Коммутация в машинах постоянного тока

Необходимым условием долговечности коллекторной машины постоянного тока является отсутствие искрения под щетками, так как искры быстро разрушают пластины коллектора и щетки. Причины искрения могут быть механическими и электрическими. Основная механическая причина искрения — это ухудшение контакта между коллектором и щетками.

Предельным случаем неудовлетворительной коммутации является возникновение кругового огня. Это — мощная электрическая дуга, замыкающаяся непосредственно по коллектору или даже перекидывающаяся на станину машины, при этом повреждение машины может быть весьма значительным. Круговой огонь возникает при резком броске тока якоря, что вызывает увеличение реактивной ЭДС, а она создает мощную дугу между щеткой и краем уходящей пластины. Эта дуга удерживается и растягивается вследствие вращения коллектора; в результате возникает короткое замыкание непосредственно на коллекторе машины, разрушающее коллектор и щетки.

Электрической причиной является неудовлетворительная коммутация. Коммутацией в электрических машинах называется совокупность явлений происходящих при изменении направления тока в секциях обмотки якоря во время замыкания щетками этой секции накоротко.

Время, в течение которого секция обмотки вращающегося якоря замкнута щеткой накоротко, называется периодом коммутации:

T= вщ /Vk ,

Где вщ— ширина щетки;Vk— окружная скорость коллектора.

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. 6.16).

Рис. 6.16 Коммутационный процесс в коммутируемой секции якоря

Будем считать, что ширина щетки не больше ширины одной коллекторной пластины и пренебрегать относительно небольшими сопротивлениями проводников, соединяющих обмотку якоря с коллектором, и самой секции, по сравнению с переходным сопротивлением rщ контакта щетки и коллектора.

Переходное сопротивление r1 , контакта с пластиной, уходящей из-под щетки, должно возрастать во время коммутации, достигая бесконечности в конце периода коммутации:

(6.10)

где Т — период коммутации; t — время, прошедшее с момента начала коммутации.

В то же время переходное сопротивление контакта со второй пластиной уменьшается:

(6.11)

Ток I, поступающий в щетку из обмотки якоря, должен распределиться между двумя пластинами коллектора обратно пропорционально их переходным сопротивлениям:

С другой стороны, согласно первому закону Кирхгофа:

Решив эту систему уравнений, найдем ток в коммутируемой секции:

(6.12)

В начальный момент времени при t = 0 этот ток i = I, а в конце коммутации при t = Т он будет i = -I.

Ток I является током лишь одной параллельной ветви обмотки якоря; в общем случае при 2а параллельных ветвей, ток якоря

Следовательно, в общем случае:

(6.13)

Такая коммутация называется прямолинейной или равномерной (рис. 6.17,a). 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 еL и ЭДС взаимоиндукции ем, индуктируемая изменениями тока в соседних секциях, коммутируемых одновременно. Обе эти ЭДС согласно принципу Ленца противодействуют изменению тока в секции, задерживают это изменение. Результирующая ЭДС еp:

(6.14)

Рис. 6.17. Законы изменения тока коммутируемой секции якоря при линейной (а) и нелинейной (б) коммутации

ЭДС ep зависит от индуктивности коммутируемой секции Lc и скорости изменения ее тока:

(6.15)

Реактивная ЭДС задерживает изменение тока (рис. 6.17,б) и делает коммутацию замедленной в течение большей части периода, но к концу периода, когда уходящая пластина выйдет из-под щетки, ток в секции принудительно примет значение Ia/2а. Следовательно, в конце периода неизбежно ускоренное изменение величины тока в секции, что вызывает увеличение реактивной ЭДС. Одновременно плотность тока под щеткой становится неравномерной. Она сильно возрастает у края пластины, которая выходит из-под краев щетки, а это может вызвать сильное нагревание щетки и пластины коллектора. Обе эти причины могут обусловить искрение — возникновение электрических дуг под щеткой со стороны уходящей пластины коллектора.

Для того, чтобы скомпенсировать действие реактивной ЭДС, необходимо противопоставить ей другую ЭДС, называемую коммутирующей ЭДС ek Таким образом, условие идеальной коммутации:

(6.16)

Коммутирующая ЭДС создается посредством движения витков коммутируемой секции во внешнем магнитном поле. В большинстве случаев коммутирующая ek индуктируется магнитным полем дополнительных полюсов машины. Обмотку дополнительных полюсов соединяют последовательно с обмоткой якоря. При изменениях нагрузки изменяется реактивная ЭДС, пропорциональная току якоря, но одновременно в такой же мере меняется и коммутирующая ЭДС.

Если увеличить число витков обмотки дополнительной полюсов, то можно усилить поле и добиться того, что ek > еР , что обусловит ускоренную коммутацию. Ускоренная коммутация применяется в машинах, предназначенных для особо тяжелых условий работы, например, частого реверсирования.

В машинах малой мощности для создания коммутирующего магнитного поля вместо дополнительных полюсов применяется сдвиг щеток с геометрической нейтрали. При таком сдвиге в коммутируемой секции ЭДС ek индуктируется главным магнитным полем, причем в генераторе щетки должны быть сдвинуты по направлению вращения якоря, а в двигателе — против направления вращения.

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

Добавочные полюсы устанавливают между главными полюсами (рис. 6.18). Они создают в зоне коммутации магнитное поле с индукцией Вк такой величины, чтобы при вращении якоря в коммутируемых секциях индуктировалась ЭДС ek = -еР.

Рис. 6.18. Упрощенная картина магнитного поля машины с дополнительными

Обмотку добавочных полюсов включают последовательно в цепь якоря, а магнитную систему выполняют ненасыщенной. Поэтому коммутационная ЭДС ek оказывается пропорциональной току якоря и его линейной скорости Vа , которая, в свою очередь, пропорциональна частоте вращения. ЭДС ek 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.

Сердечники добавочных полюсов изготовляют обычно массивными из стальной поковки, хотя иногда применяют и шихтованные из листов электротехнической стали. Шихтованные сердечники используют в тех случаях, когда ток якоря содержит переменные составляющие (двигатели пульсирующего тока и т. д.) и требуется, чтобы ЭДС ek тоже содержала переменные составляющие, пропорциональные току якоря.

Величина индукции Вk под добавочным полюсом обычно мала, так как мала и средняя величина коммутационной ЭДС ek = 3...10 В. Однако МДС обмотки добавочных полюсов должна быть значительной, так как она направлена против поперечной составляющей МДС реакции якоря.

Если у машины имеется компенсационная обмотка, то требуемая МДС добавочного полюса резко уменьшается, поскольку МДС компенсационной обмотки действует против поперечной МДС реакции якоря.