого диапазона регулирования [23].

5) Простота регулирования скорости [4].

6) Простота реверсирования [5].

7) Возможность управления ДПТ по слаботочным цепям возбуждения [5].

2.6.2. Недостатки КДПТ

Недостатки КДПТ в основном связаны с наличием щеточно-коллекторного узла.

1) Более высокая стоимость по сравнению с АД.

2) Более сложная эксплуатация по сравнению с АД.

Щеточно-коллекторные узлы ДПТ необходимо регулярно осматривать, при необходимости коллекторы чистить, а изношенные щетки заменять. При загрязнении внутренних полостей машины они продуваются сжатым воздухом под давлением (1...1,5)*105 Н/м2 [2].

3) Худшие массогабаритные показатели по сравнению с АД.

4) Нестабильность параметров, вызванная изменением состояния щеточно-коллекторного контакта.

5) Меньшая надежность и ресурс.

В среднем 25% отказов у КДПТ происходит из-за выхода из строя щеточно-коллекторного узла [8]; срок службы современных КДПТ составляет 200-500 часов и не превышает 1000 часов при сроке службы планера 30000 часов [21].

6) Акустический шум.

7) Возможное искрение на коллекторе.

Как отмечалось ранее, рост высоты приводит к снижению электрической прочности, влажности и плотности воздуха. Это приводит к возрастанию искрения в контакте, ухудшению естественной «смазки» и быстрому механическому износу контактов. По этим причинам использование щеточного контакта в естественных условиях при высотах более 18...20 км практически невозможно [8]. Кроме того, искрение под щетками ужесточает требования к окружающей среде и дополнительно ограничивает, тем самым, область применения, исключая, например, присутствие воспламеняющихся газов или паров.

8) Радиопомехи.

Источником радиопомех главным образом является искрение, возникающее при коммутации коллекторных машин (следствие недостатка 7).

При искрении и дугообразовании создается непрерывный спектр высокочастотных колебаний, которые наводят помехи в радиоприемных и телевизионных устройствах [25].

Коммутация создает электромагнитные колебания высокой частоты (1000—3000 Гц), которые распространяются по электрической сети, присоединенной к машине. Эти колебания вызывают радиопомехи, затрудняющие работу радиотехнической аппаратуры [14].

9) Продукты износа покрывают внутреннюю полость машины тонким проводящим слоем, снижая электрическую прочность изоляции токопроводящих цепей.

10) Ограничение по допустимой скорости ротора ДПТ.

Предельные линейные скорости в контакте щетка – коллектор не должны превышать 80...100 м/с [8] (при диаметре коллектора, например, 100 мм этим линейным скоростям соответствуют частоты вращения 15300...19100 об/мин). Таким образом, применение механического коллектора в высокоскоростных (104 об/мин) и сверхвысокоскоростных (105 об/мин) приводах является недопустимым [23]. Такое ограничение не позволяет создать конструкции коллекторных машин, имеющих высокую мощность при малой массе и габаритах [10].

11) Щеточный контакт не позволяет применить в КДПТ высокоэффективное струйное жидкостное охлаждения [8]. Капли жидкости, попадая на пластины коллектора, смешавшись с угольной пылью, могут перемкнуть пластины и закоротить секции якоря.

12) Плохая работоспособность контактных устройств в условиях ионизирующего излучения и при наличии вибраций [8].

13) Щеточно-коллекторный узел создает дополнительные электрические и механические потери.

2.7. Решение проблем, связанных с щеточно-коллекторным узлом

2.7.1. Использование КДПТ в высотных условиях

На значительных высотах (при отсутствии герметизации пространства, в котором находится машина), плотность воздуха и влажность резко уменьшаются, вследствие чего разрушается оксидная пленка на коллекторе и коэффициент трения между коллектором и щеткой возрастает, что вызывает значительный износ щеток [30].

Решение:

В ДПТ на ЛА применяют специальные меднографитовые щетки марки МГС, предназначенные для работы в высотных условиях до 20 км. Bысотные щетки МГС помогают сохранить оксидную пленку на коллекторе. В основном применяют высотные щетки МГС7, МГС8 и МГС9 [30].

Коллекторные пластины изготовляют из специальной холоднокатаной коллекторной меди. Для коллекторов ДПТ на ЛА применяют кадмиевую медь, обладающую большей механической прочностью и меньшим износом на истирание. Изоляцией между пластинами служит миканит, слюда, пластмасса; изоляцией, отделяющей от корпуса, — изолирующая пластмасса, миканит и др [30].

2.7.2. Борьба с искрением и радиопомехами

Сущность искрения – возникновение искрового или дугового разряда при размыкании цепи постоянного тока, обладающего индуктивностью. Прерывание тока вызывает резкое повышение напряжения в месте размыкания (сбегающий край щетки), пробой воздушного слоя и образование электрической дуги или искры (в зависимости от мощности контура).

1. Борьба с причинами, вызывающими искрение.

Причины возникновения искрения:

1) Механические причины: нарушение контакта между щетками и коллектором, приводящее к возникновению кратковременного разрыва цепи якоря [14].

- вибрация ДПТ, плохая балансировка машины [25].

Борьба: ликвидация причин, вызвавших вибрацию и причин, усиливающих ее влияние. Увеличение давления на щетки [25].

- неправильный подбор сорта щеток [25].

- некачественная поверхность коллектора: шероховатая, эллиптичная, выступание отдельных коллекторных пластин; выступание слюдяных изолирующих прокладок над пластинами [25];

- плохая стяжка пластин [25];

- плохое закрепление щеток и щеткодержателей;

- неправильный выбор давления пружины на щетку (щетка может отрываться от коллектора).

Борьба:

- поверхность коллектора протачивают, шлифуют и держат в чистоте;

- качественно закрепляют щетки и щеткодержатели и правильно выбирают давление пружины на щетку.

2) Электромагнитные причины: неудовлетворительная коммутация.

При работе ДПТ под нагрузкой суммарное магнитное поле создается потоком обмотки возбуждения и потоком обмотки якоря. Ось потока якоря совпадает с линией геометрической нейтрали. Суммарное магнитное поле, как и ноль суммарной ЭДС, по сравнению с режимом холостого хода, смещается в двигателе против направления вращения [38].

Суммарную ЭДС обмотки якоря можно разложить на две составляющие, создаваемые потоком возбуждения и потоком якоря. ЭДС, создаваемая потоком якоря, называют реактивной ЭДС Еа (она включает в себя ЭДС самоиндукции и ЭДС взаимной индукции). При замыкании секции ЭДС Еа вызывает в ней ток, который при размыкании прерывается. Напряжение в месте разрыва резко возрастает и происходит пробой воздушного слоя в виде искрового разряда. Чем больше ток якоря, скорость его вращения и число витков в секции, тем больше величина ЭДС Еа и тока и тем сильнее искрение.

Борьба:

2.1. Уменьшение реактивной ЭДС и вызванного ею тока [25].

- число витков в секции следует брать наименьшим. Однако, это не всегда можно осуществить, так как при малом числе витков в секции увеличивается число секций, что ведет к необходимости иметь слишком много коллекторных пластин, в результате чего диаметр коллектора получается большим. Применяют в машинах малой мощности [25];

- для того чтобы одновременно коммутировало наименьшее число секций, следует выбирать ширину щетки близкой к ширине одной коллекторной пластины. Однако при этом коллектор используется плохо (слишком удлиняется), поэтому на практике ширину щетки обычно выбирают в 1,5—3 раза больше коллекторной пластины [25];

- следует выбирать низкую скорость вращения, однако это нежелательно, так как тихоходные машины имеют большой вес и габариты [25];

- следует выбирать более жесткие щетки (с повышенным сопротивлением). Однако жесткие щетки ведут к повышению износа коллектора. Применяется в машинах малой мощности [25].

2.2. Компенсация реактивной ЭДС.

Искрение будет отсутствовать, если размыкание секции будет происходить без обрыва тока в ней. Следовательно, для ликвидации искрения нужно скомпенсировать ЭДС Еа с помощью какой-либо ЭДС противоположного знака, создаваемой внешним полем.

- сдвиг щеток за физическую нейтраль против вращения (рис.3) [25].

Рис.3. Сдвиг щеток [32]

Коммутируемые секции оказываются в зоне потока, индуктирующего в них ЭДС вращения, направленную встречно реактивной ЭДС. При правильно подобранном угле сдвига имеет место компенсация реактивной ЭДС. Недостатком этого способа является его непригодность для реверсивных машин и необходимость с изменением нагрузки сдвигать щетки в новое положение [25]. Принципиально может быть применен в машинах малой мощности при их работе с постоянной нагрузкой и без реверсирования. На практике в настоящее время этот способ не применяется. В микромашинах щетки всегда устанавливаются неподвижно на геометрической нейтрали [25].

- установка добавочных полюсов (рис.4) [25].