Какие способы улучшения коммутации применяются в машинах постоянного тока

Способы улучшения коммутации в машинах постоянного тока.

Основная причина неудовлетворительной коммутации в машинах постоянного тока – добавочный ток коммутации.

Из перечисленных сопротивлений наибольшее значение имеют сопротивление щетки и переходного контакта.

Из полученного выражения следует, что уменьшить ток i_Д, а следовательно улучшить коммутацию, можно либо увеличением сопротивления Σr_к, либо уменьшением суммарной ЭДС Σе в коммутирующей секции.

Отсюда вытекают способы улучшения коммутации. Рассмотрим некоторые из них.

Выбор щеток. Целесообразно выбирать щетки с большим электрическим сопротивлением. Однако допустимая плотность тока в этих щетках невелика, а поэтому их применение в машинах с большим рабочим током ведет к необходимости увеличения площади щеточного контакта, что требует увеличения длины коллектора, а следовательно и габаритов машины. Поэтому щетки с большим электрическим сопротивлением применяют в машинах с небольшим рабочим током (в высоковольтных машинах).

Увеличению переходного сопротивления щеточного контакта, а следовательно улучшению коммутации, способствует политура коллектора – тонкая оксидная пленка на поверхности коллектора, обладающая повышенным электрическим сопротивлением.

Уменьшение реактивной ЭДС.Существенное влияние насуммарную ЭДС в коммутирующей секции оказывает реактивная ЭДС е_р = е_L+е_М.

1) ЭДСвзаимоиндукции е_М в значительной степени зависит от ширины щетки: чем шире щетка, тем большее число секций под ней одновременно коммутирует, что вызывает увеличение ЭДС взаимоиндукции е_М.

Наиболее целесообразны щетки шириной 2-3 коллекторные пластины. Более узкие щетки нежелательны из-за недостаточной механической прочности, а также потому, что для создания необходимой площади щеточного контакта пришлось бы увеличивать её длину, а следовательно и габариты машины.

При применении обмоток с укороченным шагом (у₁

Источник

Способы улучшения коммутации

Для создания хороших условий коммутации необходимо прежде всего обеспечить надлежащее состояние коллектора и щеточного аппарата, чтобы устранить механические причины искрения.

Ниже рассмотрены способы обеспечения необходимых электромагнитных условий коммутации, ограничивающих добавочный ток коммутации, что по (6.6) возможно уменьшением ЭДС или увеличением сопротивления цепи коммутируемой секции. Эти способы сводятся к созданию коммутирующей ЭДС с помощью добавочных полюсов или сдвига щеток с геометрической нейтрали, уменьшению реактивной ЭДС (ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции), увеличению сопротивления щеточных контактов.

Основным способом улучшения коммутации в современных машинах постоянного тока является создание коммутирующего магнитного поля с помощью добавочных полюсов.

Добавочные полюсы устанавливают между гла-вными полюсами (рис. 6.4) и крепят болтами к ярму индуктора. МДС добавочных полюсов должна быть направлена против МДС реакции якоря , чтобы скомпенсировать ее и создать коммутирующее поле для компенсации реактивной ЭДС . При отсутствии компенсационной обмотки > , а при наличии ее > . В последнем случае требуемая величина меньше, так как основная доля реакции якоря компенсируется компенсационной обмоткой.

Обмотки добавочных полюсов включают так, чтобы за главным полюсом данной полярности по направлению вращения якоря в режиме генератора следовал добавочный полюс противоположной полярности, а в режиме двигателя – добавочный полюс той же полярности.

Так как величины и пропорциональны току якоря, то для их компенсации и также должны быть пропорциональны току якоря. Для этого обмотку добавочных полюсов соединяют последовательно с якорем, а добавочные полюсы выполняют с ненасыщенной магнитной системой. Поэтому при номинальной нагрузке в них допускается индукция не больше 0,8 – 1,0 Тл. На отдельных участках ярма индуктора магнитные поля главных и добавочных полюсов складываются, поэтому во избежание насыщения этих участков индукция главного поля в ярме должна быть не более 1,3 Тл. Сердечники добавочных полюсов изготовляют массивными из стальной поковки или из листовой стали.

При относительно малом полезном магнитном потоке, добавочных полюсов их МДС приходится брать большой, так как значительная часть расходуется на компенсацию . По этой причине коэффициент рассеяния добавочных полюсов велик: s = 3 – 5 при отсутствии компенсационной обмотки и s = 2 – 3 при наличии ее. Для уменьшения рассеяния обмотку добавочных полюсов размещают ближе к якорю, подразделяя при необходимости воздушный зазор на две части путем создания второго немагнитного зазора между ярмом и сердечником добавочного полюса с помощью немагнитных прокладок.

Добавочные полюсы применяют в машинах мощностью более 0,3 кВт. Обычно число добавочных полюсов равно числу главных. В машинах мощностью до 2 кВт иногда делают половинное число добавочных полюсов.

Если поток главных полюсов изменяется пропорционально току якоря (машины с последовательным возбуждением), то при определенном фиксированном положении щеток можно достичь хороших условий коммутации в широком диапазоне изменения нагрузки. Если же , то наилучшие условия коммутации достигаются только при одной, определенной нагрузке. Установку щеток производят на глаз, наблюдая за искрением.

Снижение величины реактивной ЭДС также способствует улучшению коммутации. Численное значение ЭДС

(6.I7)

Увеличение сопротивления «петушков» приводит к уменьшению КПД машины и не может быть рекомендовано как средство улучшения коммутации. Существенным является подбор щеток с надлежащими характеристиками. При тяжелых условиях коммутации лучше работают твердые графитные щетки с повышенным сопротивлением переходного контакта. В этом случае электрические потери в переходном контакте и механические потери больше. Щетки с круто поднимающейся вольт-амперной характеристикой благоприятны с точки зрения уменьшения плотности тока на сбегающем краю щетки и способствуют улучшению коммутации. Медно-графитные щетки, обладающие малым переходным сопротивлением, применяются только в машинах на напряжение до 25-30 В.

При резко переменной нагрузке эффективной мерой улучшения коммутации является применение компенсационной обмотки, которая предотвращает опасность возникновения кругового огня, а также улучшает условия действия добавочных полюсов.

Источник

Средства улучшения коммутации в МПТ (машин постоянного тока)

Современные средства улучшения коммутации сводятся, главным образом, к устранению коммутационных и потенциальных причин искрения.

1. Применение добавочных полюсов.

Безыскровая коммутация в машине будет при прямолинейной коммутации и имеет место если i_к=0. Добавочный ток i_к полностью исчезает, если коммутационная ЭДС е_к уравновешивает реактивную ЭДС e_p. Для создания соответствующей e_к в зоне коммутации между главными полюсами устанавливают добавочные полюсы. МДС (магнитодвижущая сила) добавочных полюсов F_к должна быть направлена против МДС реакции якоря F_q, чтобы скомпенсировать ее в зоне коммутации (ЭДС от поля реакции якоря стремится замедлить коммутацию) и создать, сверх того, поле для компенсации реактивной ЭДС e_p. Важно при этом правильно определить полярность добавочных полюсов: в генераторе за главным полюсом должен следовать по направлению вращения добавочный полюс противоположной полярности, а в двигателе наоборот (рис. 1).

Рис.1 — Расположение добавочных полюсов и компенсационной обмотки в машинах постоянного тока

Для того, чтобы компенсация ЭДС e_p и e_ксуществовала при всех значениях тока якоря, обмотка добавочных полюсов соединяется последовательно с якорем, а сердечник этих полюсов делается ненасыщенным. В малых машинах без добавочных полюсов требуемая компенсация может быть достигнута путем некоторого сдвига щеток, а следовательно и коммутационной зоны с геометрической нейтрали: у генераторов – в сторону вращения якоря, у двигателей – против его вращения.

2. Применение компенсационной обмотки.

Для эффективной компенции МДС поперечной реакции якоря и улучшения коммутации в полюсных наконечниках главных полюсов предусматривают устройство пазов, в которые укладывают компенсационную обмотку (рис.1). Эта обмотка включается последовательно в цепь якоря с целью автоматической компенсации F_q при всех нагрузках. Закон распределения МДС компенсационной обмотки в воздушном зазоре имеет вид почти зеркального отображения МДС реакции якоря F_q.

3. Применение твердых сортов щеток.

Некоторое уменьшение тока можно достигнуть увеличением сопротивления контакта щеток R_щ, что осуществляется применением более твердых сортов. В машинах постоянного тока применяют угольно–графитные (УГ), графитные (Г), электрографитированные (ЭГ), медно–графитные (МГ) и бронзо–графитные (БГ) щетки. С целью улучшения коммутации целесообразно применять твердые щетки (УГ, Г, ЭГ), так как они обладают наибольшей величиной переходного сопротивления. Однако допускаемая плотность тока твердых щеток невелика, поэтому их применение ведет к необходимости увеличения площади щеточного контакта, что требует увеличения габаритов коллектора. На судах обычно используются графитные и электрографитированные щетки. Для этих же целей в крупных машинах применяют разрезные щетки, которые обеспечивают, кроме того, и лучший контакт щетки с коллектором.

4. Нормальные условия охлаждения.

Чрезмерный нагрев щеток и коллектора может явиться дополнительной причиной искрения. Кроме того, опыт эксплуатации машин постоянного тока показывает, что безыскровая и длительная работа коллектора наблюдается при образовании на поверхности коллектора устойчивой оксидной пленки, которая образуется только при определенной влажности, температуре и чистоте охлаждающей среды.

Источник

Способы улучшения коммутации на коллекторе

Для создания хороших условий коммутации необходимо прежде всего обеспечить надлежащее состояние коллектора и щеточного аппарата, чтобы устранить механические причины искрения. Ниже рассматриваются способы обеспечения необходимых электромагнитных условий коммутации. Эти способы направлены на уменьшение добавочного тока коммутации или тока короткого замыкания коммутируемой секции и сводятся к следующим мероприятиям: 1) созданию коммутирующей электродвижущей силы (э. д. с.) с помощью добавочных полюсов или сдвига щеток с геометрической нейтрали, 2) уменьшению реактивной э. д. с. и 3) увеличению сопротивления цепи коммутируемой секции.

Добавочные полюсы

Основным способом улучшения коммутации в современных машинах постоянного тока является создание коммутирующего магнитного поля с помощью добавочных полюсов.

Добавочные полюсы устанавливаются между главными полюсами (рисунок 1) и крепятся болтами к ярму индуктора. Намагничивающая сила добавочных полюсов F_д.п должна быть направлена против намагничивающей силы реакции якоря F_aq, чтобы скомпенсировать ее и создать сверх того коммутирующее поле B_к для компенсации реактивной э. д. с. e_r. Следовательно, при отсутствии компенсационной обмотки F_д.п > F_aq, а при наличии ее F_д.п + F_к.о > F_aq. В последнем случае требуемое значение F_д.п меньше, так как основная доля реакции якоря компенсируется компенсационной обмоткой.

Рисунок 1. Расположение и полярность добавочных полюсов

Учитывая сказанное, на основании рисунка 1 можно сформулировать правило.

За главным полюсом данной полярности по направлению вращения якоря в режиме генератора должен следовать добавочный полюс противоположной полярности, а в режиме двигателя – добавочный полюс той же полярности.

Так как величины F_aq и e_r пропорциональны току якоря, то для их компенсации F_д.п и B_к также должны быть пропорциональны току якоря. Для удовлетворения этого условия обмотку добавочных полюсов соединяют последовательно с якорем, а добавочные полюсы выполняют с ненасыщенной магнитной системой. Поэтому при номинальной нагрузке в них допускается индукция не больше 0,8 – 1,0 Т. Так как на отдельных участках ярма индуктора магнитные поля главных и добавочных полюсов складываются, то во избежание насыщения этих участков индукция главного поля в ярме должна быть не больше 1,3 Т. Сердечники добавочных полюсов изготавливаются массивными из стальной поковки или листовой стали.

При таком устройстве добавочных полюсов индуктируемая ими коммутирующая э. д. с.

С другой стороны, реактивная э. д. с. Также пропорциональна I_аv_а:

Потому соблюдение условия e_к = e_r при изменении нагрузки и скорости вращения достигается автоматически.

При относительно малом полезном магнитном потоке добавочных полюсов их намагничивающую силу F_д.п приходится брать большой, так как значительная часть F_д.п (75 – 85%) расходуется на компенсацию F_aq. По этой причине коэффициент рассеяния добавочных полюсов велик: σ_д = 3 – 5 при отсутствии компенсационной обмотки и σ_д = 2 – 3 при наличии ее. Если обмотка добавочных полюсов располагается далеко от якоря (рисунок 2, а), то возникает большой поток рассеяния. Для уменьшения рассеяния обмотку добавочных полюсов размещают ближе к якорю (рисунок 2, б), а в крупных машинах, кроме того, подразделяют воздушный зазор на две части путем создания второго немагнитного зазора между ярмом и сердечником добавочного полюса (рисунок 2, б) с помощью немагнитных прокладок (н.п.), например, из меди, дюралюминия или гетинакса.

Рисунок 2. Добавочные полюсы с неподразделенным (а) и подразделенным (б) немагнитным зазором

Добавочные полюсы применяются в машинах с P_н > 0,3 кВт. 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.

Коммутация создает электромагнитные колебания частотой 1000 – 3000 Гц, которые распространяются по электрической сети, присоединенной к машине. Эти колебания вызывают радиопомехи, затрудняющие работу радиоприемной и другой радиотехнической аппаратуры. Для борьбы с этими помехами производят симметрирование цепи якоря машины, то есть обмотки, включенные последовательно с якорем, в том числе и обмотку добавочных полюсов, разбивают на две части, которые присоединяют к щеткам противоположной полярности (рисунок 3). Кроме того, между щетками разных полярностей и корпусом машины присоединяют конденсаторы для шунтирования высокочастотных колебаний на зажимах машины.

Рисунок 3. Подавление радиопомех

Улучшение коммутации путем сдвига щеток

В машинах мощностью до нескольких сотен ватт добавочных полюсов не ставят. Коммутирующее поле при этом можно создать путем сдвига щеток с геометрической нейтрали, благодаря чему в зоне коммутации начнет действовать поле главных полюсов (рисунок 4). Чтобы индуктируемая этим полем в коммутируемой секции э. д. с. e_к имела правильное направление, поле главных полюсов в зоне коммутации должно быть направлено против поля реакции якоря.

Рисунок 4. Улучшение коммутации путем сдвига щеток с геометрической нейтрали

Для этого в генераторе щетки необходимо повернуть в сторону вращения, а в двигателе – наоборот (рисунок 4).

Если поток главных полюсов Ф_σ изменяется пропорционально току якоря (машины с последовательным возбуждением), то при определенном, фиксированном положении щеток можно достичь хороших условий коммутации в широком диапазоне изменения нагрузки. Если же Ф_σ = const, то наилучшие условия коммутации достигаются только при одной, определенной нагрузке.

Установку щеток производят на глаз, наблюдая за искрением.

Уменьшение реактивной э. д. с.

Для обеспечения хорошей коммутации необходимо, чтобы e_r ≤ 7 – 12 В.

Зависимость e_r от различных величин очевидна из равенства:

При этом надо отметить, что уменьшение линейной токовой нагрузки якоря A_а нецелесообразно с точки зрения использования материалов, а величины v_а = π × D_а × n и l_σ определяются номинальной мощностью машины. Следовательно, ограничение e_r зависит от возможностей уменьшения w_с и ξ.

В машинах мощностью более 50 кВт всегда w_с = 1.

Уменьшение ξ возможно за счет ослабления взаимной индукции между коммутируемыми секциями, что достигается укорочением шага на величину не более одного зубцового деления и применением ступенчатой обмотки. В последнем случае взаимоиндуктивная связь между секциями ослабляется вследствие того, что если верхние стороны u_п секций находятся в одном пазу, то их нижние стороны располагаются в разных пазах (рисунок 5, б).

Рисунок 5. Укладка секций равносекционной (а) и ступенчатой (б) обмоток при u_п = 2

Определенное снижение ξ получается также, если увеличивать высоту сечения проводника в пазу якоря. В этом случае вследствие эффекта вытеснения тока во время коммутации уменьшается индуктивность проводника и секции.

В петлевых обмотках при отсутствии уравнителей первого рода токи отдельных параллельных ветвей различны и поэтому различны также реактивные э. д. с. секций, коммутируемых различными щетками, и намагничивающие силы реакции якоря в зонах различных добавочных полюсов. Однако намагничивающие силы всех добавочных полюсов равны, так как они определяются полным током якоря. Вследствие сказанного равновесие между реактивной и коммутирующей э. д. с. нарушается и наступает расстройство коммутации. При наличии уравнителей первого рода указанные неблагоприятные обстоятельства устраняются.

Перспективно применение машин постоянного тока с беспазовым якорем, в которых обмотка якоря укладывается и укрепляется на поверхности цилиндрического якоря. В этом случае потоки рассеяния (рисунок 6) ослабляются, и поэтому реактивная э. д. с. значительно уменьшается. Уменьшается также реакция якоря. Такие машины имеют тот недостаток, что немагнитный зазор между полюсами и якорем увеличивается и требуется значительно более сильная обмотка возбуждения.

Рисунок 6. Магнитные потоки рассеяния секции

Увеличение сопротивления цепи коммутируемой секции

в принципе возможно за счет выполнения «петушков» с повышенным сопротивлением. Однако это приводит к уменьшению коэффициента полезного действия (к. п. д.) машины, а также к увеличению плотности тока у сбегающего края щетки (рисунок 7, б). Кроме того, такие «петушки» ненадежны в работе.

Существенным является подбор щеток с надлежащими характеристиками. При тяжелых условиях коммутации лучше работают твердые графитные щетки с повышенным переходным сопротивлением переходного контакта, однако при этом электрические потери в переходном контакте и механические потери на трение также больше. Щетки с круто поднимающейся вольт-амперной характеристикой благоприятны с точки зрения уменьшения плотности тока на сбегающем краю щетки и способствуют улучшению коммутации. Медно-графитные щетки, обладающие малым переходным сопротивлением, применяются только в машинах на напряжение до 25 – 30 В.

Для улучшения коммутации предложен ряд других мер, которые, однако, не находят широкого применения.

Улучшение коммутаций при переходных режимах и пульсирующем токе

Выше основное внимание уделялось коммутации при нормальных установившихся режимах работы. При резких переходных режимах (толчкообразная и пульсирующая нагрузка, сильные перегрузки, короткие замыкания и т. п.), а также при питании машин постоянного тока, в особенности от однофазной сети (например, железные дороги, электрифицированные на переменном токе), условия коммутации ухудшаются.

Одной из причин ухудшения коммутации при указанных условиях может являться наличие трансформаторной э. д. с. e_тр, которая возникает при изменении магнитного потока главных полюсов. Компенсация этой э. д. с. с помощью добавочных полюсов практически невозможна, так как закономерности изменения e_тр и e_к различны. В частности, e_тр вовсе не зависит от скорости вращения. Поэтому в необходимых случаях принимают меры к уменьшению e_тр. Например, в тяговых двигателях постоянного тока, устанавливаемых на электровозах переменного тока с выпрямителями, обмотки возбуждения главных полюсов шунтируются активными сопротивлениями. Вследствие большой индуктивности обмотки возбуждения пульсирующая составляющая выпрямленного тока при этом будет ответвляться в шунтирующее сопротивление и поток главных полюсов не будет содержать этой составляющей.

При быстрых изменениях тока в цепи якоря поток добавочных полюсов вследствие возникновения вихревых токов в массивной магнитной цепи и создаваемых ими магнитных потоков не будет изменяться пропорционально току якоря и компенсация реактивной э. д. с. нарушится. Улучшить коммутацию при этом можно с помощью индуктивной катушки, присоединяемой параллельно обмотке добавочных полюсов. Если постоянная времени

индуктивной катушки значительно больше постоянной времени обмотки добавочных полюсов, то ток в этой катушке будет меняться весьма медленно по сравнению с током в обмотке добавочных полюсов. Поэтому резкие изменения тока якоря ΔI воспринимаются этой обмоткой, и так как через нее проходит только часть полного тока якоря, то относительное изменение тока в обмотке добавочных полюсов будет больше, чем в обмотке якоря. Такая «форсировка» тока обмотки добавочного полюса позволяет добиться более быстрого изменения его магнитного потока и тем самым компенсировать в определенной мере влияние вихревых токов в магнитопроводе. Однако наиболее эффективной мерой улучшения коммутации в машинах с резко изменяющейся нагрузкой или при сильных пульсациях питающего тока является изготовление сердечников добавочных полюсов, а также ярма машины из листовой электротехнической стали.

Эффективной мерой улучшения коммутации при резко переменной нагрузке является также применение компенсационной обмотки, которая предотвращает опасность возникновения кругового огня, а также улучшает условия действия добавочных полюсов.

При значительных перегрузках машины, а в особенности при коротких замыканиях. сердечники добавочных полюсов насыщаются прежде всего за счет больших потоков рассеяния. В этом случае с помощью добавочных полюсов уже нельзя обеспечить компенсацию реактивной э. д. с. и коммутация сильно ухудшается. При наличии компенсационной обмотки поток рассеяния добавочных полюсов значительно уменьшается, в результате чего область их правильного действия увеличивается.

Источник: Вольдек А.И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.

Источник