Коммутация в машинах постоянного тока

Под коммутацией в машинах постоянного тока понимают явления, вызванные изменением направления тока в проводниках обмотки якоря при переходе их из одной параллельной ветви в другую, т. е. при пересечении линии, по которой расположены щетки (от лат. commulatio — изменение). Рассмотрим явление коммутации на примере кольцевого якоря.

На рис. 1 показана развертка части обмотки якоря, состоящей из четырех проводников, части коллектора (две коллекторные пластины) и щетки. Проводники 2 и 3 образуют коммутируемый виток, который на рис. 1, а показан в положении, которое он занимает до коммутации, на рис. 1, в — после коммутации, а на рис. 1, б — в период коммутации. Коллектор и обмотка якоря вращаются в указанном стрелкой направлении с частотой вращения п, щетка неподвижна.

В момент времени до коммутации ток якоря Iя проходит через щетку, правую коллекторную пластину и разделяется между параллельными ветвями обмотки якоря пополам. Проводники 1, 2 и 3 и проводник 4 образуют разные параллельные ветви.

После коммутации проводники 2 и 3 перешли в другую параллельную ветвь и направление тока в них изменилось на противоположное. Это изменение произошло за время, равное периоду коммутации Тk, т. е. за время, которое требуется, чтобы щетка перешла с правой пластины на соседнюю левую (в действительности щетка перекрывает сразу несколько пластин коллектора, но в принципе это не влияет на процесс коммутации).

Рис. 1. Схема процесса коммутации тока

Один из моментов периода коммутации показан на рис. 1, б. Коммутируемый виток оказывается замкнутым накоротко коллекторными пластинами и щеткой. Так как за период коммутации происходит изменение направления тока в витке 2—3, то это означает, что по витку протекает переменный ток, создающий переменный магнитный поток.

Последний индуцирует в коммутируемом витке э. д. с. самоиндукции еL, или реактивную э. д. с. Согласно принципу Ленца, э. д. с. самоиндукции стремится поддержать в проводнике ток прежнего направления. Следовательно, направление еL совпадает с направлением тока в витке до коммутации.

Под действием э. д. с. самоиндукции в короткозамкнутом витке 2—3 протекает большой дополнительный ток iд, так как сопротивление контура мало. В месте контакта щетки с левой пластиной ток iд направлен противоположно току якоря, а в месте контакта щетки с правой пластиной направление этих токов совпадает.

Чем ближе к окончанию периода коммутации, тем меньше площадь контакта щетки с правой пластиной и тем больше плотность тока. По окончании периода коммутации контакт щетки с правой пластиной разрывается и образуется электрическая дуга. Чем больше ток iд, тем мощнее электрическая дуга.

Если щетки располагаются на геометрической нейтрали, то в коммутируемом витке магнитным потоком якоря индуцируется э. д. с. вращения евр. На рис. 2 в увеличенном масштабе показаны проводники коммутируемого витка, расположенные на геометрической нейтрали, и направление э. д. с. самоиндукции еL для генератора, совпадающее с направлением тока якоря в этом проводнике до коммутации.

Направление евр определяется по правилу правой руки и всегда совпадает с направлением еL. В результате iд еще больше увеличивается. Возникающая электрическая дуга между щеткой и коллекторной пластиной может разрушить поверхность коллектора, в результате чего ухудшается контакт между щеткой и коллектором.

Рис. 2. Направление э.д.с. в коммутирующем витке

Для улучшения условий коммутации сдвигают щетки в сторону физической нейтрали. При расположении щеток на физической нейтрали коммутируемый виток не пересекает никакого внешнего магнитного потока и э. д. с. вращения не индуцируется. Если сдвинуть щетки дальше физической нейтрали, как показано на рис. 3, то в коммутируемом витке результирующий магнитный поток будет индуцировать э. д. с. ек, направление которой противоположно направлению э. д. с. самоиндукции еL.

Таким образом, будет скомпенсирована не только э. д. с. вращения, но и э. д. с. самоиндукции (частично или полностью). Как указывалось ранее, угол сдвига физической нейтрали все время меняется и поэтому щетки обычно устанавливают со сдвигом на некоторый средний угол по отношению к ней.

Уменьшение э. д. с. в коммутируемом витке приводит к уменьшению тока iд и ослаблению электрического разряда между щеткой и коллекторной пластиной.

Улучшить условия коммутации можно установкой добавочных полюсов (Nдп и Sдn на рис. 4). Добавочный полюс располагают по геометрической нейтрали. У генераторов одноименный добавочный полюс располагается за основным полюсом по ходу вращения якоря, а у двигателя — наоборот. Обмотки добавочных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря таким образом, чтобы создаваемый ими поток Фдп был направлен навстречу потоку якоря Фя.

Рис. 3. Направление э.д.с. в коммутируемом витке при сдвиге щеток за физическую нейтраль

Рис. 4. Схема включения обмоток добавочных полюсов

Так как оба эти потока создаются одним током (током якоря), то можно подобрать число витков обмотки добавочных полюсов и воздушный зазор между ними и якорем такими, чтобы потоки были равны по значению при любом токе якоря. Поток добавочных полюсов будет всегда компенсировать поток якоря и, таким образом, э. д. с. вращения в коммутируемом витке будет отсутствовать.

Добавочные полюсы обычно делают такими, чтобы их поток индуцировал в коммутируемом витке э. д. с, равную сумме еL + евр. Тогда в момент отрыва щетки от правой коллекторной пластины (см. рис. 1, в) электрическая дуга не возникает.

Выпускаемые промышленностью машины постоянного тока мощностью 1 кВт и выше снабжены добавочными полюсами.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Коммутация в машинах постоянного тока

Коммутацией в электрических машинах называется процесс переключения секций обмотки из одной параллельной ветви в другую и связанные с этим явления. В процессе коммутации ток коммутируемой секции меняет направление на обратное. На рис. 6 показаны секции обмотки якоря и щётка. Токи в секциях справа и слева от щётки имеют разное направление. Секция, присоединённая к коллекторным пластинам, которые контактируют в данное время со щёткой (щётка замыкает секцию накоротко) называется коммутируемой. Время замыкания щёткой коммутируемой секции накоротко, называется периодом коммутации Т_К.

Рис.6. Коммутация в машине постоянного тока.

Процесс переключения секции протекает достаточно быстро: время коммутации одной секции (период коммутации Тк), составляет примерно 0,001 – 0,0003 с. Явления, происходящие при коммутации, существенно влияют на надёжность и долговечность работы машины постоянного тока.

При плохой коммутации появляется значительное искрение под щетками и связанное с ним обгорание коллектора.

Период коммутации зависит от ширины щётки b_щ и окружной скорости коллектора v_k

Рис.7 Схема для расчёта тока коммутируемой секции

Характер процесса коммутации зависит от закона изменения тока коммутируемой секции i_КС за период коммутации. Для определения тока коммутируемой секции сделаем следующие допущения:

-переходное сопротивление между щёткой и пластиной зависит только от площади контакта пластины со щёткой, для пластины 2 на рис.7 это S_щ1= b_щ1l_Щ, для пластины 3 на рис.7 это S_щ2= b_щ2l_Щ, где l_Щ-длина щётки, b_щ1+ b_щ2= b_щ;

-ширина щётки b_щ равна ширине коллекторной пластины;

-активными сопротивлениями секции и коллекторных платин можно пренебречь.

На рис. 7 изображена схема простой петлевой обмотки. для простых волновых обмоток процесс коммутации происходит аналогично, щётка также перекрывает соседние коллекторные пластины, к которым присоединены секции волновой обмотки. Для сложных обмоток щётки делают более широкими, чтобы они одновременно перекрывали секции всех параллельных ветвей сложной обмотки, но процесс коммутации, при этом, мало отличается от коммутации в петлевой обмотке.

Процесс коммутации при заданном направ­лении вращения якоря (рис. 7 коммутация секции 1 начнет­ся с того момента, когда коллекторная пластина 3 войдет в со­прикосновение с правым краем щётки, который называют набе­гающим. С этого момента секция 1 будет замкнута щёткой накоротко и в ней будет происходить изменение тока i_КС (от + i_а до — i_а). При дальнейшем перемещении якоря через период ком­мутации Т_к коллекторная пластина 2 выйдет из соприкосновения со щёткой под её левым краем (сбегающим). В этот момент ком­мутация секции 1 закончится, секция перейдёт 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

В реальной машине всегда отлична от нуля. Сумму ЭДС коммутируемой секции можно разложить на две составляющие

где, e_р-реактивная ЭДС секции или ЭДС соответствующая индуктивному сопротивлению секции (любая секция обмотки якоря машины постоянного тока всегда обладает индуктивным сопротивлением); e_вр— ЭДС вращения или ЭДС наведённая в секции внешними магнитными полями. ЭДС вращения, при положительном знаке, усиливает реактивную ЭДС, а при отрицательном уменьшает. В последнем случае, при равенстве реактивной ЭДС и ЭДС вращения, происходит полная компенсация реактивной ЭДС секции, и только тогда коммутация становится прямолинейной.

Обозначив i_а =i_пр и i_д, где i_пр-ток коммутируемой секции при прямолинейной коммутации, i_д— добавочный ток коммутируемой секции, i_КС можно представитть в виде

Замедленная коммутация происходит в том случае, когда реактивная ЭДС е_р имеет большее значение, чем компенсирующая ее ЭДС вращения или при отсутствии e_вр, График изменения i_КС при замедленной коммутации показан на рис.9.

Рис.9 Замедленная коммутация

Для замедленной коммутации характерно искрение сбегающего края щётки. Такое искрение возникает, когда при завершении коммутации секции в момент времени t =T_к ток i_Д не успевает достигнуть нулевого значения и при размыкании секции происходи! его разрыв (рис. 10). Этот ток называется током разрыва i_раз. Чем больше ток разрыва, тем сильнее искрение под сбегающим краем щётки

Рис.10 Возникновение тока разрыва

Ускоренная коммутация происходит при перекомпенсации реактивной ЭДС, когда добавочный ток добавочный ток противоположен по знаку току прямолинейной коммутации и превосходит его по величине (рис.11).что наблюдается в машинах постоянного тока при сильной компенсации реактивной ЭДС. При ускоренной коммутации появляется добавочный ток i_Д, противоположно направленный по сравнению с током замедленной коммутации. Следовательно, ток коммутируемой секции будет изменяться быстрее, чем при прямолинейной коммутации, а плотность тока под набегающей частью щётки будет больше, чем под сбегающей.

Рис.11 Ускоренная коммутация

Рис.11 Ток коммутируемой секции при сильном 1 и небольшом ускорении коммутации

Оптимальным считает коммутация ускоренная на 15% по сравнению с прямолинейной.

Источник

Коммутация машин постоянного тока

Основные явления. Коммутацией в электрических машинах называется процесс переключения секций обмотки из одной параллельной ветви в другую и связанные с этим явления. На рис. 1.13, а показана секция перед коммутацией на рис. 1.13,б – секция в процессе коммутации (замкнутая накоротко через щетки 1, 2), на рис. 1.13,в – секция после коммутации.

Процесс переключения секции протекает достаточно быстро: время коммутации одной секции, называемое периодом коммутации Тк, составляет примерно 0,001 – 0,0003 с. Явления, происходящие при коммутации, существенно влияют на надежность и долговечность работы машины постоянного тока.

При плохой коммутации появляется значительное искрение под щетками и связанное с ним обгорание коллектора.

Ток i в короткозамкнутой секции 2 за время Тк меняет свое направление на противоположное: от +Iа до – Iа (рис. 1.14), где Iа – ток в параллельной ветви. Вследствие изменения тока в секции наводится ЭДС самоиндукции

.

Кроме этого, коммутируемая секция, если щетки расположены на геометрической нейтрали, пересекает поперечное поле якоря и поэтому в ней наводится ЭДС , называемая ЭДС вращения, где B_П – индукция поперечного поля. Обе ЭДС вызывают ток коммутации i_К, который замыкается по цепи: секция, коллекторная пластина, щетка, коллекторная пластина, секция (штриховая линия на рис. 1.13,б). От сопротивления этой цепи, а также от значений и направления е_L и зависит значение и направление тока i_К. Кроме того, по коммутируемой секции протекает часть тока якоря.

Если е_L и направлены навстречу друг другу и равны, то е_L + = 0 и ток в коммутируемой секции изменяется по закону i = Iа (1 – 2t / Tк), т.е. линейно (рис. 1.14, прямая 1). В этом случае плотность тока под щеткой везде одинакова и не изменяется в процессе коммутации – искрение под щетками не наблюдается.

Однако практически е_L + ≠ 0. В этом случае ток i_К алгебраически суммируется с частью тока якоря в коммутируемой секции и общий ток в коммутируемой секции изменяется в соответствии с кривыми 2 или 3 (рис. 1.14). В первом случае коммутация называется замедленной, во втором – ускоренной. В обоих случаях плотность тока под щеткой неодинакова, особенно она велика в набегающей части щетки для генератора и в сбегающей – для двигателя. В результате возникает искрение под щеткой и на коллекторе.

Пути улучшения коммутации. В предыдущем параграфе были рассмотрены электромагнитные причины плохой коммутации. Однако к искрению под щетками могут приводить и механические причины: неравномерный износ коллектора и его вибрация, чрезмерный износ щеток, выступание отдельных коллекторных пластин и изоляции и т.д. С учетом этого улучшение коммутации возможно несколькими путями:

Ø обеспечением в машине прямолинейной или несколько ускоренной коммутации; это достигается созданием в зоне коммутации секции дополнительного магнитного поля такой величины и направления, чтобы е_L + = 0 ;

Ø увеличением сопротивления короткозамкнутой цепи секции в целях уменьшения тока короткого замыкания; это достигается применением твердых графитовых щеток с повышенным переходным сопротивлением (мягкие медно-графитовые щетки с малым переходным сопротивлением применяются только в тихоходных машинах на напряжение до 30 В);

Ø тщательным контролем за состоянием поверхности коллектора и щеток.

Главным средством улучшения коммутации в машинах средней мощности являются дополнительные полюсы. Магнитное поле дополнительных полюсов подбирается таким образом, чтобы е_L + = 0 или было несколько больше нуля.

Дополнительные полюсы устанавливаются у всех машин постоянного тока мощностью свыше 1 кВт. В крупных машинах применение дополнительных полюсов сочетается с установкой компенсационной обмотки. В машинах малой мощности (менее 1 кВт) коммутацию настраивают поворотом щеток по направлению вращения у генераторов, а у двигателей – против направления вращения за положение физической нейтральной линии. Практически это положение определяется на глаз по наименьшему искрению под щетками. Улучшение коммутации поворотом щеток – малоэффективный метод, так как при изменении нагрузки положение физической нейтральной линии изменяется, а положение щеток остается фиксированным.

Источник

ЯВЛЕНИЕ КОММУТАЦИИ В МАШИНАХ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Под коммутацией в машинах постоянного тока понимают процесс переключения секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую, сопровождающийся изменением направления тока в секциях. Направления и значения тока коммутируемой (переключаемой) секции в различных ее положениях относительно неподвижной щетки показаны на рис. 9.10.

В результате изменения тока в коммутирующей секции возникает ЭДС самоиндукции e_L.

Для увеличения механической прочности щеток их ширину выбирают обычно больше ширины коллекторной пластины. Вследствие этого щеткой замыкаются накоротко и одновременно коммутируются несколько секций. Последнее вызывает в каждой секции ЭДС взаимной индукции е_M. Кроме того, в секции возникает ЭДС е_v, вызываемая вращением секции в магнитном поле поперечной реакции якоря.

Сумма перечисленных ЭДС невелика. Однако, поскольку секция замкнута щеткой накоротко, это приводит к заметному дополнительному току в замкнутом контуре секции, в резуль­тате чего плотность тока под щеткой становится неодинаковой. Под сбегающим краем щетки плотность тока возрастает, что приводит к искрению под щеткой, особенно интенсивному в момент размыкания секции. Если не принять специальных мер для улучшения условий коммутации (уменьшения искрения под щетками), то наиболее ответственная часть машины — коллектор — через непродолжительное время выйдет из строя.

Рис. 9.10. К пояснению явления коммутации

Рис. 9.11. Полярность главных и дополнительных полюсов

Так как ЭДС e_v возникает вследствие вращения якоря в магнитном поле реакции якоря, то для ее уничтожения с помощью МДС дополнительных полюсов должно быть создано магнитное поле, от вращения в котором возникла бы ЭДС, направленная против e_v.Учитывая характер изменения результирующего магнитного поля при нагрузке генератора и двигателя с указанными направлениями их вращения (см. рис. 9.8, в), следует сказать: полярность дополнительного полюса генератора должна быть такой же, как последующего за ним по направлению вращения главного полюса (рис. 9.11); полярность дополнительного полюса двигателя должна быть такой же, как предшествующего ему по направлению вращения главного полюса. Выбирая соответствующее значение МДС обмотки дополнительных полюсов, можно скомпенсировать также ЭДС e_L и е_M.

Источник

§30. Коммутация

Под коммутацией в широком смысле слова понимают все явления и процессы, возникающие под щетками при работе коллекторных электрических машин. Если щетки искрят, то говорят, что машина имеет плохую коммутацию; если искрение отсутствует, то коммутацию называют хорошей. Качество коммутации в значительной степени определяет работоспособность машины и ее надежность в эксплуатации.

Причины искрения щеток. Искрение может вызываться большим количеством причин; обычно их разбивают на две группы: механические и электромагнитные. Механическими причинами являются биение коллектора, его эллиптичность, шероховатость, наличие выступающих коллекторных пластин и изоляционных прокладок, вибрация щеткодержателей и т. д. Все эти причины приводят к вибрации щеток, в связи с чем возможны кратковременный разрыв контакта между щеткой и коллектором и возникновение кратковременной электрической дуги. Особенно трудно обеспечить отсутствие вибрации щеток при больших окружных скоростях коллектора (50 м/с и выше).

Электромагнитные причины приводят к тому, что даже при идеальном состоянии щеточного контакта при выходе коллекторной пластины из-под щетки разрывается ток и возникает короткая электрическая дуга, повреждающая сбегающие части щетки и коллекторных пластин. Искрение, вызванное электромагнитными причинами, повреждает поверхность коллектора и, как следствие, приводит к вибрации щеток, т. е. способствует возникновению искрения из-за механических причин. Неустойчивость же щеточного контакта оказывает существенное влияние на электромагнитные процессы в секциях, переходящих из одной параллельной ветви обмотки якоря в другую. Поэтому, как правило, искрение щеток на коллекторе вызывается совместным действием многих причин.

Качество коммутации оценивается степенью искрения (классом коммутации) под сбегающим краем щетки, из-под которого выходят пластины коллектора при его вращении. Допускаемые степени искрения согласно Государственному стандарту приведены в табл. 3.

Физическая Сущность процесса коммутации. Как было установлено в § 28, щетки разделяют обмотку якоря на несколько параллельных ветвей. При вращении якоря каждая секция его обмотки переходит из одной параллельной ветви в другую, что сопровождается резким изменением направления тока в секции и замыканием этой секции накоротко щетками. Процесс переключения секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую и изменения направления в них тока называется процессом коммутации.

Предположим, что в какой-либо момент секция 1 (рис. 112, а) находится в нижней параллельной ветви, при этом ток ветви iя протекает по секции в направлении от ее начала Н к концу К (для простоты принимаем, что щетки скользят не по коллектору, а непосредственно по виткам обмотки якоря). Через некоторое время якорь повернется и секция 1 окажется в верхней параллельной ветви (рис. 112, б). При этом ток iя будет уже проходить по секции в обратном направлении, т. е. от ее конца К к началу Н.

Большую часть времени, соответствующего одному обороту якоря, ток секции равен току параллельной ветви iя. Однако поскольку секция, перемещаясь под полюсами, попадает то в одну, то в другую параллельную ветвь, направление тока в ней периодически меняется (рис. 112,в). Изменение направления тока в секции происходит за период времени, в течение которого соединенные с секцией коллекторные пластины соприкасаются со щеткой. Это время называется периодом коммутации Тк. Секция начинает коммутироваться в момент, когда коллекторные пластины, между которыми подключена секция, перекрываются набегающим краем щетки; заканчивается же процесс коммутации этой секции в момент выхода указанных коллекторных пластин из-под противоположного (сбегающего) края щетки.

Рис. 112. Переход секции обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую (а и б) и кривая изменения тока в секции (в)

Рассмотрим более подробно процесс коммутации в какой-либо секции обмотки якоря двухполюсной машины при различных положениях щетки относительно коллекторных пластин. При этом ради простоты будем считать, что ширина щетки равна ширине коллекторной пластины. В начальный момент коммутации (рис. 113, а) щетка перекрывает коллекторную пластину 1, и ток в обмотке якоря I_я = 2i_я, пройдя щетку и коллекторную пластину, разветвляется на две ветви, при этом по каждой параллельной ветви (правой и левой) протекают токи i_я. При вращении якоря коллекторные пластины сдвигаются относительно щетки, и через некоторое время щетка начинает перекрывать обе коллекторные пластины 1 и 2, замыкая накоротко коммутируемую секцию 1—4, обозначенную жирной линией (рис. 113,б). При этом через коммутируемую секцию будет протекать некоторый ток i, в обеих же параллельных ветвях будут проходить токи i_я. Поэтому через набегающую коллекторную пластину 1 будет проходить ток i₁=i_я+i, а через сбегающую пластину 2 — ток i₂ = i_я — i.

Рис. 113. Распределение тока в коммутируемой секции в различные моменты коммутации

В конце процесса коммутации (рис. 113, в) щетка сходит с коллекторной пластины У и перекрывает только одну пластину 2, при этом ток в коммутируемой секции будет направлен противоположно его направлению в начале коммутации.

Рассмотренный выше процесс коммутации не вызывает каких-либо неприятных последствий в машине. Для нее характерно:

сбегающая коллекторная пластина 2 выходит из-под края щетки без разрыва тока;

плотность тока под щетками в течение периода коммутации остается неизменной, так как по мере уменьшения тока i₁ пропорционально уменьшается перекрываемая щеткой площадь S₁ коллекторной пластины 1. Точно так же по мере увеличения тока i₂ пропорционально увеличивается перекрываемая щеткой площадь S₂ коллекторной пластины 2.

По этим причинам прямолинейная коммутация считается оптимальной. Если при расчете машины выбрать площадь щеток так, чтобы плотность тока под ними не превышала некоторую предельную для щеток данной марки, то данная машина будет работать без искрения.

Однако в действительных условиях работы машин постоянного тока процесс коммутации протекает более сложно. В современных машинах период коммутации Т_к весьма мал и составляет примерно 0,001—0,0001 с. Вследствие этого скорость изменения тока в коммутируемой секции очень велика и в ней индуцируется довольно большая э. д. с. самоиндукции e_L. Обычно в процессе коммутации участвует несколько секций, одновременно замыкаемых накоротко щетками. При этом в них возникает также и э. д. с. взаимоиндукции е_м. Сумма возникающих в каждой коммутируемой секции э. д. с.

Рис. 114. Зависимости изменения токов i, i1, i2 в коммутируемой секции во времени при прямолинейной (а), замедленной и ускоренной (б) коммутации

Рис. 115. Возникновение реактивной э.д.с. (а) и добавочного тока коммутации (б)

самоиндукции и взаимоиндукции носит название реактивной э. д. с: е_р = е_L + е_м (рис. 115, а). Эта э.д.с, действуя в замкнутой накоротко секции, сильно изменяет характер коммутации и вызывает добавочный ток коммутации i_к (рис. 115,б).
Согласно правилу Ленца э. д. с. самоиндукции и взаимоиндукции должны противодействовать вызывающей их причине, т. е. замедлять изменение тока i в коммутируемой секции. Так как этот ток в процессе коммутации стремится уменьшиться, а затем изменить свой знак, реактивная э. д. с. е_р должна противодействовать этому уменьшению; следовательно, она будет иметь направление, совпадающее с направлением тока i в коммутируемой секции в первую половину периода коммутации. Такое же направление имеет и добавочный ток коммутации i_к.
Циркулируя в цепи коммутируемой секции, замкнутой накоротко щеткой, ток iк уменьшает ток i₂ на набегающем крае щетки и увеличивает ток i₁ на сбегающем крае. В результате плотность тока под щетками становится неравномерной: пониженной на набегающем крае щетки и повышенной на сбегающем. Такая коммутация называется замедленной. Ток в коммутируемой секции в этом случае изменяется по кривой 1 или 2 (см. рис. 114, б).

Влияние коммутации на работу машины. При замедленной коммутации площадь S₁ соприкосновения пластины 1 (см. рис. 113) со щеткой уменьшается быстрее, чем ток i₁, вследствие чего увеличивается плотность тока под сбегающим краем щетки.

Рис. 116. Возникновение искрения под сбегающим краем при замедленной коммутации

В конце процесса коммутации эта плотность тока может достичь большого значения и вызвать искрение под щетками. В этом случае небольшая площадь электрического контакта между щеткой и сбегающей пластиной не может пропустить через себя значительный ток, и он начинает проходить помимо этого контакта. Практически при этом образуется искровой разряд (рис. 116, а) между щеткой и сбегающей коллекторной пластиной 1.

При большом значении реактивной э. д. с. е_р ток i₁ к моменту схода щетки со сбегающей пластины не успевает уменьшиться до нуля (кривая 2 на рис. 114, б). При этом через сбегающую пластину проходит остаточный ток i_ост, который разрывается щеткой. В этом случае запас электромагнитной энергии в цепи коммутируемой секции оказывается достаточным, чтобы ионизировать воздушный промежуток между щеткой и сбегающей коллекторной пластиной, поэтому между ними появляется довольно значительный дуговой разряд, т. е. интенсивное искрение (рис. 116,б). В результате длительного искрения неизбежен преждевременный износ коллектора и щеток. Коллектор загрязняется, чернеет и становится непригодным к работе. Необходимо периодически выполнять его очистку. При сильном искрении разрушаются щетки и поверхность коллектора, которую приходится подвергать обточке. При неблагоприятных условиях (в машинах с сильным искажением магнитного поля от действия реакции якоря) дуга будет переходить от пластины к пластине, что приведет к возникновению кругового огня.

Чем больше мощность электрической машины и чем выше частота вращения якоря, тем большая реактивная э. д. с. индуцируется в коммутируемых секциях и тем неблагоприятнее протекает процесс коммутации.

На протекание процесса коммутации оказывает также вредное влияние сдвиг физической нейтрали относительно геометрической, возникающий под действием реакции якоря. Обычно щетки устанавливают под серединами полюсов так, чтобы замыкаемые ими коллекторные пластины были соединены с секциями обмотки якоря, расположенными на геометрической нейтрали. В этом месте не действует магнитный поток, созданный обмоткой возбуждения машины, и при холостом ходе в указанных секциях не индуцируется никакой э. д. с. Однако при нагрузке из-за сдвига физической нетрали относительно геометрической расположенные на геометрической нейтрали коммутируемые секции оказываются в зоне действия магнитного потока якоря Ф_я (см. рис. 105, б), поэтому при вращении якоря в них так же, как и в остальных секциях обмотки якоря, будут индуцироваться э. д. с, называемые э. д. с. вращения. Э. д. с. вращения, созданная потоком якоря, ухудшает коммутацию, так как совпадает по направлению с реактивной э. д. с. е_р.

Способы улучшения коммутации. Основной причиной искрения в машинах постоянного тока является разрыв щетками остаточного тока, созданного в коммутируемой секции реактивной э. д. с. и э. д. с. вращения от действия потока якоря. Следовательно, улучшение коммутации может быть осуществлено тремя путями:

1) уменьшением реактивной э. д. с;

2) компенсацией реактивной э. д. с. и э. д. с. вращения от потока якоря некоторой добавочной э. д. с, называемой коммутирующей; эта э. д. с. может быть индуцирована при помощи какого-либо дополнительного внешнего (коммутирующего) магнитного поля;

3) уменьшением тока коммутации i_к путем увеличения сопротивления цепи коммутируемой секции.

Рассмотрим более подробно эти способы.

Уменьшение реактивной э. д. с. Это достигается путем уменьшения индуктивности секции различными конструктивными мерами. Индуктивность секции стараются сделать возможно меньшей, уменьшая число витков. Поэтому в тяговых двигателях и тепловозных генераторах секции делают одновитковыми. Пазы якоря стараются также делать открытыми и не очень глубокими (глубина их не превышает 4,5—5,5 см даже у самых крупных машин).

На значение индуктивности оказывает влияние положение стороны секции в пазу; индуктивность верхнего слоя всегда меньше индуктивности нижнего слоя. Чтобы индуктивности всех секций были примерно одинаковыми, одну сторону каждой секции располагают в верхнем слое, а другую — в нижнем.

Определенное значение для коммутации имеет и ширина щетки. Чем шире щетка, тем больше число коллекторных пластин перекрывает она одновременно и тем больше коммутируется одновременно секций. Поэтому уменьшение ширины щетки обеспечивает уменьшение реактивной э. д. с. Практика тягового электромашиностроения выработала наиболее рациональное соотношение между шириной щетки и шириной коллекторной пластины; обычно в тяговых двигателях и генераторах щетка перекрывает 3,5—4,5 коллекторных пластины.

Однако в крупных машинах все рассмотренные конструктивные меры не могут снизить индуктивность секций и реактивную э. д. с. до допустимых значений. Поэтому в таких машинах приходится уменьшать длину, окружную скорость и суммарный ток проводников, лежащих в пазах якоря, а для получения необходимой мощности машины увеличивать диаметр якоря, что приводит к увеличению габаритных размеров и массы машины. По этим причинам машины постоянного тока имеют примерно на 20—25 % меньшую мощность, чем машины переменного тока при тех же габаритных размерах и частоте вращения.

Поскольку конструктивные меры уменьшения реактивной э. д. с. влекут за собой увеличение габаритных размеров и массы, этими способами добиваются лишь снижения реактивной э. д. с. при номинальной нагрузке до уровня 3—5 В. При такой реактивной э. д. с. обычно удается наладить коммутацию, применив добавочные полюсы.

Создание в коротко замкну той секции коммутирующей э. д. с. В машинах мощностью свыше 1 —1,5 кВт для создания коммутирующего поля с целью компенсации реактивной э. д. с. и э. д. с. вращения от потока якоря применяют добавочные полюсы. Они расположены между главными полюсами на геометрической нейтрали машины (см. рис. 111, а), т. е. там же, где находятся коммутируемые секции, замыкаемые накоротко щетками. Ширину этих полюсов выбирают небольшой (рис. 117, а), чтобы созданное ими магнитное поле действовало только в зоне, где происходит процесс коммутации (коммутационной зоне). Магнитный поток добавочных полюсов направлен против потока якоря в коммутационной зоне и компенсирует его; в этом случае в коммутируемых секциях не будет индуцироваться э. д. с. вращения. Кроме того, поток добавочных полюсов индуцирует в коммутируемых секциях коммутирующую э. д. с. е_к, направленную против реактивной э. д. с. е_р (рис. 117, б). Добавочные полюсы рассчитывают так, чтобы коммутирующая э. д. с. е_к была приблизительно равна реактивной э. д. с. е_р. В этом случае имеют место рассмотренные выше условия идеальной коммутации, обеспечивающие безыскровую работу машин. Полярность каждого добавочного полюса в генераторах должна быть такой же, как у следующего по направлению вращения главного полюса, а в двигателях — как у предшествующего главного полюса. Если коммутирующая э. д. с. е_к будет больше реактивной э. д. с. е_р, то имеет место ускоренная коммутация, при этом ток в коммутируемой секции изменяется по кривой 3 (см. рис. 114,б). При небольшом преобладании э. д. с. е_к коммутация протекает благоприятно, плотность тока под сбегающей пластиной становится малой (образуется так называемая «ступень малого тока») и сход этой пластины из-под щетки происходит без искрения. Однако если ек значительно превосходит е_р, то искрение возникает под набегающим краем щетки. Осуществить точную компенсацию реактивной э. д. с. коммутирующей невозможно из-за технологических неточностей

Рис. 117. Электромагнитная схема машины с добавочными полюсами (а) и индуцирование в короткозамкнутых секциях коммутирующей э.д.с. (б): 1, 3 — добавочный и главный полюсы; 2 — обмотка добавочного полюса; 4 — якорь; 5 – коммутируемые секции; 6 — щетка; 7 — коллектор

Рис. 118. Схема включения обмоток якоря, возбуждения, добавочных полюсов и компенсационной в машине постоянного тока (а) и зависимости э.д.с. ер и ек от тока якоря Iя (б): Я — обмотка якоря; ОВ — обмотка возбуждения; ОДП — обмотка добавочных полюсов; КО — компенсационная обмотка

При изменении нагрузки машины изменяется ток, протекающий по обмотке якоря, а следовательно, и реактивная э. д. с. е_р в коммутируемой секции. Для того чтобы поле добавочных полюсов автоматически компенсировало э. д. с. е_р при различных нагрузках, обмотку добавочных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря (рис. 118, а), а их магнитную цепь делают ненасыщенной. Поэтому создаваемое этими полюсами коммутирующее магнитное поле, а следовательно, и коммутирующая э. д. с. е_к будут изменяться пропорционально току в обмотке якоря, т. е. так же, как и реактивная э. д. с.

Чтобы увеличить предельную нагрузку, при которой происходит насыщение магнитной цепи добавочных полюсов, поперечное сечение их сердечников делают достаточно большим, а воздушный зазор под добавочными полюсами устраивают значительно большим, чем воздушный зазор под главными полюсами (рис. 119, а). В машинах

Рис. 119. Магнитная цепь добавочных полюсов в машинах большой мощности (а и б) и схема магнитных потоков, проходящих через добавочный полюс (в): 1 — остов; 2 — обмотка добавочного полюса; 3 — дополнительный воздушный зазор (немагнитная прокладка); 4 — сердечник добавочного полюса; 5 — основной воздушный зазор; 6 — якорь; 7 — главный полюс; 8 — междуполюсное пространство; 9 — коммутационная зона

большой и средней мощности при конструировании магнитной цепи добавочных полюсов приходится принимать специальные меры для уменьшения магнитного потока рассеяния Ф_? добавочного полюса, который проходит через междуполюсное пространство помимо якоря (рис. 119, в). Этот поток превышает в 2—4 раза полезный поток добавочного полюса Ф_дп, проходящий через коммутационную зону. Для уменьшения потока рассеяния, который может вызвать насыщение сердечников добавочных полюсов, обмотку добавочного полюса размещают ближе к якорю и делят воздушный зазор на две части, устанавливая немагнитные прокладки 3 между остовом и торцами сердечников добавочных полюсов (рис. 119, б). Дополнительный воздушный зазор у остова повышает магнитное сопротивление для потока рассеяния, что обеспечивает уменьшение этого потока. Кроме того, такой зазор улучшает коммутацию при переходных режимах.

При прохождении тока между щеткой и коллектором происходят сложные электролитические процессы. Вследствие этого поверхность коллектора покрывается политурой — тонкой пленкой светло или темно-коричневого цвета, содержащей, главным образом, окислы меди и углерод. Наличие политуры благотворно сказывается на работе щеток; коэффициент трения уменьшается и возрастает переходное сопротивление контакта между щеткой и коллектором. Процесс появления политуры при обычных условиях длится от 2 до 10 ч. При очень больших скоростях перемещения щетки по коллектору (свыше 50—60 м/с) может происходить частичное разрушение политуры.

Улучшение условий коммутации можно обеспечить при применении разрезных щеток (см. рис. 87,б). В этом случае удлиняется путь, по которому проходит добавочный ток коммутации i_k, и увеличивается сопротивление цепи коммутируемой секции. Следовательно, уменьшается ток i_k.

Особенности коммутации при переходных режимах. Тяговые двигатели электроподвижного состава нередко работают при переходных режимах, вызываемых резкими колебаниями напряжения в сети, нарушением электрического контакта между токоприемником и контактной сетью (отрыв токоприемника от контактного провода), нарушением сцепления между колесными парами и рельсами (бок-сование, юз и восстановление нормального сцепления) и переключениями электрических цепей в процессе управления локомотивами.

Источник