直接起动式直流起动

引言

随着电力电子技术和交流调速技术的迅速发展,交流电机在越来越多的场合取代了直流电机。但在一些特殊场合,直流电机以其良好的调速特性,较大的过载能力,能实现频繁的无级快速起动、制动,拥有成熟的制造和控制技术等优势,在航空、航天、舰船、电源车等独立电力系统中,特别是在变速控制、转矩控制、位置控制等需要宽范围、高要求的电气调速领域,仍然起着重要作用。

本文在对比分析了直流电机两种起动方式的起动过程和特点的基础上,分析了影响直流电机的换向性能的因素以及电刷宽度与电抗电动势间的关系,对某型直接起动式直流起动/发电机的起动换向性能进行优化设计,通过理论分析和试验结果表明了此优化设计对提高其起动换向性能的有效性。

1直流起动/发电机的起动方式特点

从电路方面看,直流起动/发电机起动瞬间转速n=0,反电势E=0,而电枢电阻Ra很小,则:

从式(1)中可以看出,起动电流Ist将达到很大的数值,使得电机本身遭受很大的电磁力冲击,严重时还会损坏电机,因此通常需要限制起动电流。起动/发电机的分级式起动是为了限制过大的起动电流而设计的,而直接起动没有任何限制起动电流的措施。此外,虽然直接起动时起动电流大,但由于起动转矩与起动电流成正比关系,所以直接起动能获得最大的起动转矩,而且其起动操作简单,不需要添加任何起动设备[3],但大的起动电流对电机的换向性能要求很高。

在经典换向理论中认为,换向元件内的电动势e由两部分组成,一部分是电抗电动势er,另一部分是旋转电动势ek,两者之和xe=er+ek,对于换向良好的电机,ek与er大小相当,方向相反,即xe50。

2起动/发电机的起动换向优化

本文以设计的某型4极37槽10kw航空直流起动/发电机为例进行起动换向优化设计,电机的二维平面结构如图1所示。为改善电机起动换向性能,本文主要对不同宽度电刷进行分析,并进行无火花换向试验,进一步优化换向设计。

图1电机平面结构图

本电机选用黑色双叠式电刷,电刷长x高的规格为20mmx32mm,电刷宽分别采用8.56mm、10.56mm、12b56mm三种规格,电刷在几何中心线上。

2.1电刷宽度Bb与电抗电动势er的关系

换向元件中的电势xe=er+ek,其中电抗电动势er对换向过程影响最大,er的减小有助于减小附加换向电流,从而有助于改善换向。电刷宽度Ba的变化将直接影响到电抗电动势er的大小,如下式所示:

式中,Iy为电枢电流;a为绕组并联支路对数;n为电机转速;ui为每个元件匝数;入＋为槽磁导系数,入2为齿磁导系数,入s为端部绕组漏磁导系数;L为铁芯有效长度;Ls为线部长度;8为电刷覆盖片数;.'为同槽中并列元件边数平均值;Dk为换向器直径。

式中,by为电刷覆盖系数,Bk为换向片宽度。

当电机一定、负荷一定时,有:

式中,8e=28Ls入s×10-6。

由上式可知,在改变电刷宽度Ba时,可以使得er减小。

2.2无火花换向区试验

为了考核电机的换向性能,需要对电机进行无火花换向区试验。通过无火花换向试验,得出3种不同宽度电刷的无火花换向区,如图2所示。从图中可以看出,随着电枢电流的增加,3种宽度的电刷其无火花换向区均减小;随着电刷宽度的增加,无火花换向区加宽且趋于对称。对应无火花换向区宽度如表1所示,电刷宽度12b56mm的换向效果均好于其他两种电刷宽度,使用12b56mm的电刷宽度,基本上杜绝了换向火花。

随着电刷宽度Ba的增加,电抗电动势会随之减小,但也有一定的限度。随着电刷宽度的增加,电刷覆盖换向片数8值也会增加,使得.'增加,这将导致er反而增加,另外:

式中,7为换向周期,7=by/Vk,by为电刷覆盖系数,Ao为磁通变化量。

由式(5)可知,当换向器线速度vk一定时,ba越大则T越大,电流及磁通的变化率就越小,er就越小。如果Bb增加的同时,8和u'也在增加,它们都将影响er的变化,只有u'的增加速度较Bb小的时候,才能实现增加电刷宽度来减小电抗电动势的目的。

3结语

通过对比分析直流起动/发电机直接起动与分级起动的过程和特点,分析了影响直流电机的换向性能的因素,当换向器的结构一样时,采用不同宽度的电刷,其换向过程不一样,换向元件中电流的变化规律也不一样:电刷宽度越大,电流的变化率会变缓,从而可以减小电抗电势的大小,进而减小附加电势的大小,有利于换向。本文对某型4极37槽10kw航空直流起动/发电机进行换向优化设计,在通过对3种不同宽度电刷进行无火花换向试验后,优选了电刷宽度。另外,由于电刷宽度越大,被电枢短路的元件越多,支路电势越小,电机的电磁功率将下降,当同槽中并列元件边数的增加速度大于电刷宽度的增加速度时,电抗电动势反而会增加,不利于换向,所以需要合理选择增加电刷宽度,从而达到改善换向性能的目的。