Коммутация коллекторной машины постоянного тока

Процесс коммутации связан с переходом секции обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую и с происходящим при этом изменением направления тока в этой секции. В начале процесса коммутации секция якорной обмотки замыкается накоротко, а в конце – она включается в цепь другой ветви якорной обмотки. Качество коммутации в значительной степени определяет работоспособность машины и ее эксплуатационную надежность. Коммутация приводит к искрению под щетками. Помимо электромагнитных причин на качество коммутации влияют причины механические. Борьба с механическими причинами в силу целого ряда обстоятельств весьма затруднительна. Электромагнитные причины вызваны неудовлетворительным характером протекания тока в короткозамкнутой секции. Изменив этот характер, можно значительно улучшить коммутацию коллекторной машины.

В современных машинах постоянного тока средняя скорость изменения тока коммутируемой секции очень велика. Поэтому в ней может возникать значительная величина ЭДС как от действия коммутации самой секции, так и от коммутации секций, находящихся под соседними полюсами, если стороны этих секций имеют взаимоиндуктивную связь, вызванную расположением коммутируемых секций в общих пазах.

Обычно ЭДС само- и взаимоиндукции объединяют в общую, так называемую реактивную ЭДС. В машинах мощностью выше 5 кВт эта ЭДС имеет значительную величину. Потому компенсацию этой ЭДС осуществляют с помощью дополнительных полюсов (ДП) (рис. 3.1), которые создают внешнее поле необходимой интенсивности и направления:

, (3.3)

где е_р, e_k –реактивная и коммутирующая ЭДС.

Дополнительные полюса имеют узкие сердечники, которые крепятся болтами к ярму между ГП. Обмотку дополнительных полюсов соединяют последовательно с обмоткой якоря, сечение магнитопровода должно обеспечить отсутствие насыщения в нем. Поэтому при номинальной нагрузке величина индукции не должна превышать 1 Тл. Сердечники изготавливаются литыми либо шихтованными. Дополнительные полюса применяются в машинах с мощностью выше 0,3 кВт, их применение позволяет увеличить линейную нагрузку машины и тем самым улучшить ее массогабаритные показатели и уменьшить стоимость.

С целью уменьшения влияния на внешнюю аппаратуру помех, создаваемых коммутацией, производят симметрирование цепи якоря машины постоянного тока, для чего обмотку ДП разбивают на две части, которые подсоединяют к щеткам противоположной полярности. Между корпусом машины и щетками устанавливают конденсаторы для шунтирования высокочастотной составляющей напряжения на зажимах машины.

Коллекторные машины имеют ряд существенных недостатков:

а) опыт эксплуатации коллекторных машин показал, что в среднем 25% отказов (а в транспортном приводе и того больше – 44-66%) происходит по вине коллекторно-щеточного узла;

б) использование щеточного контакта в естественных условиях при высотах более 20 км практически невозможно, а в агрессивных средах наличие щеточного контакта вообще недопустимо;

в) условия коммутации не допускают превышения предельных линейных скоростей в контакте. Это не позволяет реализовать высокоэффективные конструкции электромеханических преобразователей, рассчитанные на предельные механические нагрузки и обладающие наилучшими массогабаритными характеристиками;

г) щеточный контакт резко снижает ресурс работы машины постоянного тока.

Все это объясняет появление в последнее десятилетие большого количества электрических машин с полупроводниковыми коммутаторами.