Коммутация тяговых двигателей

 

Слово «коммутация» можно перевести как переключение Обмотка якоря представляет собой замкнутую электрическую цепь, разделенную щетками на несколько параллельных ветвей. При вращении якоря каждая секция обмотки поочередно переходит из одной параллельной ветви в другую. Это сопровождается замыканием данной секции накоротко с последующим изменением направления тока в ней на противоположное. Переключение секций называется коммутацией, секции, замыкаемые накоротко в процессе коммутации, называют коммутируемыми секциями. В широком смысле под коммутацией понимают все процессы, протекающие между коллектором и щетками во время работы электрической машины. О ее качестве судят по искрению: если искрения нет, говорят, что коммутация хорошая, если искрение большое — плохая, так как интенсивное искрение может привести к круговому огню на коллекторе

Чтобы понять, что происходит при изменении направления тока в секциях якорной обмотки, рассмотрим рис. 2.11, где упрощенно показана волновая обмотка, разделенная щетками на две параллельные ветви — левую и правую. Если, например, секция 1 находится в левой ветви и ток по ней проходит от начала Н к концу К, то при вращении коллектора секция перейдет в правую ветвь, и ток по ней уже пойдет от конца К к началу Н, т.е. в обратном направлении. Как видим, при вращении якоря секции обмотки, перемещаясь под разными полюсами, одна за другой непрерывно переключаются из одной параллельной ветви в другую (коллектор и щетки служат механическим выпрямителем). Поэтому эдс на щетках электрической машины, равная сумме эдс всех последовательно соединенных секции, будет неизменной по направлению.

Рис.270. Переход секции обмотки якоря из одной параллельно ветви в другую

 

 

Так как процесс коммутации очень сложен, то, не имея возможности здесь подробно объяснить это явление. попытаемся его представить в упрощенном виде (рис. 2.12). Возьмем ширину щетки равной ширине коллекторной пластины и допустим, что якорь вращается очень медленно, поэтому ток в коммутируемой секции меняется тоже медленно и эдс самоиндукции будет мала (ею можно пренебречь).

Коммутация конкретной секции начинается, когда щетка коснется коллекторных пластин, к которым подключена секция, и заканчивается, когда щетка отойдет с них. Допустим, в начале коммутации щетка соединена с пластиной 1, и ток якоря /_я протекает через правую и левую параллельные ветви (рис. 2.12, я), затем подходит к минусовой щетке и возвращается к источнику питания.

Рассмотрим следующий момент времени, когда при вращении коллектора щетка равномерно перекроет пластины 1 и 2 (рис. 2.12, б). Токи IJ2 продолжают протекать по обеим параллельным ветвям, ток в коммутируемой секции 1 — 4, оказавшейся замкнутой накоротко, равен нулю. По мере схода пластины 1 со щетки при дальнейшем вращении ток в секции 1 — 4. сменив направление, начинает возрастать и достигает своего максимума. Процесс коммутации (изменения тока в секции) закончился (рис. 2.12, в), направление тока в проводниках 1 и 4 (см. рис. 2.12, я) изменилось на противоположное, секция 1—4 перешла из правой ветви в левую.

Рис.271. Прохождение тока в коммутируемой секции в различные моменты коммутации

 

Поскольку время коммутации очень мало (как и сопротивление цепи секции, щеток, коллекторных пластин), ток в секциях изменяется с большой скоростью, а значит, меняется и магнитный поток. В результате в секции наводится эдс самоиндукции е, которая проявляет себя в создании тока самоиндукции довольно большой величины. Направление эдс самоиндукции определяется по правилу Ленца.

Так как в пазах сердечника якоря уложена не одна, а несколько секций, и щетка перекрывает несколько коллекторных пластин, изменяющиеся магнитные потоки охватывают соседние проводники, в которых наводится эдс взаимоиндукции ец (трансформаторный эффект). Полная эдс, появляющаяся в коммутирующей секции, называется реактивной ер и равна сумме эдс самоиндукции и взаимоиндукции.

 

Реактивная эдс вызывает в короткозамкнутой секции ток к ток коммутации (на рис 2.12, б он показан штриховой линией) Его направление под сбегающим краем щетки совпадает с направлением рабочего тока, а под набегающим будет противоположно ему. Это приводит к неравномерному распределению плотности тока под щеткой: под ее сбегающим краем плотность тока будет больше. По мере схода пластины 1 со щетки площадь их соприкосновения уменьшается, что также увеличивает плотность тока под сбегающим краем щетки. Через щетку перестает протекать весь увеличившийся ток (он начинает проходить, минуя контакт), между щеткой и пластиной образуется искровой разряд.

В момент, когда пластина 1 сходит со щетки, короткозамкнутая электрическая цепь секции I — 4 разрывается, в месте разрыва возникает дуга, в которой рассеивается запасенная электромагнитная энергия. Через тысячные доли секунды щетка теряет контакт со следующей пластиной, образует новую дугу и т.д.

Таким образом, процесс коммутации при соответствующих условиях может сопровождаться постоянным искрением, что ухудшает контакт между щетками и коллектором, выжигает медь пластин, изнашивает щетки и коллектор.

Чем больше мощность электрической машины, тем большая реактивная эдс наводится в коммутируемых секциях, тем тяжелее протекает коммутация. Интенсивное искрение зависит от скорости вращения коллектора и величины напряжения между соседними коллекторными пластинами (межламельное напряжение). Маленькие электрические дуги сливаются в мощную дугу, которая растягивается по коллектору и может замкнуться между щетками разной полярности (так называемый переброс дуги), и самое неблагоприятное, когда она попадает на заземленные части двигателя. Это может произойти при определенных условиях: ионизация окружающего воздуха, наличие угольной пыли между пластинами, при межламельном напряжении, превышающем 22...25 В и т.д.

На коммутацию вредно влияет и сдвиг физической нейтрали относительно геометрической под действием реакции якоря. Щетки обычно устанавливают под серединами главных полюсов, но так, чтобы замыкаемые ими пластины соединялись с секциями якорной обмотки, расположенными на геометрической нейтрали, где магнитная индукция равна нулю или очень мала (поэтому и наведенная в этих секциях эдс должна быть также мала).

Однако при нагрузке электрической машины физическая нейтраль сдвигается, и секции, расположенные на геометрической нейтрали, попадают в зону действия магнитного поля якоря. В них, как и в остальных секциях обмотки якоря, наводится эдс вращения, совпадающая по направлению с реактивной и ухудшающая коммутацию.

Чтобы улучшить коммутацию, стараются уменьшить реактивную эдс, компенсировать ее и эдс вращения при помощи внешнего дополнительного (коммутирующего) магнитного поля, уменьшить токи коммутации, увеличив сопротивление цепей коммутируемых секций.

Реактивную эдс снижают различными конструктивными мерами: уменьшают индуктивность секции, делая пазы якоря открытыми и неглубокими, уменьшают число витков секции. Ширина щетки также влияет на коммутацию чем шире щетка, тем больше пластин она одновременно перекрывает и тем больше секций коммутируют одновременно. Практика показывает, что ширина щетки оптимальна, когда она перекрывает 3—4 пластины.

Правильным подбором щеток (с повышенным электрическим сопротивлением) также уменьшают токи коммутации, наводимые реактивной эдс. На тяговых двигателях устанавливают щетки ЭГ-2А и ЭГ-61А.

Самая радикальная мера снижения тока коммутации — при-менение добавочных полюсов, которые расположены между глав-ными полюсами на геометрической нейтрали т.е. в тех местах, где находятся коммутируемые секции. Добавочные полюсы изготавливают небольшой ширины, чтобы их магнитный поток действовал бы только в узкой коммутационной зоне. Он направлен встречно магнитному потоку якоря, поэтому в коммутируемых секциях эдс вращения не создается. В то же время магнитный поток добавочных полюсов наводит в коммутируемых системах коммутационную эдс к, направленную встречно реактивной е. Если численно равна ер, то дополнительный ток секции (ток коммутации) Q будет равен нулю.

Обмотки добавочных полюсов соединяют с обмоткой якоря последовательно, чтобы реактивная эдс была скомпенсирована при любой нагрузке машины (при изменяющемся токе якоря), причем магнитная цепь добавочных полюсов должна оставаться ненасыщенной. С этой целью между якорем и добавочным полюсом увеличивают воздушный зазор, сердечники полюсов выполняют сплошными из листовой стали, а для уменьшения магнитного потока рассеяния, который может вызвать насыщение добавочных полюсов, между ними и остовом двигателя устанавливают диамагнитные прокладки Такими мерами добиваются, чтобы магнитное поле в зоне коммутации изменялось бы пропорционально изменениям тока якоря

Искрение щеток может быть вызвано и другими причинами: резкими изменениями нагрузки, биением коллектора, его износом и выработкой, большой загрязненностью коллектора из-за попадания угольной пыли между пластинами, подгарами коллектора. Коллекторные пластины изнашиваются быстрее, чем миканитовая изоляция между ними. Поэтому если коллектор своевременно не обтачивать, миканитовые пластины могут выступать над поверхностью. Это нарушает процесс коммутации и может привести к круговому огню. Поэтому даже незначительное искрение всегда нежелательно, так как увеличивается износ щеток и коллектора, их нагрев из-за увеличения сопротивления между щеткой и коллектором.

Вероятность кругового огня возрастает в режиме ослабления возбуждения и при боксовании колесных пар. В первом случае к этому приводит значительно возросший ток двигателя, во втором — перераспределение напряжения между соседними двигателями: напряжение на боксующем двигателе резко увеличивается, возрастает раз­ность потенциалов между коллекторными пластинами (межламельное напряжение). Следует помнить, что боксование всегда сопровождается круговым огнем на коллекторе с тяжелыми последствиями для двигателя.

Для визуальной оценки допустимой коммутации, согласно государ­ственному стандарту, установлены пять степепей искрения на коллекто­ре (табл. 1).

 

Таблица 1. Классификация искрения

Степень искрения	Характеристика	Состояние коллектора и щеток
1	Отсутствие искрения	—
1 1/4	Слабое искрение под небольшой частью щетки	Почернении на коллекторе и следов подгара на щетках нет
1 1/2	Слабое искренне пол большом частью щетки	Появление почернения на коллекторе и следов подгара на щетках, устраняемое протиранием бензином
2	Искренне под всей щеткой (допускается только при кратковременной перегрузке)	Появление следов почернения на коллекторе и нагара на щетках, не устраняемое протиранием бензином
3	Значительное искрение с крупными вылетающими искрами. Допускается только в моменты прямого включения или реверсирования, если при этом коллектор и щетки пригодны для дальнейшей работы	Большое почернение коллектора, не устраняемое протиранием бензином, подгар и частичное разрушение щеток

 

Степени 1, 1 1/4, 1 1/2 являются нормальными для длительной работы двигателя. Работа тяговых двигателей со степенями 2 и 3 недопустима, так как вызывает подгорания и нагары на поверхно­сти коллектора и затем приводит к разрушению коллекторного узла.