Раздел 2. Электропривод на базе коллекторных двигателей постоянного тока (КДПТ) (стр. 3 )

Рис.4. Установка добавочных полюсов [14]

Добавочные полюса располагают между основными полюсами машины, т. е. на линиях геометрических нейтралей, где установлены щетки. При этом магнитный поток добавочных полюсов должен быть направлен навстречу потоку, создаваемому токами якоря [25]. Это значит, что за основным полюсом данной полярности по направлению вращения якоря должен следовать добавочный полюс той же полярности [14]. С увеличением нагрузки машины растет ток и поток якоря, соответственно увеличивается реактивная ЭДС Еа. Для компенсации этой ЭДС поток добавочных полюсов должен увеличиваться пропорционально току якоря. Поэтому катушки добавочных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря, а сами полюса выполняют с ненасыщенной магнитной системой (при номинальной нагрузке в них допускается индукция не больше 0,8—1,0 Тл) [14]. Добавочными полюсами снабжаются все современные ДПТ мощностью более 1 кВт [11], более 0,3 кВт [14]. Обычно число добавочных полюсов берется равным числу главных, однако в машинах мощностью до 2—2,5 кВт иногда делают половинное число добавочных полюсов. Применение добавочных полюсов позволяет увеличить линейную нагрузку машины и тем самым уменьшить ее размеры и стоимость [14].

В ДПТ малой мощности размещение дополнительных полюсов затруднительно. Отметим, что в микромашинах обмотка якоря имеет относительно большое сопротивление, что несколько облегчает коммутацию [25].

- применение компенсационной обмотки [25].

Рис.5. Размещение компенсационной обмотки в полюсных наконечниках [25].

Дополнительные полюса компенсируют реакцию якоря только в пространстве между основными полюсами. А вот под основными полюсами реакция якоря остается нескомпенсированной и искажает поле, это приводит к резкой разнице между ЭДС, наведенной в соседних секциях обмотки, и к повышению разности потенциалов между пластинами коммутируемых секций, что может вызвать образование на коллекторе кругового огня. Для предотвращения этого применяют компенсационную обмотку [25].

Компенсационная обмотка закладывается в пазы полюсных наконечников и соединяется последовательно с обмоткой якоря. Создаваемый ею поток и поток реакции якоря должны быть равны и направлены встречно [25].

Выполнение компенсационной обмотки требует большой дополнительной затраты меди, поэтому ее применяют лишь в специальных типах электрических машин и в машинах большой мощности, предназначенных для работы в тяжелых условиях. В ДПТ малой мощности ввиду ограниченности места размещение компенсационной обмотки встречает трудности и поэтому не применяется [25].

2. Экранирование машины.

- корпус машины уже является экраном и поэтому в известном смысле поглощает радиопомехи. Со стороны коллектора часто на торец корпуса надевают защитный металлический колпак.

- вентиляционные отверстия закрывают медной или латунной сеткой;

- выступающий конец вала замыкают специальной щеткой на корпус двигателя;

- внутренние соединения обмоток выполняют экранированными проводами, в некоторых случаях все проводники помещают в алюминиевую или медную панцирную оплетку. Экран проводов или оплетки соединяют с заземленным корпусом [25].

3. Электрические фильтры.

Рис.6. Схема защиты от радиопомех: а — емкостной фильтр; б — Г-образный фильтр; в — П-образный фильтр [25].

Наиболее простыми фильтрами являются конденсаторы, соединенные между проводами сети (конденсатор 1) или проводом и корпусом (конденсатор 2) (рис.6a). Наиболее эффективными являются проходные конденсаторы 2, в которых один выводной конец присоединяется к корпусу, а другой проходит внутри конденсатора и является токоведущим проводником, соединенным последовательно с обмоткой якоря. Емкость конденсатора обычно составляет 0,1—1 мкф [25]. Наилучшие результаты дает применение Г-образных (рис.6б) и в особенности П-образных (рис.6в) режущих фильтров, которые пропускают постоянную составляющую напряжения и задерживают гармонические составляющие [25].

4. Симметрирование ОВ (при последовательном возбуждении) и обмотки добавочных полюсов.

Рис.7. Симметрирование обмоток [14]

Симметрирование обмоток (рис.7) сводится к выполнению ее по обе стороны от обмотки якоря. Кроме того, между щетками разных полярностей и корпусом машины присоединяют конденсаторы для шунтирования высокочастотных колебаний [14]. Широко применяют в универсальных коллекторных двигателях. Цель: увеличение внутреннего высокочастотного сопротивления со стороны внешних зажимов [25].

2.8. Массо-энергетические показатели КДПТ

Возможные пути снижения массы двигателей были изложены в Разделе 1, п.1.8.7.

При прочих равных условиях:

1) Чем выше номинальная частота вращения ДПТ, тем меньше его масса.

2) Чем больше диапазон регулирования D=Wmax/Wmin, тем больше масса двигателя или, при заданных габаритах, тем меньше допустимая мощность двигателя [34].

3) Чем выше номинальная мощность ДПТ, тем больше его масса.

Зависимость массы ДПТ от мощности и частоты вращения иллюстрирует формула

(11)

Для авиационных коллекторных двигателей постоянного тока длительного режима с самовентиляцией оценить массу (кг) можно с помощью эмпирической формулы:

(12)

где Pн – номинальная мощность двигателя, кВт, nн – номинальная частота вращения двигателя, об/мин.

4) Масса ДПТ, предназначенного для работы в длительном режиме, больше, чем масса ДПТ, предназначенного для работы в повторно-кратковременном или кратковременном режиме (при одинаковой мощности и допустимой температуре).

5) С ростом номинальной мощности КПД ДПТ увеличивается.

В отличие от ДПТ средней и большой мощности, маломощные двигатели имеют относительно большие потери в меди и потери в подшипниках, что снижает их КПД [16].

Для авиационных ДПТ параллельного и независимого возбуждения [2] была предложена приближенная эмпирическая формула, связывающая номинальные значения КПД и мощности на валу двигателей, справедливая для диапазона мощностей от 15 Вт до 1250 Вт:

η=-0,05+0,3*lgРном, Рном в [Вт]

У ДПТ мощностью 10 кВт КПД состав­ляет 83–87%, мощностью 100 кВт — 88–93% и мощностью 1000 кВт — 92–96%. Лишь малые машины имеют относительно низкие КПД. Например, у ДПТ мощно­стью 10 Вт КПД 30–40% [32].

5) КПД ДПТ, предназначенного для работы в длительном режиме, больше, чем КПД ДПТ, предназначенного для работы в повторно-кратковременном или кратковременном режиме (при одинаковой мощности и типоразмере).

ДПТ одного типоразмера, работающий в повторно-кратковременном или кратковременном режиме, проектируется на повышенные электромагнитные нагрузки, и потому КПД его работы более низкий, чем при длительном режиме работы.

Сравнительно низкое номинальное напряжение большинства ДПТ на ЛА приводит к тому, что даже небольшие падения напряжения в контактных соединениях вызывают относительно большие понижения напряжения на зажимах электродвигателей, что ухудшает их электромеханические характеристики. По этой причине большую роль играет переходное сопротивление между коллектором и щетками, которое создает при номинальном токе падение напряжения до 10% от подводимого к зажимам двигателя напряжения [7].

Основную часть потерь в ДПТ составляют потери в меди и в переходном контакте коллектор-щетки. Потери на трение и в стали составляют не более 15-30% от всех потерь.

2.9. Баланс мощностей

Развиваемая электромагнитным моментом М мощность Рэм называется электромагнитной мощностью:

Рэм = МW. (13)

С учетом выражений (3) и (10) электромагнитную мощность можно выразить и так:

Рэм = EIя. (14)

Уравнение для напряжения на обмотке якоря

U= E+IяRяц (15)

Умножим обе части уравнения на Iя и перейдем к уравнению для мощностей

U Iя = E Iя +Iя 2Rя. ц (16)

Р1 = Рэм + DРэ, (17)

где Р1 – электрическая мощность на зажимах якоря (равна потребляемой мощности без учета потерь в переходном контакте щетка-колектор); DРэ – электрические потери в обмотке якоря.

С учетом (5) электромагнитная мощность превышает мощность на валу на величину потерь в стали и механических потерь:

Рв=Рэм–DРст–DРмех. (18)

В результате, с учетом (17) и (18) баланс мощностей может быть записан следующим образом:

Р1= Рв+DРэ+DРст+DРмех (19)

Элек­трическая мощность, подводимая к якорю из внешней цепи, частично расходуется на потери в обмотке якоря и превращается в мощность электромагнит­ного поля. Эта мощность за вычетом потерь на трение и потерь в стали якоря передается нагрузке [32].

2.10. Выбор номинальной мощности ДПТ

Рассмотрим зависимости электромагнитной мощности Рэм, потребляемой мощности Р1, электрических потерь DРэ и электрического КПД hэ от тока якоря.