Коммутация машин постоянного тока

Основные явления. Коммутацией в электрических машинах называется процесс переключения секций обмотки из одной параллельной ветви в другую и связанные с этим явления. На рис. 1.13, а показана секция перед коммутацией на рис. 1.13,б – секция в процессе коммутации (замкнутая накоротко через щетки 1, 2), на рис. 1.13,в – секция после коммутации.

Процесс переключения секции протекает достаточно быстро: время коммутации одной секции, называемое периодом коммутации Тк, составляет примерно 0,001 – 0,0003 с. Явления, происходящие при коммутации, существенно влияют на надежность и долговечность работы машины постоянного тока.

При плохой коммутации появляется значительное искрение под щетками и связанное с ним обгорание коллектора.

Ток i в короткозамкнутой секции 2 за время Тк меняет свое направление на противоположное: от +Iа до – Iа (рис. 1.14), где Iа – ток в параллельной ветви. Вследствие изменения тока в секции наводится ЭДС самоиндукции

.

Кроме этого, коммутируемая секция, если щетки расположены на геометрической нейтрали, пересекает поперечное поле якоря и поэтому в ней наводится ЭДС , называемая ЭДС вращения, где B_П – индукция поперечного поля. Обе ЭДС вызывают ток коммутации i_К, который замыкается по цепи: секция, коллекторная пластина, щетка, коллекторная пластина, секция (штриховая линия на рис. 1.13,б). От сопротивления этой цепи, а также от значений и направления е_L и зависит значение и направление тока i_К. Кроме того, по коммутируемой секции протекает часть тока якоря.

Если е_L и направлены навстречу друг другу и равны, то е_L + = 0 и ток в коммутируемой секции изменяется по закону i = Iа (1 – 2t / Tк), т.е. линейно (рис. 1.14, прямая 1). В этом случае плотность тока под щеткой везде одинакова и не изменяется в процессе коммутации – искрение под щетками не наблюдается.

Однако практически е_L + ≠ 0. В этом случае ток i_К алгебраически суммируется с частью тока якоря в коммутируемой секции и общий ток в коммутируемой секции изменяется в соответствии с кривыми 2 или 3 (рис. 1.14). В первом случае коммутация называется замедленной, во втором – ускоренной. В обоих случаях плотность тока под щеткой неодинакова, особенно она велика в набегающей части щетки для генератора и в сбегающей – для двигателя. В результате возникает искрение под щеткой и на коллекторе.

Пути улучшения коммутации. В предыдущем параграфе были рассмотрены электромагнитные причины плохой коммутации. Однако к искрению под щетками могут приводить и механические причины: неравномерный износ коллектора и его вибрация, чрезмерный износ щеток, выступание отдельных коллекторных пластин и изоляции и т.д. С учетом этого улучшение коммутации возможно несколькими путями:

Ø обеспечением в машине прямолинейной или несколько ускоренной коммутации; это достигается созданием в зоне коммутации секции дополнительного магнитного поля такой величины и направления, чтобы е_L + = 0 ;

Ø увеличением сопротивления короткозамкнутой цепи секции в целях уменьшения тока короткого замыкания; это достигается применением твердых графитовых щеток с повышенным переходным сопротивлением (мягкие медно-графитовые щетки с малым переходным сопротивлением применяются только в тихоходных машинах на напряжение до 30 В);

Ø тщательным контролем за состоянием поверхности коллектора и щеток.

Главным средством улучшения коммутации в машинах средней мощности являются дополнительные полюсы. Магнитное поле дополнительных полюсов подбирается таким образом, чтобы е_L + = 0 или было несколько больше нуля.

Дополнительные полюсы устанавливаются у всех машин постоянного тока мощностью свыше 1 кВт. В крупных машинах применение дополнительных полюсов сочетается с установкой компенсационной обмотки. В машинах малой мощности (менее 1 кВт) коммутацию настраивают поворотом щеток по направлению вращения у генераторов, а у двигателей – против направления вращения за положение физической нейтральной линии. Практически это положение определяется на глаз по наименьшему искрению под щетками. Улучшение коммутации поворотом щеток – малоэффективный метод, так как при изменении нагрузки положение физической нейтральной линии изменяется, а положение щеток остается фиксированным.

Источник

Коммутация в машинах постоянного тока

Под коммутацией в машинах постоянного тока понимают явления, вызванные изменением направления тока в проводниках обмотки якоря при переходе их из одной параллельной ветви в другую, т. е. при пересечении линии, по которой расположены щетки (от лат. commulatio — изменение). Рассмотрим явление коммутации на примере кольцевого якоря.

На рис. 1 показана развертка части обмотки якоря, состоящей из четырех проводников, части коллектора (две коллекторные пластины) и щетки. Проводники 2 и 3 образуют коммутируемый виток, который на рис. 1, а показан в положении, которое он занимает до коммутации, на рис. 1, в — после коммутации, а на рис. 1, б — в период коммутации. Коллектор и обмотка якоря вращаются в указанном стрелкой направлении с частотой вращения п, щетка неподвижна.

В момент времени до коммутации ток якоря Iя проходит через щетку, правую коллекторную пластину и разделяется между параллельными ветвями обмотки якоря пополам. Проводники 1, 2 и 3 и проводник 4 образуют разные параллельные ветви.

После коммутации проводники 2 и 3 перешли в другую параллельную ветвь и направление тока в них изменилось на противоположное. Это изменение произошло за время, равное периоду коммутации Тk, т. е. за время, которое требуется, чтобы щетка перешла с правой пластины на соседнюю левую (в действительности щетка перекрывает сразу несколько пластин коллектора, но в принципе это не влияет на процесс коммутации).

Рис. 1. Схема процесса коммутации тока

Один из моментов периода коммутации показан на рис. 1, б. Коммутируемый виток оказывается замкнутым накоротко коллекторными пластинами и щеткой. Так как за период коммутации происходит изменение направления тока в витке 2—3, то это означает, что по витку протекает переменный ток, создающий переменный магнитный поток.

Последний индуцирует в коммутируемом витке э. д. с. самоиндукции еL, или реактивную э. д. с. Согласно принципу Ленца, э. д. с. самоиндукции стремится поддержать в проводнике ток прежнего направления. Следовательно, направление еL совпадает с направлением тока в витке до коммутации.

Под действием э. д. с. самоиндукции в короткозамкнутом витке 2—3 протекает большой дополнительный ток iд, так как сопротивление контура мало. В месте контакта щетки с левой пластиной ток iд направлен противоположно току якоря, а в месте контакта щетки с правой пластиной направление этих токов совпадает.

Чем ближе к окончанию периода коммутации, тем меньше площадь контакта щетки с правой пластиной и тем больше плотность тока. По окончании периода коммутации контакт щетки с правой пластиной разрывается и образуется электрическая дуга. Чем больше ток iд, тем мощнее электрическая дуга.

Если щетки располагаются на геометрической нейтрали, то в коммутируемом витке магнитным потоком якоря индуцируется э. д. с. вращения евр. На рис. 2 в увеличенном масштабе показаны проводники коммутируемого витка, расположенные на геометрической нейтрали, и направление э. д. с. самоиндукции еL для генератора, совпадающее с направлением тока якоря в этом проводнике до коммутации.

Направление евр определяется по правилу правой руки и всегда совпадает с направлением еL. В результате iд еще больше увеличивается. Возникающая электрическая дуга между щеткой и коллекторной пластиной может разрушить поверхность коллектора, в результате чего ухудшается контакт между щеткой и коллектором.

Рис. 2. Направление э.д.с. в коммутирующем витке

Для улучшения условий коммутации сдвигают щетки в сторону физической нейтрали. При расположении щеток на физической нейтрали коммутируемый виток не пересекает никакого внешнего магнитного потока и э. д. с. вращения не индуцируется. Если сдвинуть щетки дальше физической нейтрали, как показано на рис. 3, то в коммутируемом витке результирующий магнитный поток будет индуцировать э. д. с. ек, направление которой противоположно направлению э. д. с. самоиндукции еL.

Таким образом, будет скомпенсирована не только э. д. с. вращения, но и э. д. с. самоиндукции (частично или полностью). Как указывалось ранее, угол сдвига физической нейтрали все время меняется и поэтому щетки обычно устанавливают со сдвигом на некоторый средний угол по отношению к ней.

Уменьшение э. д. с. в коммутируемом витке приводит к уменьшению тока iд и ослаблению электрического разряда между щеткой и коллекторной пластиной.

Улучшить условия коммутации можно установкой добавочных полюсов (Nдп и Sдn на рис. 4). Добавочный полюс располагают по геометрической нейтрали. У генераторов одноименный добавочный полюс располагается за основным полюсом по ходу вращения якоря, а у двигателя — наоборот. Обмотки добавочных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря таким образом, чтобы создаваемый ими поток Фдп был направлен навстречу потоку якоря Фя.

Рис. 3. Направление э.д.с. в коммутируемом витке при сдвиге щеток за физическую нейтраль

Рис. 4. Схема включения обмоток добавочных полюсов

Так как оба эти потока создаются одним током (током якоря), то можно подобрать число витков обмотки добавочных полюсов и воздушный зазор между ними и якорем такими, чтобы потоки были равны по значению при любом токе якоря. Поток добавочных полюсов будет всегда компенсировать поток якоря и, таким образом, э. д. с. вращения в коммутируемом витке будет отсутствовать.

Добавочные полюсы обычно делают такими, чтобы их поток индуцировал в коммутируемом витке э. д. с, равную сумме еL + евр. Тогда в момент отрыва щетки от правой коллекторной пластины (см. рис. 1, в) электрическая дуга не возникает.

Выпускаемые промышленностью машины постоянного тока мощностью 1 кВт и выше снабжены добавочными полюсами.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

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

Рассмотрим процесс коммутации при условии:

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.

,

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.

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.

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:

Обычно используются графитные щетки, с тем условием коммутации –

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.

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.

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.

Источник