2.5.2. Особенности реакции якоря в авиационных генераторах

В авиационных генераторах реакция якоря имеет некоторые особенности. Эти генераторы имеют широкий диапазон скорости вращения ( ).

Рис. 2.19. Кривые распределения магнитной индукции в генераторах с изменяющейся скоростью вращения:

1 – поле полюсов при п_макс; 2 – поле полюсов при п_мин; 3 – поле якоря;

4 – результирующее поле.

Для обеспечения постоянства напря­жения на зажимах генера­тора при изменяемой скоро­сти вращения якоря и изме­няемой нагрузке авиацион­ные генераторы работают совместно с регуляторами напряжения. Последние автоматически изменяют величину тока в обмотках воз­буждения генераторов.

При максимальной скорости вращения магнитное поле основных полюсов минималь­но, при минимальной ско­рости, наоборот, - максимально (рис.2.19, кривые 1 и 2).

В целях уменьшения га­баритных размеров и веса авиационные генераторы выполняются с малыми воз­душными зазорами (поряд­ка 0,5…0,8 мм) и высоки­ми линейными нагрузками (А =300…450 А/см). Благо­даря этому в них при боль­ших нагрузках получается сильная реакция якоря, которая при высоких скоро­стях вращения, когда магнитный поток полюсов мал, может не только ослабить его под набегающим краем полюса, но и привести к частичному перемагничиванию полюса, или, как говорят, к «опрокидыванию» магнитного поля под частью полюса (рис.2.19, зона а кривой 4). «Опрокидывание» магнитного поля приводит к искрообразованию на коллекторе (см. п.2.6.).

2.5.3. Компенсационная обмотка

Для компенсации магнитного поля реакции якоря иногда применяют так называемую компенсационную обмотку. Она укладывается в пазы полюсных наконечников главных полюсов и соединяется последовательно с обмоткой якоря таким образом, чтобы м. д. с. компенсационной обмотки F_k обеспечива­ла компенсацию м.д.с. якоря F_а (рис. 2.20.). Следует подчерк­нуть, что компенсационная обмотка обеспечивает полную компен­сацию поля реакции якоря только в зоне полюсов.

Рис. 2.20. Компенсационная обмотка.

Компенсационная обмотка усложняет конструкцию электриче­ской машины, увеличивает ее габаритные размеры и вес, услож­няет отвод тепла из зоны полюсных наконечников. Поэтому в авиационных генераторах ком­пенсационные обмотки применя­ются лишь в тех случаях, когда из-за специфических условий ра­боты машины с перегрузками, при большой скорости вращения и малом воздушном зазоре влияние м.д.с. реакции якоря становится недопустимым либо в связи с рез­ким искажением и уменьшением результирующего потока, либо по соображениям коммутации.

2.6. Коммутация тока

2.6.1. Общие сведения

Под коммутацией тока понимают процесс изменения на­правления тока в секции в мо­мент замыкания ее щеткой, при переходе секции из одной парал­лельной ветви в другую. Этот процесс сопровождается рядом сложных явлений. На рис.2.21. показано расположение коммути­руемых секций на якоре, на рис.2.22 - распределение токов в отдельной коммутируемой секции. Считая, что ширина щетки равна ширине коллекторной пластины и пренебрегая толщиной изоляционной прокладки между пластинами, можно прийти к выводу, что короткое замыкание секции начинается, когда набегающий край щетки соприкасается с пластиной 2 (рис. 2.22), и заканчивается спустя промежуток времени Т_к , когда пластина 1, пройдя путь, равный ширине щетки b_щ , отойдет от нее. Время Т_к назы­вается периодом коммутации. Обычно оно составляет ты­сячные доли секунды. Обозначив через V_к окружную скорость кол­лектора, получим, что спустя промежуток времени t с начала ком­мутационного процесса, щетка будет перекрывать по ширине участки коллекторных пластин b₁=V_к(T_к-t) и b₂=V_кt . При длине щетки l_щ площади соприкосновения щетки с коллекторными пластинами соответственно будут и , а полная площадь контакта ;

откуда

и

Переходные сопротивления между щеткой и коллекторными пластинами, если учесть, что контактное сопротивление обратно пропорционально площади контакта, равны

где R_щ – переходное сопротивление щетки.

Рис.2.21. Расположение коммутируемых секций на якоре

двухполюсной машины.

Контактные сопротивления R₁ и R₂ обычно значительно больше сопротивления самой секции ( r ) и соединительных проводников ( r_c) между секцией и коллекторными пластинами, поэтому при анализе характера изменения тока в коммутируемой секции сопротивлениями r и r_c можно пренебречь. Тогда на основании второго закона Кирхгофа, для короткозамкнутого контура получим

где ∑е – сумма э.д.с., наведенных в коммутируемой секции. В эту сумму входят э.д.с. самоиндукции и взаимоиндукции (рис.2.21.) и э.д.с. вращения от внешнего поля, имеющегося в коммутационной зоне (коммутационной зоной называется та часть поверхности якоря, в которой лежат стороны коммутируемых секций).

Рис. 2.22. Распределение токов отдельной коммутируемой

секции: 1 и 2 – пластины.

Внешнее поле в зоне коммутации создается вследствие м. д. с. реакции якоря (рис. 2.16.) и дополнительных полюсов. Результирующая э.д.с. само- взаимоиндукции называется реактивной э.д.с. вращения от внешнего поля – коммутирующей. Подставив в уравнение (2.27.) значения токов i₁ и i₂ , равные, согласно первому закону Кирхгофа (из рис.2.22.):

и

получим

После подстановки значений R₁ и R₂ из уравнений (2.25.) и (2.26.) будем иметь

откуда следует, что при ∑е=0 ток i в коммутируемой секции будет линейной функцией времени.

Такая коммутация называется линейной (рис.2.23. тонк. лин.). В этом случае плотность тока под щеткой всюду одинакова.

Рис. 2.23. Линейная ( ^______ ), замедленная (^{_жирн______}) и

ускоренная ( - - - - - ) коммутации.

Действительно, для сбегающего края щетки

плотность тока под набегающим краем

Но α₁=α₂ , следовательно, j_щ1= j_щ2.

При ∑е≠0 , к току линейной коммутации будет добавляться ток:

По величине и направлению ток i_Д по отношению к току линейной коммутации зависит от величины и знака алгебраической суммы реактивной э.д.с. е_R и коммутирующей э.д.с. е_к . Согласно правилу Ленца, е_R будет задерживать изменение тока i. Вследствие этого он пройдет через нулевое значение позже, чем при линейной коммутации. Такая коммутация называется замедленной (рис.2.23.жирн. лин.). В отличие от линейной коммутации, плотность тока под щеткой при замедленной коммутации неравномерна: под сбегающим краем она больше, чем под набегающим (α_13А> α_23А).

Полярность внешнего поля устанавливается такой, чтобы е_к была направлена против е_R. Если к тому же е_к > е_R, то процесс изменения тока i ускоряется. Такая коммутация называется ускоренной (рис.2.23. штрих. лин.). Перегруженным здесь оказывается, как видно, набегающий край щетки (α_1УВ> α_2УВ). Чрезмерное увеличение плотности тока под щеткой при достаточном запасе электромагнитной энергии короткозамкнутой секции (где L_k – индуктивность секции) обусловливает появление искрения.

При этом увеличиваются износ щеток и потери, повышается температура щеточно-коллекторного узла, портится рабочая поверхность коллектора. Поэтому коммутация с искрообразованием считается неудовлетворительной. В соответствии с ГОСТ 183-55, искрение на коллекторе оценивается по степени искрения под сбегающим краем щетки согласно табл.1

Таблица 1.

Степень искрения	Характеристика степени искрения	Состояние коллектора щеток
1	Отсутствие искрения (темная коммутация)	Нет почернения на коллекторе и нагара на щетках
1 ¼	Слабое точечное искрение под небольшой частью щетки
1 ½	Слабое искрение под большей частью щетки	Следы почернения на коллекторе, легко устраняемые протиранием поверхности коллектора бензином, а также следы – нагара на щетках
2	Искрение под всем краем щетки. Допускается только при кратковременных толчках нагрузки и перегрузки	Следы почернения на коллекторе, не устраняемые протиранием поверхности коллектора бензином, а также следы нагара на щетках
3	Значительное искрение под всем краем щетки с наличием крупных и вылетающих искр. Допускается только для моментов прямого (без реостатных ступней) включения или реверсирования машин, если при этом коллектор и щетки остаются в состоянии, пригодном для дальнейшей работы	Значительное почернение на коллекторе, не устраняемое протиранием поверхности коллектора бензином, а также подгар и разрушение щеток.

Для авиационных машин при номинальном режиме работы степень коммутации обычно не выше . Следует отметить, что, помимо электромагнитных причин, указанных выше, большое влияние на коммутацию оказывают причины потенциального и механического характера.

Среднее значение напряжения между двумя соседними пластинами коллектора

где w_c – число витков в секции.

При нагрузке вследствие поперечной реакции якоря (рис. 2.24.) оно увеличивается до

Полагая, что α≈0,7, получим

Рис.2.24. Условие для возникновения максимального напряжения

между смежными коллекторными пластинами

Согласно опытным данным, коммутация авиационных машин протекает удовлетворительно только в том случае, если U_{к. макс} ≤15…20 В. При больших напряжениям в высотных условиях изоляционная прокладка между коллекторными пластинами может быть пробита, чему способствует не только снижение там пробивного напряжения, но также и всегда имеющаяся на коллекторе металлическая и угольная пыль.

Причины искрения механического характера связаны с несовершенством коллектора и щеточного аппарата (эллиптичность коллектора; выступление отдельных пластин, вызванное нагрева­нием и центробежными силами; несбалансированность коллекто­ра; вибрация щеток в обойме и т.д.). Обычно наиболее трудно устранить электрические причины искрения.