Меню

Какие способы улучшения коммутации применяются в машинах постоянного тока

Способы улучшения коммутации на коллекторе

Дата публикации: 18 марта 2012 .
Категория: Статьи.

Для создания хороших условий коммутации необходимо прежде всего обеспечить надлежащее состояние коллектора и щеточного аппарата, чтобы устранить механические причины искрения. Ниже рассматриваются способы обеспечения необходимых электромагнитных условий коммутации. Эти способы направлены на уменьшение добавочного тока коммутации или тока короткого замыкания коммутируемой секции и сводятся к следующим мероприятиям: 1) созданию коммутирующей электродвижущей силы (э. д. с.) с помощью добавочных полюсов или сдвига щеток с геометрической нейтрали, 2) уменьшению реактивной э. д. с. и 3) увеличению сопротивления цепи коммутируемой секции.

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.

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

Добавочные полюсы

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.

Улучшение коммутации

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.

Улучшение коммутации путем сдвига щеток

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:

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).

Уменьшение реактивной ЭДС

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.

Читайте также:  Расчет трансформатора тока по трансформатору напряжения

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.

Создание хороших условий коммутации

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.

Увеличение сопротивления цепи коммутируемой секции

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

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.

Источник

Способы улучшения коммутации

Для создания хороших условий коммутации необходимо прежде всего обеспечить надлежащее состояние коллектора и щеточного аппарата, чтобы устранить механические причины искрения (см. § 6-2). Ниже рассматриваются способы обеспечения необходимых электромагнитных условий коммутации. Эти способы направлены на уменьшение добавочного тока коммутации или тока короткого замыкания коммутируемой секции и сводятся к следующим мероприятиям: 1) созданию коммутирующей э. д. с. с помощью добавочных полюсов или сдвига щеток с геометрической нейтрали,

2) уменьшению реактивной э. д. с. и 3) увеличению сопротивления цепи коммутируемой секции. 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 (рис. 6-12) и крепятся болтами к ярму индуктора. Н. с. добавочных полюсов Fx_ п должна быть направлена против н. с. реакции

якоря Fад, чтобы скомпенсировать ее и создать сверх того коммутирующее поле Вк для компенсации реактивной э. д. с. ег. Следовательно, при отсутствии компенсационной обмотки Ря п > Fag, а при наличии ее РЛшП + FK0 > Faq. В последнем случае требуемая величина F’x- п меньше, так как основная доля реакции якоря компенсируется компенсационной обмоткой.

Учитывая сказанное, на основании рис. 6-12 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 ег пропорциональны току якоря, то для их компенсации f д „ н Вк также должны быть пропорциональны току якоря. Для удовлетворения этого условия обмотку добавочных полюсов соединяют последовательно с якорем, а добавочные

Рис. 6-12. Расположение и полярность добавочных полюсов

полюсы выполняют с ненасыщенной магнитной системой. Поэтому при номинальной нагрузке в них допускается индукция не больше 0,8—1,0 шл. 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 гпл. Сердечники добавочных полюсов изготовляются массивными из стальной поковки или из листовой стали.

Рис. 6-13. Добавочные полюсы с неподразделенным (а) и подразделенным (б) немагнитным зазором

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

С другой стороны, реактивная э. д. с. та»кже пропорциональна

Поэтому соблюдение условия ек = ег при изменении нагрузки и скорости вращения достигается автоматически.

При относительно малом полезном магнитном потоке добавочных полюсов их н. с. FK п приходится брать большой, так как значительная часть Рл_п (75—85%) расходуется на компенсацию Faq. По этой причине коэффициент рассеяния добавочных полюсов велик: ад = 3 -f- 5 при отсутствии компенсационной обмотки и Од = 2 -т- 3 при наличии ее. Если обмотка добавочных полюсов располагается далеко от якоря (рис. 6-13, а), то возникает большой поток рассеяния. Для уменьшения рассеяния обмотку добавочных полюсов-размещают ближе к якорю (рис. 6-13, б), а в крупных машинах, кроме того, подразделяют воздушный зазор на две части путем создания второго немагнитного зазора между ярмом и сердечником добавочного полюса (рис. 6-13, б) с помощью немагнитных прокладок н. п., например, из меди или дюралюминия.

Читайте также:  Измерение тока мультиметром цифровым нужны амперы

Добавочные полюсы применяются в машинах с Рн > 0,3 кет. Обычно число добавочных полюсов берется равным числу главных, однако вмашинах мощностью до 2—2,5 кет 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, т. е. обмотки, включенные последовательно с якорем, в том числе и обмотку добавочных полюсов, разбивают на две части, которые присоединяют к щеткам противоположной полярности (рис. 6-14). Кроме того, между щетками разных полярностей и корпусом машины присоединяют конденсаторы для шунтирования высокочастотных колебаний Рис 6-14 Подавление радио- на зажимах машины.

помех Н. с. добавочного полюса.При-

равняв равенства (6-22) и (6-28), найдем величину Вк Вк, необходимую для осуществления прямолинейной коммутации:

Если Аа = (3 -г- 5) -10 4 а/м и I = (5 -г- 8) -Ю» 8 гн/м, то В’к = = 0,15 -f- 0,40 тл.

Для обеспечения несколько ускоренной коммутации необходима определенная дополнительная составляющая В’к, так что

Ускоренная коммутация характеризуется тем, что плотность тока /щ н и соответственно падение напряжения в скользящем контакте А^/щ н У набегающего края щетки больше, чем соответствующие величины /щ с и Л£/щ с у сбегающего края щетки. Для осуществления ускоренной коммутации берут при графитных щетках Л£/щ „ — А17Щ с = 1,0 -f- 1,5 в и при медных щетках Л£/щ „ — — Д£/щ с = 0,35 -f- 0,65 е. Соответственно на такую же величину необходимо увеличить коммутирующую э. д. с. в контуре, замыкаемом накоротко краями щетки.

В общем случае щетка перекрывает |3К пластин и при простой петлевой обмотке замыкает столько же секций. Однако в общем случае m-ходовой сложной петлевой обмотки число последова-

Добавочный полюс должен создавать коммутирующее поле на протяжении всей ширины зоны коммутации, причем к краям этой зоны величина Вк должна спадать в соответствии с формой кривой ег паза (см. рис. 6-11, ж). Зазор бд обычно в 1,5—2,0 раза больше зазора 6 под главными полюсами. Ширина наконечника добавочного полюса при этом составляет

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 начинает действовать поле главных полюсов (рис. 6-15). Чтобы индуктируемая этим полем в коммутируемой секции э. д. с. ек имела правильное направление, поле главных полюсов в зоне коммутации должно быть направлено против поля реакции якоря. Для этого в генераторе щетки необхрдимо повернуть в сторону вращения, а в двигателе — наоборот (рис. 6-15).

Если поток главных полюсов Фа изменяется пропорционально току якоря (машины с последовательным возбуждением, см. § 9-5 и 10-5), то при определенном, фиксированном положении щеток можно достичь хороших условий коммутации в широком диапазоне изменения нагрузки. Если же Фб = const, то наилучшие условия коммутации достигаются только при одной, определенной нагрузке.

Установку щеток производят на глаз, наблюдая за их искрением. Уменьшение реактивной э. д. с. Как уже указывалось выше, для обеспечения хорошей коммутации необходимо, чтобы е; ^

Источник

Способы улучшения коммутации в машинах постоянного тока.

date image2015-09-06
views image6082

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Основная причина неудовлетворительной коммутации в машинах постоянного тока – добавочный ток коммутации.

iД= Σе/Σrк, (1)
где Σrк – сумма сопротивлений секции, мест пайки в петушках, переходного контакта между коллекторными пластинами и щеткой.

Из перечисленных сопротивлений наибольшее значение имеют сопротивление щетки и переходного контакта.

Из полученного выражения следует, что уменьшить ток iД, а следовательно улучшить коммутацию, можно либо увеличением сопротивления Σrк, либо уменьшением суммарной ЭДС Σе в коммутирующей секции.

Отсюда вытекают способы улучшения коммутации. Рассмотрим некоторые из них.

Выбор щеток. Целесообразно выбирать щетки с большим электрическим сопротивлением. Однако допустимая плотность тока в этих щетках невелика, а поэтому их применение в машинах с большим рабочим током ведет к необходимости увеличения площади щеточного контакта, что требует увеличения длины коллектора, а следовательно и габаритов машины. Поэтому щетки с большим электрическим сопротивлением применяют в машинах с небольшим рабочим током (в высоковольтных машинах).

Увеличению переходного сопротивления щеточного контакта, а следовательно улучшению коммутации, способствует политура коллектора – тонкая оксидная пленка на поверхности коллектора, обладающая повышенным электрическим сопротивлением.

Уменьшение реактивной ЭДС.Существенное влияние насуммарную ЭДС в коммутирующей секции оказывает реактивная ЭДС ер = еLМ.

1) ЭДСвзаимоиндукции еМ в значительной степени зависит от ширины щетки: чем шире щетка, тем большее число секций под ней одновременно коммутирует, что вызывает увеличение ЭДС взаимоиндукции еМ.

Наиболее целесообразны щетки шириной 2-3 коллекторные пластины. Более узкие щетки нежелательны из-за недостаточной механической прочности, а также потому, что для создания необходимой площади щеточного контакта пришлось бы увеличивать её длину, а следовательно и габариты машины.

При применении обмоток с укороченным шагом 1

Источник



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.

Читайте также:  Кроссворд магнитного поля тока

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:

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:

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).

Источник