Коммутация и способы ее улучшения. Дополнительные полюсы

Как отмечалось, замкнутая схема обмотки якоря разделяется щетками на две параллельные ветви или на несколько пар параллельных ветвей. При работе машины обмотка вращается относительно неподвиж­ных щеток, поэтому секции обмотки непрерывно пере­ходят из одной параллельной ветви в другую.

Рассмотрим этот процесс более подробно. На рис. 9.11 коллекторные пластины с припаянной к ним секцией обмотки перемещаются слева направо отно­сительно неподвижной щетки. При переходе с первой коллекторной пластины на вторую секция обмотки яко­ря переключается из одной параллельной ветви в дру­гую. В процессе переключения секция замыкается щеткой накоротко, а ток в секции изменяет все направления на противоположное.

Процесс переключения секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую и связанные с ним явления в короткозамкнутых секциях называют ком­мутацией машины. Время, в течение которого сек­ция обмотки накоротко замкнута щеткой, называют периодом коммутации Т.

В процессе коммутации сопротивление щеточного контакта, пропорциональное площади соприкоснове­ния щетки с коллекторной пластиной, и ток в короткозамкнутой секции изменяются в течение периода коммутации по линейному закону (рис. 9.12). При прямолинейной коммутации плотность тока в щеточ­ном контакте постоянна, что обеспечивает оптималь­ные условия работы коллектора.

Однако влияние ЭДС самоиндукции и ЭДС, инду­цируемой в короткозамкнутой секции магнитным потоком якоря, приводит к криволинейной коммута­ции, при которой в течение некоторой части периода плотность тока под щеткой резко возрастает. Возрас­тание плотности тока вызывает повышенное искрение под щетками и разрушение коллектора.

 

 

                                                                                                             

 

 

Для получения прямолинейной коммутации необ­ходимо скомпенсировать магнитные поля, в которых короткозамкнутая секция обмотки якоря. Самый простой способ улучшения коммутации — сместить щетки с геометрической нейтрали. Однако он пригоден только для машин, работающих при постоянной нагрузке. Действительно, при изменении нагрузки изменится угол α поворота физической ней­трали относительно геометрической и регулировка

Рис. 9.13. Схема включения обмотки до­полнительных полюсов

Рис. 9.12. К определению пря­молинейной коммутации (F — площадь соприкосновения щетки с коллекторной пластиной)

коммутации нарушится. Поэтому в современных ма­шинах постоянного тока применяют другой способ компенсации магнитных полей в области вращения короткозамкнутых секций обмотки якоря. При этом щетки размещают на геометрической нейтрали, а между главными полюсами машины устанавливают дополнительные полюсы, обмотки которых включают последовательно с обмоткой якоря (рис. 9.13). Маг­нитный поток дополнительных полюсов пропорциона­лен току нагрузки и компенсация достигается при всех режимах работы машины. На рис. 9.14, а, б условно показано размещение дополнительных полю­сов в генераторе и двигателе.

Помимо электрических причин на коммутацию влияют механические дефекты: неправильный выбор щеточных пружин, отклонение формы коллектора от цилиндрической, загрязнение поверхности коллектора, плохое прилегание щеток к коллектору. Поэтому в процессе эксплуатации машины необходимо тщательно следить за щеточно-коллекторным узлом и обнаружен­ные дефекты немедленно устранить: очистить кол­лектор от грязи и угольной пыли, заменить и прите­реть щетки, проточить коллектор на токарном станке и т. д. Кроме того, на коммутацию влияют значения сопротивлений щеток. Практически полная компенса­ция магнитных полей в короткозамкнутой секции невозможна, поэтому малые ЭДС в этой секции все-таки наводятся. Чтобы ограничить токи, вызываемые этими ЭДС, сопротивление щетки выбирают достаточ­но большим. Однако не следует забывать, что через

Рис. 9.14. Схема размещения дополни­тельных полюсов в машине постоянного тока: а — двигатель; б — генератор

щетку проходит ток нагрузки и увеличение ее сопро­тивления приводит к возрастанию потерь напряжения внутри машины. При учете этих факторов наиболее приемлемыми оказываются металлографитовые щетки.

Несмотря на все предупредительные меры, пол­ностью устранить искрение под щетками не удается. Поэтому правилами эксплуатации допускается слабое точечное искрение под небольшой частью поверхности щетки.

Особенно опасен для машины «круговой огонь» по коллектору. Увеличение искрения под щетками при­водит к подгоранию коллектора. В результате возни­кает дуговой разряд, обмотка машины замыкается накоротко, а ток в обмотке якоря становится недопу­стимо большим. Возникновение «кругового огня» яв­ляется аварийным режимом.

ГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА НЕЗАВИСИМО­ГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Различают генераторы независимого возбуждения и генераторы с самовозбуждением. В генераторах не­зависимого возбуждения основной магнитный поток создается либо постоянным магнитом, либо электро­магнитом (обмоткой возбуждения), питаемым от источника постоянного тока.

Схема генератора постоянного тока независимого возбуждения изображена на рис. 9.15. Важнейшая особенность этой схемы — независимость тока возбуждения и магнитного потока главных полюсов от нагрузки генератора.

Физические величины, характеризующие работу электрической машины, связаны между собой опре­деленными зависимостями, которые называют харак­теристиками.

Рис. 9.15. Схема гене­ратора постоянного тока независимого воз­буждения

Рис. 9.16. Характерис­тика холостого хода генератора независи­мого возбуждения

Рассмотрим основные характеристики генератора независимого возбуждения.

Характеристикой холостого хода назы­вают зависимость ЭДС генератора от тока возбуж­дения при постоянной частоте вращения якоря и отключенной нагрузке.

Ее обычно снимают при номинальной частоте враще­ния генератора.

Характеристика холостого хода (рис. 9.16) пред­ставляет собой изображенную в другом масштабе часть петли гистерезиса магнитной системы генерато­ра. Поскольку ЭДС пропорциональна магнитной индукции, а напряженность магнитного поля — току возбуждения, зависимость E(I_в) имеет такой же вид, как зависимость В(Н).

Таким образом, характеристика холостого хода отображает свойства магнитопровода. Поскольку по­сле первоначального намагничивания коэрцитивная сила удерживает в магнитопроводе небольшой оста­точный магнитный поток, ЭДС генератора не равна нулю при токе возбуждения, равном нулю. Эту ЭДС называют остаточной: Е₀ = Е при I_в = 0.

Изгиб характеристики холостого хода объясняется насыщением магнитопровода. Номинальный ток воз­буждения выбирают таким, чтобы он соответствовал участку перегиба характеристики холостого хода. При этом наилучшим образом используется свойство маг­нитопровода усиливать магнитный поток обмоток воз­буждения.

Характеристика холостого хода может быть рас­считана теоретически или снята экспериментально. В последнем случае ЭДС измеряется вольтметром, подключенным к зажимам генератора.

Внешней характеристикой называют за­висимость нагрузки на зажимах генератора от тока нагрузки при постоянной частоте вращения и постоян­ном сопротивлении цепи возбуждения:

U = f(I) (n = const, R_B = const).

При отсутствии размагничивающего действия реакции якоря внешняя характеристика описывается уравнением U = Е — IR_я, представляющим прямую ли­нию в плоскости координатных осей U, I. При насыще­нии магнитной системы и наличии размагничивающего действия реакции якоря с увеличением нагрузки ЭДС генератора уменьшается, поэтому напряжение генера­тора снижается быстрее, чем по закону прямой линии (рис. 9.17).

Внешняя характеристика позволяет определить, в каких пределах изменяется напряжение генератора при изменении нагрузки.

Регулировочной характеристикой на­зывают зависимость тока возбуждения от тока нагруз­ки при постоянных частоте вращения и напряжении на зажимах генератора:

I_в = f(I) (n = const, U = const).

Регулировочная характеристика показывает, как нужно изменять ток возбуждения, чтобы поддержи­вать постоянным напряжение генератора при изме­нении его нагрузки.

С увеличением тока нагрузки напряжение генера­тора уменьшается. Чтобы поддерживать его постоян­ным, необходимо увеличивать ЭДС. При постоянной частоте вращения это достигается увеличением магнитного потока, а, следовательно, и тока возбуждения (рис. 9.18).

Регулировочные характеристики используют при проектировании регуляторов напряжения.

Рис. 9.18. Регулировочная характеристика генератора независимого возбуждения

Рис. 9.17. Внешние характерис­тики генератора независимого возбуждения при отсутствии (прямая /) и наличии (кри­вая 2) размагничивающего действия реакции якоря

Генераторы независимого возбуждения находят применение в схемах автоматики, в двигатель-генераторных агрегатах, когда требуется изменять не только значение, но и полярность напряжения на зажимах, а также в качестве тахогенераторов, предназначенных для дистанционного измерения частоты вращения.

Недостатком этих машин является необходимость иметь отдельный источник энергии для питания обмот­ки возбуждения или постоянные магниты.