Коммутация постоянного тока

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.

Способы улучшения коммутации

Анализ причин искрения

Искрение щеток на коллекторе может происходить по несколь­ким причинам, которые условно можно разделить на механиче­ские, потенциальные и электромагнитные.

Механические причины искрения связаны с некачественным изготовлением коллектора и щеточного аппарата. Неровная по­верхность коллектора, отдельные выступающие коллекторные пластины, биение коллектора из-за его эксцентриситета или оваль­ности, заедание и вибрация щеток в щеткодержателях и ряд дру­гих причин приводят к механическому нарушению контакта меж­ду щеткой и коллектором и появлению искрения.

Потенциальной причиной искрения является повышение на­пряжения между соседними коллекторными пластинами . При неблагоприятных условиях это может привести к аварийному яв­лению — круговому огню на коллекторе.

Электромагнитная причина искрения является основной, и связана она с протеканием электромагнитных процессов в ком­мутируемых секциях.

При коммутации в секции, замкнутой щеткой, происходит из­менение направления тока на противоположное. Так как секция обладает индуктивностью то в ней будет наводиться ЭДС само­индукции .В общем случае, когда ширина щетки больше ширины одной коллекторной пластины ( ), одновременно коммутиру­ются и рядом лежащие секции, которые могут иметь электромаг­нитную связь с рассматриваемой секцией. Следовательно, помимо ЭДС самоиндукции в каждой коммутируемой секции наводятся ЭДС взаимной индукции от соседних коммутируемых секций . ЭДС коммутируемой секции, равная сумме ЭДС самоиндукции и ЭДС взаимной индукции, называется реактивной ЭДС :

.

Реактивная ЭДС по правилу Ленца стремится задержать изме­нение тока в коммутируемой секции, и ее направление совпада­ет с направлением тока в секции до начала коммутации. Кроме реактивной ЭДС в коммутируемой секции наводится ЭДС вращения от внешнего поля, имеющегося в зоне коммутации. Обычно середина этой зоны совпадает с геометричес­кой нейтралью машины (поперечной осью). Внешнее поле создается или поперечным полем якоря, или до­полнительными полюсами. В зависимости от направления внешнего поля ЭДС вращения может иметь согласное или встречное направление с реактивной ЭДС.

Таким образом, при работе машины в коммутируемой секции действует результирующая ЭДС

которая создает добавочный ток коммутации , протекающий в контуре, образованном коммутируемой секцией и щеткой. Если в момент времени , когда сек­ция выходит из состояния короткого замыкания, ток не дос­тигает нулевого значения, то происходит механический разрыв этого тока. При этом запасенная в секции энергия, равная , высвобождается в виде искрового разряда между щеткой и кол­лектором. Интенсивность искрения зависит от запасенной в сек­ции электромагнитной энергии.


На процесс коммутации в машинах постоянного тока суще­ственное влияние оказывает переходное сопротивление контакта между щеткой и коллектором. Механизм прохождения тока в этом контакте отличается большой сложностью и зависит от целого ряда факторов. Обычно в соответствии со стандартом для электри­ческих машин задается падение напряжения в щеточном контакте на пару щеток , которое зависит от их типа. В машинах посто­янного тока находят применение графитные, угольно-графитные и электрографитированные щетки, для которых = 1,5…3,0 В. В электрических машинах низкого напряжения применяются металлографитные щетки с = 0,5…2 В.

Виды коммутации

Характер протекания коммутационного процесса в машинах постоянного тока зависит от закона изменения тока в секции за период, когда она накоротко замкнута щеткой. В основу классиче­ской теории коммутации положено предположение, что переходное сопротивление между щеткой и коллектором является постоянным и не зависящим от плотности тока в щетке , т.е. зависимость считается линейной.

Рис. 22.3. Расчетная схема для вывода закона изменения тока в коммутируемой секции:

1 — коммутируемая секция; 2-4 — коллекторные пластины

Процесс коммутации рассмотрим на примере простой петлевой обмот­ки. Ширина щетки равна ширине коллекторной пластины . При заданном направ­лении вращения якоря (рис. 22.3) коммутация секции 1 начнет­ся с того момента, когда коллекторная пластина 3 войдет в со­прикосновение с правым краем щетки, который называют набе­гающим. С этого момента секция 1 будет замкнута щеткой накоротко и в ней будет происходить изменение тока (от до ). При дальнейшем перемещении якоря через период ком­мутации коллекторная пластина 2 выйдет из соприкосновения со щеткой под ее левым краем (сбегающим). В этот момент ком­мутация секции 1 закончится, секция перейдет в другую парал­лельную ветвь обмотки и ток в ней поменяет направление на противоположное по сравнению с его направлением до начала коммутации.Можно показать, что закон изменения тока в коммутируемой сек­ции будет иметь вид:


(22.2)

Из уравнения видно, что характер изменения тока за период коммутации зависит от значения суммарной ЭДС и ее зна­ка. В зависимости от этого различают три вида коммутации.

Прямолинейная коммутация в машинах постоянного тока имеет место при . Для этого реактивная ЭДС в любой момент времени должна быть скомпенсирована ЭДС вращения . При выполнении этого условия ток в коммутируемой секции

где — ток, соответствующий прямолинейной коммутации.

Рис. 22.4. Изменение тока в комму­тируемой секции при прямолиней­ной коммутации

Замедленная коммутация про­исходит в том случае, когда ре­активная ЭДС имеет большее значение, чем компенсирующая ее ЭДС вращения ,а также тогда, когда совпадает по направлению с .

Рис. 22.5. Изменение тока в комму­тируемой секции при замедленной коммутации

В соответствии с (22.2) ток при замедленной коммутации можно представить в виде двух составляющих:

(22.3)

Замедленная коммутация обычно наблюдается в машинах постоянного тока без дополни­тельных полюсов со щетками, ус­тановленными на геометриче­ской нейтрали, а также в маши­нах, имеющих слабые (недоста­точные для компенсации ЭДС ер) дополнительные полюсы. Добавочный ток стремится задержать изменение тока в коммутируемой секции, т.е. ток в секции изменяется медленнее и проходит через нулевое значение позже, чем при прямолиней­ной коммутации , поэтому такая коммутация и называ­ется замедленной.

Ускоренная коммутация имеет место, если ,что наблюдается в машинах по­стоянного тока при сильных до­полнительных полюсах. При ус­коренной коммутации появив­шийся добавочный ток имеет противоположное направление по сравнению с током при за­медленной коммутации. Следова­тельно, ток будет изменяться быстрее, чем при прямолиней­ной коммутации, а плотность тока под набегающей частью щетки будет больше, чем под сбегающей ( ).

Рис. 22.6. Изменение тока в коммутируемой секции при ускоренной коммутации

Однако небольшое ускорение коммутации , при кото­рой ток достигает значения, близкого к току параллельной ветви до завершения коммутации, является желательным

Способы улучшения коммутации

Так как искрение щеток связано с разрывом добавочного тока коммутируемой секции, то меры по улучшению коммутации на­правлены в первую очередь на уменьшение его значения. Добавочный ток

Следовательно, уменьшить ток можно или увеличением со­противления , или уменьшением результирующей ЭДС , на­водимой в коммутируемой секции.

Улучшение коммутации путем увеличения сопротивления ком­мутируемой секции.Сопротивление цепи коммутируемой секции состоит из сопротивления самой секции, сопротивления выводов секции, соединяющих ее с коллектором, и переходного сопро­тивления щеточного контакта. Сопротивления секции и выводов малы по сравнению с , а их увеличение приведет к росту элек­трических потерь и снижению КПД.

В машинах постоянного тока сопротивление щеточного кон­такта увеличивают за счет применения графитовых щеток марок ЭГ, Г и других, значение которых находится в пределах 1,7… 2,7 В. Чем тяжелее условия коммутации, тем целесообразнее выбирать щетки с большим значением .

Для увеличения сопротивле­ния применяют анизотропные щетки, поперечное сопротивле­ние которых существенно больше продольного, по которому про­текает основной ток . Таким образом удается уменьшить доба­вочный ток без увеличения электрических потерь в щеточном контакте от основного тока .

Улучшение коммутации путем уменьшения реактивной ЭДС.Этот метод в основном относится к машинам, не имеющим дополни­тельных полюсов. Значение реактивной ЭДС может быть получено по формуле Пихельмайера

где — число витков в секции; — расчетная длина якоря; А — линейная нагрузка якоря; — окружная скорость якоря; — удель­ная магнитная проводимость для потоков рассеяния коммутируе­мых секций.

Из формулы видно, что уменьшить реактивную ЭДС можно путем уменьшения входящих в нее величин. Практикой установлено, что для удовлетворительной комму­тации среднее значение в секции не должно превы­шать 0,5…0,7 В.

Улучшение коммутации путем создания коммутирующего поля в зоне коммутации.Наиболее целесообразно улучшать коммута­цию посредством компенсации реактивной ЭДС. Для этого в зоне, где располагаются проводники коммутируемых секций, необхо­димо создать магнитное поле, которое будет наводить ЭДС вра­щения, имеющую направление, противоположное направлению реактивной ЭДС, и равную или несколько превышающую ее. Та­кое магнитное поле и наводимую им ЭДС называют соответ­ственно коммутирующим полем и коммутирующей ЭДС. Разность соответствует прямолинейной коммутации в машине, а при коммутация будет носить ускоренный характер. Для того чтобы получить оптимальную ускоренную коммутацию, сле­дует увеличить ЭДС , т.е. принять ее равной (1,1… 1,15) .

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

1. Создание коммутирующего поля с помощью дополнитель­ных полюсов — это основной способ улучшения коммутации в машинах постоянного тока. В настоящее время дополнительные полюсы применяются во всех машинах мощностью от 1 кВт.

Рис.22.5. Схема установки допол­нительных полюсов

Дополнительные полюсы располагаются между основны­ми полюсами по поперечной оси машины (геометрической нейт­рали), как показано на рис. 22.5. Щетки у машин с дополнитель­ными полюсами также устанав­ливаются на геометрической нейтрали. Число дополнительных полюсов обычно равно числу главных полюсов. Сердечники этих полюсов обычно собирают из отдельных листов электротех­нической стали.Магнитное поле дополни­тельного полюса создается ка­тушкой, расположенной на его сердечнике. Катушки полюсов соединяются между собой, образуя обмотку возбуждения дополнительных полюсов. Полюсы должны иметь чередующуюся полярность, согласованную с полярностью главных полюсов. Полярность каждого из дополнительных полю­сов выбирается таким образом, чтобы наводимая его полем ЭДС была направлена навстречу реактивной ЭДС.

Обмотка дополнительных полюсов включается последо­вательно с обмоткой якоря. Кроме того, магнитная цепь дополни­тельных полюсов должна быть ненасыщенна.

2. Создание коммутирующего поля путем сдвига щеток с гео­метрической нейтрали для получения коммутирующего поля при­меняется в машинах, не имеющих дополнительных полюсов. Щетки сдвигаются с нейтрали таким образом, чтобы коммутируемые сек­ции располагались за физической нейтралью, т.е. в зоне, где име­ется поле главных полюсов. Щетки следует сдвигать с геометри­ческой нейтрали по направлению вращения якоря в генераторах ипротив направления вращения — в двигателях.

Рис 22.6 Схема включения обмотки дополнительных полюсов (ОДП) и конденсаторов для уменьшения радиопомех.

При коммутации возникают электромагнитные колебания с частотой в несколько тысяч герц. Эти колебания вызывают радиопомехи, затрудняющие работу радиотехни­ческой аппаратуры. Для борьбы с помехами обмотку дополнитель­ных полюсов разбивают на две части, которые подсоединяют к щеткам разной полярности (рис. 22.6). Для того чтобы эти высо­кочастотные колебания не выходили за пределы машины, между ее корпусом и выводами обмотки якоря включают конденсаторы (емкостный фильтр).

Добавочные полюсы

Основным способом улучшения коммутации в современных машинах постоянного тока является создание коммутирующего магнитного поля с помощью добавочных полюсов.

Добавочные полюсы устанавливаются между главными полюсами (рисунок 1) и крепятся болтами к ярму индуктора. Намагничивающая сила добавочных полюсов Fд.п должна быть направлена против намагничивающей силы реакции якоря Faq, чтобы скомпенсировать ее и создать сверх того коммутирующее поле Bк для компенсации реактивной э. д. с. er. Следовательно, при отсутствии компенсационной обмотки Fд.п > Faq, а при наличии ее Fд.п + Fк.о > Faq. В последнем случае требуемое значение Fд.п меньше, так как основная доля реакции якоря компенсируется компенсационной обмоткой.

Рисунок 1. Расположение и полярность добавочных полюсов

Учитывая сказанное, на основании рисунка 1 можно сформулировать правило.

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

Так как величины Faq и er пропорциональны току якоря, то для их компенсации Fд.п и Bк также должны быть пропорциональны току якоря. Для удовлетворения этого условия обмотку добавочных полюсов соединяют последовательно с якорем, а добавочные полюсы выполняют с ненасыщенной магнитной системой. Поэтому при номинальной нагрузке в них допускается индукция не больше 0,8 – 1,0 Т. Так как на отдельных участках ярма индуктора магнитные поля главных и добавочных полюсов складываются, то во избежание насыщения этих участков индукция главного поля в ярме должна быть не больше 1,3 Т. Сердечники добавочных полюсов изготавливаются массивными из стальной поковки или листовой стали.

При таком устройстве добавочных полюсов индуктируемая ими коммутирующая э. д. с.

eк ~ Bкvа ~ Iаvа.

С другой стороны, реактивная э. д. с. Также пропорциональна Iаvа:

er ~ Iаvа.

Потому соблюдение условия eк = er при изменении нагрузки и скорости вращения достигается автоматически.

При относительно малом полезном магнитном потоке добавочных полюсов их намагничивающую силу Fд.п приходится брать большой, так как значительная часть Fд.п (75 – 85%) расходуется на компенсацию Faq. По этой причине коэффициент рассеяния добавочных полюсов велик: σд = 3 – 5 при отсутствии компенсационной обмотки и σд = 2 – 3 при наличии ее. Если обмотка добавочных полюсов располагается далеко от якоря (рисунок 2, а), то возникает большой поток рассеяния. Для уменьшения рассеяния обмотку добавочных полюсов размещают ближе к якорю (рисунок 2, б), а в крупных машинах, кроме того, подразделяют воздушный зазор на две части путем создания второго немагнитного зазора между ярмом и сердечником добавочного полюса (рисунок 2, б) с помощью немагнитных прокладок (н.п.), например, из меди, дюралюминия или гетинакса.

Рисунок 2. Добавочные полюсы с неподразделенным (а) и подразделенным (б) немагнитным зазором

Добавочные полюсы применяются в машинах с Pн > 0,3 кВт. Обычно число добавочных полюсов берется равным числу главных, однако в машинах мощностью до 2 – 2,5 кВт иногда делают половинное число добавочных полюсов. Применение добавочных полюсов позволяет увеличить линейную нагрузку машины и тем самым уменьшить ее размеры и стоимость.

Коммутация создает электромагнитные колебания частотой 1000 – 3000 Гц, которые распространяются по электрической сети, присоединенной к машине. Эти колебания вызывают радиопомехи, затрудняющие работу радиоприемной и другой радиотехнической аппаратуры. Для борьбы с этими помехами производят симметрирование цепи якоря машины, то есть обмотки, включенные последовательно с якорем, в том числе и обмотку добавочных полюсов, разбивают на две части, которые присоединяют к щеткам противоположной полярности (рисунок 3). Кроме того, между щетками разных полярностей и корпусом машины присоединяют конденсаторы для шунтирования высокочастотных колебаний на зажимах машины.

Рисунок 3. Подавление радиопомех

Улучшение коммутации путем сдвига щеток

В машинах мощностью до нескольких сотен ватт добавочных полюсов не ставят. Коммутирующее поле при этом можно создать путем сдвига щеток с геометрической нейтрали, благодаря чему в зоне коммутации начнет действовать поле главных полюсов (рисунок 4). Чтобы индуктируемая этим полем в коммутируемой секции э. д. с. eк имела правильное направление, поле главных полюсов в зоне коммутации должно быть направлено против поля реакции якоря.

Рисунок 4. Улучшение коммутации путем сдвига щеток с геометрической нейтрали

Для этого в генераторе щетки необходимо повернуть в сторону вращения, а в двигателе – наоборот (рисунок 4).

Если поток главных полюсов Фσ изменяется пропорционально току якоря (машины с последовательным возбуждением), то при определенном, фиксированном положении щеток можно достичь хороших условий коммутации в широком диапазоне изменения нагрузки. Если же Фσ = const, то наилучшие условия коммутации достигаются только при одной, определенной нагрузке.

Установку щеток производят на глаз, наблюдая за искрением.

Уменьшение реактивной э. д. с.

Для обеспечения хорошей коммутации необходимо, чтобы er ≤ 7 – 12 В.

Зависимость er от различных величин очевидна из равенства:

er = 2 × ξ × wс × lσ × Aа × vа,

где: ξ – магнитная проводимость якоря, Г/м. В малых и средних машинах, а также в крупных тихоходных машинах с малой длиной якоря ξ = (5 – 8) × 10-6 Г/м, а в крупных машинах с большой длиной якоря и в крупных быстроходных машинах ξ = (3,5 – 5) × 10-6 Г/м; wс – число витков секции; lσ – расчетная длина якоря, м; Aа – линейная токовая нагрузка якоря, А/м; vа – окружная скорость якоря, м/с.

При этом надо отметить, что уменьшение линейной токовой нагрузки якоря Aа нецелесообразно с точки зрения использования материалов, а величины vа = π × Dа × n и lσ определяются номинальной мощностью машины. Следовательно, ограничение er зависит от возможностей уменьшения wс и ξ.

В машинах мощностью более 50 кВт всегда wс = 1.

Уменьшение ξ возможно за счет ослабления взаимной индукции между коммутируемыми секциями, что достигается укорочением шага на величину не более одного зубцового деления и применением ступенчатой обмотки. В последнем случае взаимоиндуктивная связь между секциями ослабляется вследствие того, что если верхние стороны uп секций находятся в одном пазу, то их нижние стороны располагаются в разных пазах (рисунок 5, б).

Рисунок 5. Укладка секций равносекционной (а) и ступенчатой (б) обмоток при uп = 2

Для уменьшения er в петлевых обмотках выбирают также отношение K/p равным нечетному числу, так как при этом секции, охватывающие соседние полюсы, коммутируются со сдвигом на время поворота коллектора на половину коллекторного деления и взаимная индукция соответственно ослабляется. К уменьшению ξ приводит также уменьшение отношения глубины паза к его ширине и увеличение коэффициента щеточного перекрытия βк, поскольку в последнем случае знаменатель выражения ξ = (ΛL + ΛM) / (βк — (a/p — 1)) растет быстрее числителя. Здесь ΛM – средняя суммарная проводимость для потоков взаимной индукции, ΛL – проводимость секции на единицу длины якоря.

Определенное снижение ξ получается также, если увеличивать высоту сечения проводника в пазу якоря. В этом случае вследствие эффекта вытеснения тока во время коммутации уменьшается индуктивность проводника и секции.

В петлевых обмотках при отсутствии уравнителей первого рода токи отдельных параллельных ветвей различны и поэтому различны также реактивные э. д. с. секций, коммутируемых различными щетками, и намагничивающие силы реакции якоря в зонах различных добавочных полюсов. Однако намагничивающие силы всех добавочных полюсов равны, так как они определяются полным током якоря. Вследствие сказанного равновесие между реактивной и коммутирующей э. д. с. нарушается и наступает расстройство коммутации. При наличии уравнителей первого рода указанные неблагоприятные обстоятельства устраняются.

Перспективно применение машин постоянного тока с беспазовым якорем, в которых обмотка якоря укладывается и укрепляется на поверхности цилиндрического якоря. В этом случае потоки рассеяния (рисунок 6) ослабляются, и поэтому реактивная э. д. с. значительно уменьшается. Уменьшается также реакция якоря. Такие машины имеют тот недостаток, что немагнитный зазор между полюсами и якорем увеличивается и требуется значительно более сильная обмотка возбуждения.

Рисунок 6. Магнитные потоки рассеяния секции

Увеличение сопротивления цепи коммутируемой секции

в принципе возможно за счет выполнения «петушков» с повышенным сопротивлением. Однако это приводит к уменьшению коэффициента полезного действия (к. п. д.) машины, а также к увеличению плотности тока у сбегающего края щетки (рисунок 7, б). Кроме того, такие «петушки» ненадежны в работе.

Рисунок 7. Прямолинейная (а) и криволинейная (б) коммутация сопротивлением

Существенным является подбор щеток с надлежащими характеристиками. При тяжелых условиях коммутации лучше работают твердые графитные щетки с повышенным переходным сопротивлением переходного контакта, однако при этом электрические потери в переходном контакте и механические потери на трение также больше. Щетки с круто поднимающейся вольт-амперной характеристикой благоприятны с точки зрения уменьшения плотности тока на сбегающем краю щетки и способствуют улучшению коммутации. Медно-графитные щетки, обладающие малым переходным сопротивлением, применяются только в машинах на напряжение до 25 – 30 В.

Для улучшения коммутации предложен ряд других мер, которые, однако, не находят широкого применения.

Улучшение коммутаций при переходных режимах и пульсирующем токе

Выше основное внимание уделялось коммутации при нормальных установившихся режимах работы. При резких переходных режимах (толчкообразная и пульсирующая нагрузка, сильные перегрузки, короткие замыкания и т. п.), а также при питании машин постоянного тока, в особенности от однофазной сети (например, железные дороги, электрифицированные на переменном токе), условия коммутации ухудшаются.

Одной из причин ухудшения коммутации при указанных условиях может являться наличие трансформаторной э. д. с. eтр, которая возникает при изменении магнитного потока главных полюсов. Компенсация этой э. д. с. с помощью добавочных полюсов практически невозможна, так как закономерности изменения eтр и eк различны. В частности, eтр вовсе не зависит от скорости вращения. Поэтому в необходимых случаях принимают меры к уменьшению eтр. Например, в тяговых двигателях постоянного тока, устанавливаемых на электровозах переменного тока с выпрямителями, обмотки возбуждения главных полюсов шунтируются активными сопротивлениями. Вследствие большой индуктивности обмотки возбуждения пульсирующая составляющая выпрямленного тока при этом будет ответвляться в шунтирующее сопротивление и поток главных полюсов не будет содержать этой составляющей.

При быстрых изменениях тока в цепи якоря поток добавочных полюсов вследствие возникновения вихревых токов в массивной магнитной цепи и создаваемых ими магнитных потоков не будет изменяться пропорционально току якоря и компенсация реактивной э. д. с. нарушится. Улучшить коммутацию при этом можно с помощью индуктивной катушки, присоединяемой параллельно обмотке добавочных полюсов. Если постоянная времени

Tи.к = Lи.к / rи.к

индуктивной катушки значительно больше постоянной времени обмотки добавочных полюсов, то ток в этой катушке будет меняться весьма медленно по сравнению с током в обмотке добавочных полюсов. Поэтому резкие изменения тока якоря ΔI воспринимаются этой обмоткой, и так как через нее проходит только часть полного тока якоря, то относительное изменение тока в обмотке добавочных полюсов будет больше, чем в обмотке якоря. Такая «форсировка» тока обмотки добавочного полюса позволяет добиться более быстрого изменения его магнитного потока и тем самым компенсировать в определенной мере влияние вихревых токов в магнитопроводе. Однако наиболее эффективной мерой улучшения коммутации в машинах с резко изменяющейся нагрузкой или при сильных пульсациях питающего тока является изготовление сердечников добавочных полюсов, а также ярма машины из листовой электротехнической стали.

Эффективной мерой улучшения коммутации при резко переменной нагрузке является также применение компенсационной обмотки, которая предотвращает опасность возникновения кругового огня, а также улучшает условия действия добавочных полюсов.

При значительных перегрузках машины, а в особенности при коротких замыканиях. сердечники добавочных полюсов насыщаются прежде всего за счет больших потоков рассеяния. В этом случае с помощью добавочных полюсов уже нельзя обеспечить компенсацию реактивной э. д. с. и коммутация сильно ухудшается. При наличии компенсационной обмотки поток рассеяния добавочных полюсов значительно уменьшается, в результате чего область их правильного действия увеличивается.

Источник: Вольдек А.И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.

Л 12. 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 Тк. 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;

вщ – ширина щетки;

вк – 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 (вщ= вк).

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 rщ1 (между щеткой и сбегающей пластиной 1) и rщ2 (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 rщ1 и поэтому уменьшается ток i1. Одновременно щетка переходит на пластину 2, при этом сопротивление rщ2 уменьшается и ток i2 увеличивается. Когда же контактная поверхность щетки равномерно перекрывает обе коллекторные пластины rщ1= rщ1 (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 Ls – 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 (вщ> вк) 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.

ep=eL+eM,

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 Вк, под действием которой в коммутирующей секции наводится э.д.с. внешнего поля.

,

где l – длина активных сторон секции;

V – линейная скорость движения секции;

ωS – число витков в секции.

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

∑е=ер+ек

Если машина не имеет добавочных полюсов, то э.д.с. ер и ек направлены согласованно и создают в коммутирующей секции добавочный ток коммутации iк такого же направления, что и рабочий ток этой секции I в начальный период коммутации. Такое взаимодействие токов iк 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 iк, 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 ер (реактивной э.д.с.) оказывает тип обмотки якоря.

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

Величина ер 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 ек равная по величине и противоположно направленная ер. 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 Faq, чтобы скомпенсировать ее и создать сверх того коммутирующее поле для компенсации реактивной э.д.с. ер.

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 ек становится больше ер и в коммутирующей секции появляется ток коммутации iк, 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 (Iн). При перегрузках машины происходит насыщение магнитной цепи добавочных полюсов, из-за чего коммутация становится опять замедленной, т.к. ер изменяется пропорционально току нагрузки Iа, а повышение ек 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 ФS 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.

Согласно классической теории коммутации самая благоприятная коммутация – прямолинейная, а на практике стремятся обеспечить слегка ускоренную коммутацию. Для улучшения коммутации, очевидно, необходимо воздействовать на добавочный ток коммутации

. (1.131)

На добавочный ток коммутации можно воздействовать двумя способами.

1. Уменьшить , искажающий прямолинейную коммутацию, можно увеличением сопротивления щеточного контакта. Для этого в ЭМ с частыми перегрузками выбирают твердые графитовые щетки.

Недостаток этого способа в том, что из-за этого увеличиваются электрические потери щеточного контакта, механические потери на трение.

Снижается к.п.д. машины, увеличивается плотность тока у сбегающего края щетки. Не выполняются необходимые механические и электромагнитные условия коммутации.

2. Уменьшение возможно счет уменьшения реактивной ЭДС до (В) и за счет выполнения электромагнитных условий коммутации.

Поскольку по формуле Пихельмайера, которая используется в расчетной практике, реактивная э.д.с. равна

, (1.132)

То реактивную э.д.с. можно уменьшить за счет:

1. Уменьшения числа витков ();

2. Уменьшения линейной нагрузки от ;

3. Уменьшением величины .

При этом уменьшение нецелесообразно с точки зрения использования материалов. Величины=иопределяются номинальной мощностью машины. Поэтому ограничениезависит от возможностей уменьшенияи. В машинах мощностью более 50 кВт всегда.

Уменьшение этих величин позволяет снизить В.

Радикальным способом уменьшения реактивной э.д.с. является создание в зоне коммутации внешнего магнитного поля Вк, которое наводило бы в коммутационной секции ЭДС коммутирующую э.д.с. , такую, которая бы компенсировала реактивную э.д.с:.

Для этого необходимо создать внешнее магнитное поле. Внешнее магнитное поле в зоне коммутации можно создать двумя способами.

  1. Сдвигом щёток с геометрической нейтрали;

  2. Применением добавочных полюсов.

Рассмотрим оба способа:

а) Сдвиг щёток с геометрической нейтрали применяется в маломощных ЭМПТ при .

Коммутирующее и поле создается путем сдвига щеток с геометрической нейтрали.

Сущность способа: при сдвиге щеток с геометрической нейтрали в зоне коммутации начинает действовать поле главных полюсов. При этом поле главных полюсов должно быть направлено против поля реакции якоря.

Поэтому в генераторе щетки необходимо повернуть в сторону вращения, а в двигателе против вращения.

Недостатки способа заключаются в ограниченности его применения.

1. Если поток главных полюсов изменяется пропорционально току якоря (машины с последовательным возбуждением), то при фиксированном определенном положении щеток можно добиться хороших условий коммутации в широком диапазоне изменения нагрузок.

2. Если , то наилучшие условия коммутации можно достичь только при определенной нагрузке.

Самый эффективный способ улучшения коммутации – применение добавочных полюсов (рис. 1.44).

(если ).

Рис. 1.44. Расположение и полярность

Добавочных полюсов

Требования к добавочным полюсам

1. Добавочные полюса устанавливаются между главными полюсами и крепятся болтами к ярму индуктора (рис. 1.44.)

2. Воздушный зазор дополнительных полюсов вдвое больше воздушного зазора главных полюсов .

3. Н.с. добавочных полюсов должна быть направлена против н.с. реакции якорядля того, чтобы:

а) скомпенсировать;

б) создать коммутирующее поле для компенсации реактивной э.д.с.

При отсутствии компенсационной обмотки

(1.133)

При наличии компенсационной обмотки

(1.134)

В последнем случае величина уменьшается, так как основная доля реакции якоря компенсируется компенсационной обмоткой.

Основные и дополнительные полюса должны располагаться по правилу:

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

Рассмотрим ЭМПТ в пределах двухполюсного деления.

Особенности расчета дополнительного полюса.

. (1.135)

. (1.136)

в два и более раз, поэтому МДС добавочных полюсов должна быть большой.

Величины поперечной реакции якоря, реактивной э.д.с. пропорциональны току якоря.

Для этого необходимо выполнить следующие условия.

1. Обмотки добавочных полюсов соединяют последовательно якорем.

2. Пропорциональность может быть соблюдена только в дополнительных полюсах с ненасыщенной магнитной системой с индукцией при номинальной нагрузке не более 0,8 … 1,0 Тл.

3. На отдельных участках ярма индуктора магнитные поля главных и добавочных полюсов складываются, то во избежание насыщения индукция главного поля в ярме должна быть не более 1,3 Тл.

В результате этого магнитная индукция добавочных полюсов Вд:

– должна компенсировать ;

– должна создать ;

– должно выполняться автоматически при любой нагрузке.

Полезный магнитный поток, который тратится на компенсацию реактивной ЭДС, является маленьким.

Н.с. дополнительных полюсов приходится брать большой, так как 75…85% этой н.с. расходуется на компенсацию

По этой причине коэффициент рассеяния добавочных полюсов при отсутствии компенсационной обмотки ипри её наличии.

Для обеспечения малого полезного поля при больших МДС:

  1. Увеличивают воздушный зазор путем создания второго немагнитного зазора между ярмом и сердечником добавочного полюса с помощью немагнитных прокладок;

  2. Для уменьшения рассеяния обмотку добавочных магнитных полюсов располагают ближе к якорю;

  3. ВыбираютТл.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *