1.7 Коммутация в машинах постоянного тока

При вращении якоря секции обмотки непрерывно перехо­дят из одной параллельной ветви в другую и в них происходит из­менение направления тока. Процесс переключения секции из одной параллельной ветви в другую называется коммутацией. В широком смысле слова под коммутацией понимают совокупность явлений, свя­занных с изменением направления тока в секциях при переходе их из одной параллельной ветви в другую, и передачей тока через сколь­зящий контакт между коллектором и щеткой. Процессы, возникающие при этом в секциях и под щетками, называются коммутационными. Пе­реключаемая секция называется коммутируемой, а время в течение которого происходит процесс коммутации — периодом коммутации Т. Коммутацию рассмотрим на примере простой петлевой обмотки

П

Рисунок 1.31

роцесс переключения одной секции показан на рисунке 1.31 при ус­ловии, что ширина щеток b_щ равна ширине коллекторной пластины b_k. В реальной машине щетка перекрывает несколько пластин и процесс коммутации происходит сразу в нескольких секциях. За время переключения сила тока в короткозамкнутой (коммутирующей) секции изменяется от значения i_a до того же значения в обратном направ­лении т.е. от +i_a до –i_a. Установим закон изменения комму­тационного тока, причины и следствия его изменения. При вращении коллектора пластина I постепенно сбегает со щетки, а пластина 2 набегает на щетку, происходит замыкание секции щеткой через кол­лекторные пластины I и 2 накоротко. Для контура короткозамкнутой секции можно составить уравнение ЭДС по второму закону Кирхгофа.

,

(1.24)

где – сумма ЭДС индуктируемых в коммутируемой секции ;

i – ток в коммутируемой секции ;

R_k– активное сопротивление K–го участка контура.

В коммутируемой секции индуктируется ЭДС самоиндукции e_L, вызванная изменением тока в секции, ЭДС взаимоиндукции e_M, выз­ванная изменением тока в соседних одновременно коммутируемых сек­циях, коммутирующей ЭДС e_k, возникающей в секции за счет пере­сечения ее результирующим полем или полем добавочных полюсов. Кроме того возникает трансформаторная ЭДС e_τ, вызванная пульсаци­ей во времени магнитного потока Ф из–за зубчатости якоря.

Одна­ко она мала и ее в дальнейшем не учитываем.

Сумму ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции называют реактивной ЭДС

.

(1.25)

Она равна

,

(1.26)

где L_c – индуктивность секции ;

M_c– взаимная индуктивность секции;

L_k=L_c+M_c –эквивалентная индуктивность секции.

По закону Ленца реактивная ЭДС направлена таким образом, чтобы препятствовать изменению тока в коммутируемой секции.

ЭДС e_k может действовать как согласно с e_p, так и встречно. Это зависит от направления внешнего магнитного поля в зоне коммутации, то есть

.

Активное сопротивление щеточного контакта значительно боль­ше других сопротивлений контура короткозамкнутой секции. Поэтому для упрощения будем учитывать только сопротивления R_щ1 и R_щ2 – контактные сопротивления сбегающего и набегающего краев щетки. Тогда ,

.

(1.27)

По первому закону Кирхгофа для узлов А и В можно записать

, .

(1.28)

Решая совместно уравнения (1.27) и (1.28) получим

.

(1.29)

Переходные сопротивления R_щ1 и R_щ2 обратно пропорциональны пло­щадям касания щетки с коллекторными пластинами и, если учесть, что эти площади изменяются пропорционально времени коммутации, то получим

;	(1.30)
,	(1.31)

Где R_щ – сопротивление переходного контакта всей поверхности щетки ;

S_щ – полная площадь контакта щетки с коллектором ;

S_щ1, S_щ2 – площади сбегающего и набегающего контакта щеток с коллектором;

Tк – период коммутации ;

t– промежуток времени от начала коммутации.

Подставляя значение R_щ1 и R_щ2 в уравнение (1.29), найдем

.

(1.32)

Анализируя уравнения (1.32) и (1.27) видим, что если коммути­рующая ЭДС e_k будет равна реактивной ЭДС e_p, и направлена навстречу ей, то вторая составляющая коммутационной силы тока будет равна нулю, так как =0 и

сила тока будет изменяться по линейному закону

.

Г рафик этой функции представлен на рисунке 1.32. Токи i₁ и i_2, текущие через коллекторные пластины изменяются во времени линейно. Коммутация с таким характером изменения токов называется прямоли­нейной. Плотность тока по всей площади будет одинаковой. Это наиболее благоприятная коммутация.

Рисунок 1.32

При ток в секции i представляет сумму двух состав­ляющих: линейного тока i_л и так называемого добавочного тока ком­мутации i_к, определяемого величиной . При e_к<e_p доба­вочная сила тока i_к, накладываясь на силу тока линейной комму­тации i_л, будет задерживать изменение тока в секции и она сначала будет изменяться медленнее (кривая I рисунок 1.33), чем при линейной коммутации. Такой процесс изменения силы тока в коммути­руемой секции называется замедленной криволинейной коммутацией. Она характеризуется неравномерным распределением тока под щеткой. Под сбегающим краем щетки плотность будет больше, чем род набега­ющим. Это приведет к искрообразованию на коллекторе.

Рисунок 1.33

При e_к>e_p добавочная сила тока i_к накладываясь на i_л бу­дет ускорять изменение тока i в секции и процесс коммутации пой­дет быстрее, чем при линейной коммутации (кривая 2 рисунок 1.33). Такая коммутация называется ускоренной криволинейной коммутацией. В этом случае добавочный ток будет увеличивать плотность тока под набегающим краем щетки и уменьшать под сбегающим, создавая неравномерную плотность тока. Это также приводит к искрообразованию на коллекторе.Т аким образом, состояние коммутации определяется, главным образом, значением тока i_к, величина которого зависит от суммарной ЭДС и сопротивления переходного контакта щетки R_щ.

В соответствии с нормами (ГОСТ 183-74) искрение на коллекторе электрической машины должно оцениваться по степени искрения под сбегающим краем щётки и по шкале (классам коммутации), указанной в таблице 1.1. Электрические машины,предназначенные для работы в длительном режиме, при номинальной нагрузке должны практически работать без искрения (допустимая степень искрения должна быть не выше 1 ½ ). У электрических машин, работающих в кратковременном и повторно-кратковременном режимах, при номинальной нагрузке может быть допущена степень искрения ( класс коммутации) 1 .

. Причины искрения могут быть различными.

1. Механические, приводят к искрению из–за нарушения или ухудшения скользящего контакта. Они связаны с неисправностью кол­лектора и щеточного аппарата. К ним относятся: неровность поверхности коллектора, его эксцентричность, выступание изоляции между пластинами, плохая балансировка, плохое крепление траверсы или щеткодержателей, неправильный выбор марки щеток, слабое нажатие щеток, плохая притирка щеток к коллектору и пр.

2. Потенциальные, вызываемые неравномерным распределением напряжения на коллекторе. Если напряжение между соседними коллек­торными пластинами превысит определенное значение, то может возникнуть искрение из–за электрического пробоя изоляционных промежутков между пластинами. При нагрузке машины, из–за поперечной реакции якоря, распределение магнитной индукции, а, следовательно, и распре- деления напряжения между коллекторными пластинами при­обретает резко неравномерный характер. Вследствие этого напря­жение между соседними пластинами может достигнуть больших зна­чений. Эти значительные напряжения могут привести к проскакиванию искр между соседними пластинами и даже к перекрытию их другой. Максимально допустимое напряжение между соседними коллекторными пластинами в зависимости от мощности машины 25–60 В.

3. Коммутационные, определяются соотношением ЭДС в коммути­рующей секции. При значительном преобладании неактивной –ЭДС ком­мутирующая секция имеет значительный запас электромагнитной энер­гии . В момент сбегания щетки с коллекторной пластины про­исходит разрыв коммутирующей цепи. Разряд электромагнитной энергии секции и является причиной искрения. Искрению способствует также нагрев краев щетки в результате неравномерного распределения плот­ности тока под щеткой.

При выявлении причин искрения полезным полезным может оказаться наблюдение за цветом искр ихарактером их образования (таблица 1.2).

Степень искрения ( класс коммутации ) проверяют в номинальных условиях работы при практически установившейся температуре, но не ранее чем через 2 часа для машин мощностью до 100 кВт 4 часа – для машин мощностью более

100 кВт.

Таблица № 1.1 Оценка степени искрения на коллекторе электрической машины.

Степень искрения	Характер искрения	Последствия искрения	Когда допускается
1	Отсутствие искрения (темная коммутация)	Коллектор и щетки остаются в состоянии, пригодном для длительной работы. Коммутация считается «практически без искрения». Отсутствие почернения на коллекторе и нагара на щетках.	Допускается для всех номинальных режимов работы.
1¼	Слабое точечное искрение под небольшой частью щетки, приблизительно у четверти числа всех щеток.
1½	Слабое искрение под большей частью края щетки, приблизительно у половины числа всех щеток.	Появление следов почернения на коллекторе, легко устраняемых протиранием поверхности бензином, и следов нагара на щетках.
2	Искрение под большей частью щетки у большинства или у всех щеток.	При длительной работе на коллекторе остаются следы почернения, а на щетках – следы нагара, не устраняемые протиранием поверхности бензином.	Допускается при кратковременных перегрузках, толчках и реверсах (с реостатами или пусковыми ступенями).
3	Значительное искрение у всех щеток, недопустимое при длительной работе с наличием вылетающих искр.	При длительной работе возникает почернение коллекторных пластин, а также подгар и разрушение щеток. Это соответствует «опасному искрению».	Допускается только для моментов прямого (без реостатных ступеней) включения или реверсирования, если при этом коллектор и щетки остаются в состоянии, пригодном для длительной работы.

Таблица 1.2 Признаки искрообразования

Электромагнитного характера

Механического характера

Цвет искр бело-голубой или желтоватый. Искры располагаются под сбегающим краем электрощетки. Интенсивность искрообразования зависит от нагрузки и возрастает с ее увеличением. Искрообразование возрастает с увеличением нажатия на электрощетку. С увеличением окружной скорости якоря искрообразование изменяется незначительно. Нагар (почернение) на коллекторе по всей его поверхности, подгорают отдельные пластины, причем в расположении подгоревших пластин наблюдается определенная закономерность. Интенсивность искрообразования зависит от температуры; с повышением температуры оно возрастает

Цвет искр зеленоватый. Искры располагаются под контактной поверхностью щетки. Интенсивность искрообразования зависит от нагрузки. Искрообразование ослабевает с увеличением нажатия на электрощетку. С увеличением окружной скорости якоря искрообразование резко возрастает. Нагар (почернение) происходит на отдельных участках поверхности коллектора; в расоложении подгоревших пластин закономерности не наблюдается. Интенсивность искрообразования от температуры не зависит.

Современные средства улучшения коммутации, главным образом, сводятся к устранению коммутационных и потенциальных причин иск­рения.

1. Применение добавочных полюсов. Безыскровая коммутация в маши­не будет при прямолинейной коммутации. Это произойдет если i_к=0. Добавочный ток i_к полностью исчезает, если коммутационная ЭДС е_к уравновешивает реактивную ЭДС e_p. Для создания соответствующей e_к устанавливают в зоне коммутации между главными полюсами добавочные полюсы. МДС добавочных полюсов F_к должна быть направ­лена против МДС реакции якоря F_q , чтобы скомпенсировать ее в зоне коммутации (ЭДС от поля реакции якоря стремится замедлить коммутацию) и создать сверх того поле для компенсации реактивной ЭДС e_p. Учитывая сказанное можно определить полярность добавоч­ных полю

сов: в генераторе за главным полюсом должен следовать по направлению вращения добавочный полюс противоположной полярности, а в двигателе наоборот (рисунок1.34). Для того, чтобы компенсация ЭДС e_p и e_к существовала при всех значениях тока якоря, обмотка добавочных полюсов соединяются после довательно с якорем, а сердеч­ник этих полюсов делается ненасыщенном. В малых машинах без до­бавочных полюсов требуемая компенсация может быть достигнута пу­тем некоторого сдвига щеток, а следовательно и коммутационной

Рисунок 1.34

зоны с геометрической нейтрали: у генераторов – в сторону вращения яко­ря, у двигателей – против его вращения.

сов: в генераторе за главным полюсом должен следовать по направлению вращения добавочный полюс противоположной полярности, а в двигателе наоборот (рисунок1.34). Для того, чтобы компенсация ЭДС e_p и e_к существовала при всех значениях тока якоря, обмотка добавочных полюсов соединяются после довательно с якорем, а сердеч­ник этих полюсов делается ненасыщенном. В малых машинах без до­бавочных полюсов требуемая компенсация может быть достигнута пу­тем некоторого сдвига щеток, а следовательно и коммутационной зоны с геометрической нейтрали: у генераторов – в сторону вращения яко­ря, у двигателей – против его вращения.

2. Применение компенсационной обмотки. Для эффективной компенса­ции МДС поперечной реакции якоря и улучшения коммутации, в полюс­ных наконечниках главных полюсов предусматривают устройство пазов, в которых укладывают компенсационную обмотку (рисунок 1.34). Эта обмотка включается последовательно якорю с целью автоматической компенсации F_q при всех нагрузках. Закон распределения МДС ком­пенсационной обмотки в воздушном зазоре имеет вид почти зеркаль­ного отображения МДС реакции якоряF_q

3. Применение твердых сортов щеток. Некоторое уменьшение тока можно достигнуть увеличением сопротивления контакта щеток R_щ, что осуществляется применением более твердых сортов. В машинах постоянного тока применяют угольно–графитные (УГ), графитные (Г), электрографитированные (ЭГ), медно–графитные (МГ) и бронзо–графитные (БГ) щетки. С целью улучшения коммутации целесообразно при­менять твердые щетки (УГ, Г, ЭГ), так как они обладают наибольшей величиной переходного сопротивления. Однако допускаемая плотность тока твердых щеток невелика, поэтому их применение ведет к необ­ходимости увеличения площади щеточного контакта, что требует уве­личения габаритов коллектора. На кораблях обычно используются графитные и электрографитированные щетки. Для этих же целей в крупных машинах применяют разрезные щетки, которые обеспечивают, кроме того, и лучший контакт щетки с коллектором.

4. Нормальные условия охлаждения. Чрезмерный нагрев щеток и кол­лектора может явиться причиной искрения. Кроме того, опыт эксплу­атации машин постоянного тока показывает, что безыскровая и дол­госрочная работа коллектора наблюдается при образовании на поверх­ности коллектора устойчивой оксидной пленки, которая образуется только при определенной влажности, температуре и чистоте охлаж­дающей среды.