Влияние реакции якоря на напряжение между соседними коллекторными пластинами.

Напряжение между соседними коллекторными пластинами равно сумме ЭДС секций, включенных между этими пластинами, и зависит от распределения магнитной нндукции в воздушном зазоре машины. В общем случае напряжение между различными соседними пластинами по окружности коллектора имеет неодинаковое значение. Наибольшее практическое значение имеет максимальное напряжение U_{к max}.

В общем случае для любой обмотки (при у₁=τ_п) U_{к max} будет равно:

,

w_s – число витков в секции;

v_a – окружная скорость вращения якоря, м/с ; l_δ – расчётная длина якоря, м; B_δmax – максимальное значение индукции в воздушном зазоре под полюсным наконечником, Тл.

При холостом ходе B_δmax =В_δ. При нагрузке машины вследствие искажения магнитного поля в зазоре из-за поперечной реакции якоря индукция под одним из краев полюсного наконечника увеличится. В соответствии с этим увеличится напряжение между соседними коллекторными пластинами, к которым подсоединяются секции, расположенные при вращении якоря под этими краями полюса.

По сравнению с холостым ходом при номинальной нагрузке максимальное напряжение может возрасти на 25-30%. а по сравнению со средним напряжением – на 70-80%.

При работе машины постоянного тока вследствие истирания щеток образуется токопроводящая пыль, которая попадает на изоляционные промежутки между соседними коллекторными пластинами, образуя мостики. Если напряжение между соседними пластинами будет большим, то между отдельными коллекторными пластинами возникнут искровые разряды, в результате которых мостики сгорят. Такое искрение называется потенциальным. Оно опасно тем, что приводит к оплавлению краев коллекторных пластин и вследствие этого к быстрому износу щеток.

При чрезмерно большом напряжении между коллекторными пластинами в машинах большой и средней мощности единичные вспышки, растягиваясь, могут вызвать огонь. Круговой огонь представляет собой мощную электрическую дугу на поверхности коллектора между щётками разной полярности, при этом происходит короткое замыкание машины — ток резко увеличивается, что приводит к повреждеиню коллектора и выходу машины из строя.

Для нормальной работы требуется, чтобы U_{к max}<= 25-28 В в машинах большой мощности, 30—35 В в машинах средней мощности и 40—50 В в машинах малой мощности.

Снижению U_{к max} способствует применение полюсных наконечников со скошенными краями.

Для компенсации поперечной реакции якоря в машинах постоянного тока применяют компенсационную обмотку.

Компенсационную обмотку располагают в пазах главных полюсов и соединяют последовательно с обмоткой якоря и включают таким образом, чтобы образуемая ею МДС F_к была направлена встречно МДС якоря F_аq и компенсировала ее действие. При F_к = F_аq, МДС якоря практически не искажает магнитное поле в воздушном зазоре.

Рис. 3.5. Полюс с пазами для компенсационной обмотки

Следует отметить, что компенсационная обмотка существенно усложняет конструкцию машины, поэтому ее применяют только в машинах средней и большой мощностей, работающих в тяжелых условиях (частые пуски, толчки нагрузки, перегрузки по току и т. п.). Компенсационную обмотку применяют также в тех случаях, когда машина проектируется при жестких габаритных ограничениях, так как эта обмотка позволяет уменьшить воздушный зазор, а следовательно, и размеры обмотки возбуждения.

КОММУТАЦИЯ

При вращении якоря коллекторные пластины поочередно входят в соприкосновение со щеткой, при этом секции, присоединенные к этим пластинам, замыкаются щеткой, а при дальнейшем перемещении якоря переходят в другую параллельную ветвь (рис. 4.1). При переходе секций из одной параллельной ветви в другую, ток в них меняет направление на противоположное.

Процесс переключения секций из одной параллельной ветви в другую носит название коммутации. Секция, замкнутая щеткой, называется коммутируемой секцией. Время, в течение которого секция обмотки вращающегося якоря замкнута щеткой накоротко, называется периодом коммутации:

T= b_щ/V_к

где b_щ — ширина щетки; V_к — окружная скорость коллектора.

При коммутации машины может наблюдаться искрение в щёточном контакте на коллекторе. Сильное искрение вызывает порчу поверхности коллектора и щёток и делает длительную работу машины невозможной.

Если бы в коммутируемой секции не индуктировалась ЭДС, то ход процесса коммутации тока в секции определялся бы только соотношением сопротивлений контактов щетки с двумя пластинами коллектора (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Коммутационный процесс в коммутируемой секции якоря

В этом случае:

i=i_a(1-2t/T) (4.1)

Такая коммутация называется прямолинейной или равномерной (рис. 4.2,а). В этом идеальном случае плотность тока под всей щеткой неизменна во все время коммутации, благодаря чему отсутствуют коммутационные причины искрения.

В реальных условиях неизбежно возникают ЭДС самоиндукции в коммутирующей секции e_L и ЭДС взаимоиндукции e_M,индуктируемая изменениями тока в соседних секциях, коммутируемых одновременно. Обе эти ЭДС согласно принципу Ленца противодействуют изменению тока в секции, задерживают это изменение. Результирующая ЭДС e_р:

e_р = e_L + e_M. (4.2)

Рис. 4.2. Законы изменения тока коммутируемой секции якоря при линейной (а) и нелинейной (6) коммутации

ЭДС самоиндукции e_L зависит от индуктивности коммутируемой секции L_c искорости изменения ее тока:

e_L = -L_c di/dt. (4.3)

Реактивная ЭДС задерживает изменение тока (рис. 4.2, б) и делает коммутацию замедленной в течение большей части периода, но к концу периода, когда уходящая пластина выйдет из-под щетки, имеет место ускоренное изменение величины тока в секции.

Замедленный характер коммутации часто сопровождается искрением сбегающего края щётки. По этой причине замедленной коммутации стараются избегать.

Наиболее целесообразным способом улучшения коммутации является компенсация действия реактивной ЭДС. Для этого необходимо противопоставить ей другую ЭДС, называемую коммутирующей ЭДС e_к,. Таким образом, условие идеальной коммутации:

e_к +e_р = 0. (4.4)

Коммутирующая ЭДС создается посредством движения витков коммутируемой секции во внешнем дополнительном магнитном поле. Такое поле называют коммутирующим.

Получить коммутирующее поле можно двумя путями: сдвигом щёток с геометрической нейтрали и с помощью дополнительных полюсов.

Сдвиг щеток с геометрической нейтрали применяется в машинах, где нет дополнительных полюсов. Щётки сдвигаются с нейтрали таким образом, чтобы коммутируемые секции располагались за физической нейтралью, в зоне, где имеется поле главных полюсов. Причем в генераторе щетки должны быть сдвинуты по направлению вращения якоря, а в двигателе — против направления вращения.

Существенный недостаток этого способа, заключается в том, что компенсацию реактивной ЭДС при неизменном положении щёток можно получить только для одного значения тока якоря. Другой недостаток состоит в том, что этот способ нельзя применять для машин, работающих с изменением вращения.

Основным средством улучшения коммутации в современных машинах является применение дополнительных полюсов, при помощи которых в коммутационной зоне создается магнитное поле, индуктирующее коммутационную ЭДС e_к, требуемой величины. Дополнительные полюса не используют в машинах малой мощности (менее 300 Вт).

Дополнительные полюсы устанавливают между главными полюсами (рис. 4.3). Они создают в зоне коммутации магнитное поле с индукцией В_к такой величины, чтобы при вращении якоря в коммутируемых секциях индуктировалась ЭДС e_к = - e_р.

Рис. 4.3. Дополнительные полюса

Обмотку добавочных полюсов включают последовательно в цепь якоря. ЭДС e_к изменяется по тому же закону, что и реактивная ЭДС.

Полярность добавочных полюсов зависит от направления вращения и режима работы машины. В генераторном режиме полярность добавочного полюса должна быть такой же, как у следующего за ним по направлению вращения главного полюса; в двигательном режиме — как у предшествующего ему по направлению вращения главного полюса.