Тема: «Коммутация в машинах постоянного тока».

 

§1. Причины, вызывающие искрение на коллекторе.

       При работе машины постоянного тока щетки и коллектор образуют скользящий контакт. Площадь контакта щеток выбирается по величине рабочего тока машины, приходящегося на одну щетку, и по допустимому значению плотности тока для выбранной марки щеток.

       Если по какой-либо причине щетка прилегает к коллектору не всей поверхностью, а лишь частью ее, то возникают чрезмерные местные плотности тока, которые приводят к появлению искрения на коллекторе. Причиной возникновения чрезмерной плотности тока может быть также увеличение тока в щетке.

        Причины, вызывающие искрение на коллекторе, разделяются на механические, потенциальные и коммутационные. К механическим причинам относятся: слабое давление щеток на коллектор, неправильная конфигурация или негладкая поверхность коллектора, загрязнение поверхности коллектора, выступание изоляции над коллекторными пластинами, неплотное закрепление траверсы, пальцев или щеткодержателей. В этом случае нарушается контакт щетки с коллектором, что приводит к искрению.

       Потенциальные причины искрения появляются при возникновении напряжения между соседними коллекторными пластинами, превышающего допустимые пределы. В этом случае искрение наиболее опасно (может быть электрическая дуга).

       Коммутационные причины искрения вызываются физическими процессами, происходящими в машине при переходе секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую.

 

§2. Физическая сущность коммутации и ее влияние на работу машины.

       При вращении якоря машины постоянного тока коллекторные пластины поочередно вступают в соприкосновение со щетками. При этом переход щетки с одной пластины на другую сопровождается переключением секции обмотки из одной параллельной ветви в другую и изменением тока в этой секции.

Процесс изменения тока в секциях при переключении их из одной параллельной ветви в другую называется коммутацией. Секция, в которой происходит коммутация, называется коммутирующей секцией, а время, в течение которого происходит процесс коммутации, называется периодом коммутации Т_к. Величина периода коммутации определяется отрезком времени, начиная с момента, когда коллекторная пластина вступает в соприкосновение со щеткой, и кончая моментом, когда пластина полностью выходит из соприкосновения с этой щеткой.

, 

где k – число коллекторных пластин;

  n – скорость вращения якоря;

  в_щ – ширина щетки;

  в_к – расстояние между серединами соседних коллекторных пластин (коллекторное деление).

       Рассмотрим процесс коммутации при условии:

1. щетки расположены на геометрической нейтрали;
2. в коммутирующей секции в течение всего периода коммутации не индуктируются электродвижущие силы;
3. ширину щетки примем равной коллекторному делению (в_щ= в_к).

В начальный момент коммутации (рис.1а) контактная поверхность щетки касается только пластины 1, а секция 1 (коммутирующая секция) относится к левой параллельной ветви обмотки и ток в ней i= .

Затем пластина 1 постепенно сбегает со щетки и на смену ей набегает пластина 2. В результате коммутирующая секция оказывается замкнутой щеткой, и ток в ней постепенно уменьшается. Объясняется это тем, что токи i₁ и i₂ в пластинах 1 и 2 обратно пропорциональны переходным сопротивлениям r_щ1 (между щеткой и сбегающей пластиной 1) и r_щ2 (между щеткой и набегающей пластиной 2).

Что же касается тока в коммутирующей секции I, то он равен разности токов i₁ и i₂.

По мере того, как пластина 1 теряет контакт со щеткой, возрастает величина r_щ1 и поэтому уменьшается ток i₁. Одновременно щетка переходит на пластину 2, при этом сопротивление r_щ2 уменьшается и ток i₂ увеличивается. Когда же контактная поверхность щетки равномерно перекрывает обе коллекторные пластины r_щ1= r_щ1 (рис.1б), ток в коммутирующей секции становится равным нулю, т.к. i₁=i₂ или i₁-i₂=0. В конце процесса коммутации щетка полностью переходит на пластину 2 (рис.1в), а ток в коммутирующей секции i вновь достигает величины . Однако, по направлению этот ток противоположен току в начале коммутации, а сама коммутирующая секция теперь оказалась в правой параллельной ветви обмотки якоря.

Таким образом, за период коммутации ток в коммутирующей секции изменяется от –i до –i, а график изменения тока представляет собой прямую линию. Такую коммутацию называют прямолинейной, или идеальной.

 

 Прямолинейная коммутация является наиболее желательным видом коммутации, т.к. она не вызывает в машине никаких вредных последствий. Плотность тока под щеткой в течение всего периода коммутации остается неизменной. Объясняется это тем, что при прямолинейной коммутации величина тока в контакте щетка - коллекторная пластина изменяется пропорционально изменению площади этого контакта.

Однако в реальных условиях работы машин постоянного тока процесс коммутации протекает значительно сложнее. Дело в том, что период коммутации обычно весьма мал и приблизительно составляет 10^-4... 10^-5 с. При таком быстром изменении тока в коммутирующей секции возникает значительная э.д.с. самоиндукции

,

где L_s – индуктивность секции;

  i – ток в коммутирующей секции.

       Обычно в пазу якоря (каждом пазу) находятся несколько активных сторон (не менее двух), принадлежащих разным секциям. При этом все эти секции одновременно находятся в состоянии коммутации будучи замкнутыми разными щетками (см.рисунок).

       При этом следует учесть, что обычно ширина щетки больше коллекторного деления (в_щ> в_к) и каждая щетка замыкает одновременно несколько секций.

       Так как активные стороны коммутирующих секций лежат в одних пазах, то изменяющийся магнитный поток каждой из этих сторон наводит в других э.д.с. взаимоиндукции.

,

где  - взаимная индуктивность одновременно коммутирующих секций.

       Отсюда обе э.д.с. создают в коммутирующей секции результирующую э.д.с.

e_p=e_L+e_M,

которая препятствует изменению тока в коммутирующей секции и поэтому называется реактивной. Кроме того, под влиянием реакции якоря магнитная индукция в зоне коммутации (на геометрической нейтрали) приобретает некоторое значение В_к, под действием которой в коммутирующей секции наводится э.д.с. внешнего поля.

,

где l – длина активных сторон секции;

V – линейная скорость движения секции;

ω_S – число витков в секции.

       Таким образом, в коммутирующей секции наводятся э.д.с.

∑е=е_р+е_к

       Если машина не имеет добавочных полюсов, то э.д.с. е_р и е_к направлены согласованно и создают в коммутирующей секции добавочный ток коммутации i_к такого же направления, что и рабочий ток этой секции I в начальный период коммутации. Такое взаимодействие токов i_к и i  приводит к тому, что изменение тока в коммутирующей секции задерживается.

       Замедляющее действие тока коммутации объясняется тем, что этот ток создается, главным образом, реактивной э.д.с., которая, как известно, своим действием препятствует изменению тока в электрической цепи. Поэтому в момент равномерного перекрытия щеткой пластин 1 и 2 ток в коммутирующей секции не достигает нулевого значения, как это происходит при идеальной коммутации. Ток в коммутирующей секции достигает нулевого значения во втором полупериоде коммутации, т.е. коммутация становится криволинейно замедленной.

 

       Добавочный ток коммутации i_к, замыкаясь в коммутирующей секции, проходит через щеточный контакт.

 

Рис. Распределение плотности тока в контакте щетки при замедленной коммутации.

 

       Это приводит к тому, что плотность тока под набегающим краем щетки уменьшается, а под сбегающим – увеличивается, достигая к концу периода коммутации значительной величины. При значительных нагрузках машины плотность тока под сбегающим краем щетки может достигнуть недопустимо больших значений, вызвать перегрев щетки и явится причиной искрения.

 

§3. Способы улучшения коммутации.

       Итак, основной причиной неудовлетворительной коммутации в машинах постоянного тока является добавочный ток коммутации. Улучшить коммутацию можно за счет:

• увеличения щеточного контакта, зависящего от технических данных щеток (целесообразно использовать твердые щетки – угольно-графитные, графитные и электрографитированные), обеспечивает наибольшую величину переходного сопротивления. Однако у них мала допускаемая плотность тока, что ведет к повышению щеточного контакта (применяются в машинах с высоким напряжением).

Обычно используются графитные щетки, с тем условием коммутации –

1. Угольно-графитные, а в машинах пониженного напряжения (до 30 В) – медно- или бронзо-графитные.
2. Целесообразно применять щетки шириной в 2-3 коллекторных деления (это повышает э.д.с. взаимоиндукции, но упрочняет щетки).
3. Заметное влияние на величину е_р (реактивной э.д.с.) оказывает тип обмотки якоря.

Если обмотка с укороченным шагом, то е_М уменьшается (э.д.с. взаимоиндукции). Результирующая э.д.с. е_р уменьшается уменьшением индуктивности секций L_S, следовательно, уменьшением числа витков секции. L_S= , а также выполнением пазов якоря открытыми и неглубокими.

Величина е_р может быть значительно уменьшена или даже полностью устранена, если создать в зоне коммутации магнитную индукцию такой величины и знака, чтобы в коммутирующих секциях индуктировалась э.д.с. внешнего поля е_к равная по величине и противоположно направленная е_р. В этом случае суммарная э.д.с. в коммутирующей секции станет равной нулю, и коммутация будет прямолинейна.

 Для создания требуемой магнитной индукции в зоне коммутации в машинах мощностью более 0,3 кВт применяют добавочные полюса, располагая их между главными.

 

Намагничивающая сила дополнительных полюсов должна быть направлена против намагничивающей силы реакции якоря F_aq, чтобы скомпенсировать ее и создать сверх того коммутирующее поле для компенсации реактивной э.д.с. е_р.

Правило.

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

       Обычно намагничивающая сила добавочных полюсов на 15... 30% больше намагничивающей силы якоря.

       Если величину намагничивающей силы добавочных полюсов сделать больше указанной, то е_к становится больше е_р и в коммутирующей секции появляется ток коммутации i_к, направленный противоположно рабочему току секции i=  в начальный период коммутации.

       В этом случае коммутация становится криволинейно ускоренной. При этом плотность тока увеличивается под набегающим краем щетки.

 

 

       Добавочные полюса обеспечивают удовлетворительную коммутацию в машине только в пределах номинальной нагрузки (I_н). При перегрузках машины происходит насыщение магнитной цепи добавочных полюсов, из-за чего коммутация становится опять замедленной, т.к. е_р изменяется пропорционально току нагрузки I_а, а повышение е_к задерживается из-за насыщения магнитной цепи.

       Насыщению магнитной цепи способствует магнитный поток рассеяния. Чтобы этого не было делают прокладки в добавочном полюсе (между ним и станиной), разбивая Ф_S на две части.

       Сдвиг щеток применяется в машинах мощностью менее 0,3 кВт, т.к. они выполняются без добавочных полюсов.

       Правило:

• в генераторе щетки поворачивают в сторону вращения генератора;
• в двигателе щетки поворачивают против вращения якоря.