Коммутация в машинах постоянного тока



Искрообразование под щетками ведет к быстрому разрушению коллектора. Причины искрообразования могут быть механически­ми и электрическими. Механическая причина искрения — это ухуд­шение контакта между коллектором и щетками, что может быть след­ствием неровности коллектора, дрожания щеток и т. п., а неудовлет­ворительная коммутация — электрическая причина искрения.

Коммутацией в электрических машинах называется вся совокуп­ность явлений при изменении направления тока в секциях обмотки якоря во время замыкания щетками этих секций накоротко. В то время как пластины коллектора, к которым присоединены концы секций, замкнуты щеткой накоротко, секция переходит из одной параллельной ветви обмотки в другую. Сущность процесса комму-


Ши vqM
V 1
а в

21


Электри- ъШ i 21 ческая дуга | у


 



Рис. 13.20

тации поясним на простейшем примере петлевой обмотки якоря (рис. 13.20). Время, в течение которого секция обмотки вращающе­гося якоря замкнута щеткой накоротко, называется периодом ком­мутации Т. За это время ток в секции должен измениться от значе­ния +/(рис. 13.20, а) до значения -/(рис. 13.20, в), т.е. на 21. Чем быстрее вращается якорь и чем меньше ширина щетки тем мень­ше период коммутации:

T=bJvK,                          (13.3)

где г;к — окружная скорость коллектора.

Если бы в коммутируемой секции не индуктировалась никакая ЭДС, то ход процесса коммутации тока в секции определялся бы только соотношениями переходных сопротивлений контактов щет­ки с двумя пластинами коллектора. Одна из этих пластин постепен­но уходит из-под щетки, а вторая входит под щетку. Для упрощения рассуждений будем считать, что ширина щетки не больше ширины одной коллекторной пластины, и пренебрежем небольшими по срав­нению с переходным сопротивлениемRmконтакта щетки и коллек­тора сопротивлениями проводов, соединяющих обмотку якоря с коллектором, и самой секции.

Во время коммутации щетка касается сразу двух пластин кол­лектора и образует с ними два переходных сопротивления, обратно пропорциональных соответствующим площадям контактов. Следо­вательно, переходное сопротивление контакта с пластиной, уходя­щей из-под щетки, возрастает, т. е.

R, = RmT/(T- t), а с пластиной, набегающей на щетку, уменьшается:

=RmT/t,

гдеt —время от начала коммутации.

Ток /щетки должен распределиться между двумя пластинами кол­лектора обратно пропорционально их переходным сопротивлениям:

h/h= R2/Ri= (Т -t)/t.


Согласно первому закону Кирхгофа, ток коммутируемой секции (рис. 13.20, б) определяется по формуле

г = h - /,

а ток внешней цепи во время коммутации складывается из токов в двух переходных контактах щетки:

2/ = ij + г2,

Следовательно,

21 = цТ/(Т -t) илиiy= 21(T - t)/T, а ток в коммутируемой секции

г =2I(T — t)/(T- I) = 1(Т- 2t)/T.

В начале коммутации приt= 0 этот ток г = /, а в конце коммута­ции приt = Т он будет г — —/

Ток / (рис. 13.20) — это ток одной параллельной ветви обмотки якоря. В общем случае при 2 а параллельных ветвях ток якоря /я = = 2 о/. Следовательно, ток в коммутируемой секции

т.е. изменяется во время коммутации линейно (рис. 13.21, а). Такая коммутация называется прямолинейной. В этом идеальном случае плотность тока под всей щеткой одинакова и неизменна во все вре­мя коммутации, благодаря чему отсутствуют коммутационные при­чины искрения.

Здесь был рассмотрен простейший случай с шириной щетки Ьщ не больше ширины коллекторной пластины. В действительности щетка всегда перекрывает несколько коллекторных пластин, но это обстоя­тельство не изменяет линейный характер процесса коммутации при отсутствии в коммутируемой секции индуктированных ЭДС.

а

Однако в реальных условиях неизбежно возникновение ЭДС са­моиндукции в коммутируемой секции; витки секции лежат в пазах

г


 

б

ферромагнитного тела — сердечника якоря, следовательно, секция обладает заметной индуктивностьюLи изменение тока при комму­тации должно индуктировать в секции некоторую ЭДС самоиндук­цииeL.К этой ЭДС добавляется еще ЭДС взаимной индукции ем, индуктируемая изменениями тока в соседних секциях, коммутиру­емых одновременно. Обе ЭДС согласно принципу Ленца противо­действуют изменению тока в секции, задерживают это изменение. Результирующую ЭДС, индуктируемую изменениями тока, приня­то называть реактивной ЭДС:

ер = еь + ем.

Ее можно выразить как ЭДС самоиндукции [см. (2.2)] через не­которую индуктивность секции Ьс и изменение тока во времени:

ер = —Lcdi/ dt.

Реактивная ЭДС задерживает изменение тока (рис. 13.21, б) и делает коммутацию замедленной в течение большей части периода, но к концу периода, когда уходящая пластина выйдет из-под щетки, ток в секции должен принудительно принять значение -1я/2а. Сле­довательно, в конце неизбежно ускоренное изменение 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 щетки, а это мо­жет вызвать сильное нагревание края щетки и края пластины кол­лектора. Обе эти причины могут обусловить искрение — возникно­вение миниатюрных электрических дуг под щеткой со стороны ухо­дящей пластины коллектора.

Для того чтобы уничтожить или хотя бы ослабить вредное дей­ствие реактивной ЭДС, необходимо противопоставить ей вторую ин­дуктируемую ЭДС, называемую коммутирующей ЭДС ек. Таким образом, условие идеальной коммутации:

ер = = 0.

Коммутирующая ЭДС создается движением витков коммутиру­емой секции во внешнем магнитном поле, причем в большинстве случаев ек индуктируется магнитным полем дополнительных полю­сов машины Фд п, т. е.

ек = -Wcd^w/dt.

При изменениях нагрузки машины изменяется и реактивная ЭДС, пропорциональная току якоря, но одновременно в такой же мере из­меняется и коммутирующая ЭДС, так как обмотка дополнительных полюсов соединена последовательно с якорем. Таким образом, при из­менениях нагрузки не нарушается взаимная компенсация ЭДС ер и ек.


Усилив надлежащим образом поле дополнительных полюсов пу­тем увеличения числа витков их обмотки, можно сделать ек> ер, что
обусловит ускоренную коммутацию. Она осуществляется в маши­нах, предназначенных для особо тяжелых условий работы, напри­мер при частом реверсировании.

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 ек индуктируется главным магнитным полем, при­чем в генераторе щетки должны быть сдвинуты по направлению вра­щения якоря, а в двигателе — против направления вращения (см. рис. 13.15, в).

О 50 100 /в,% Рис. 13.23

/ ф © 0—.

Особо опасный случай неблагоприятной коммутации представ­ляет собой круговой огонь по коллектору. Это мощная электрическая дуга, замыкающаяся непосредственно по коллектору или даже пе­рекидывающаяся на станину машины, так что машина может тяже­ло пострадать. Круговой огонь возникает при резком изменении тока в коммутируемой секции обмотки якоря, что вызывает увеличение реактивной ЭДС, а последняя создает мощную дугу между щеткой и краем уходящей пластины. Эта дуга не гаснет и растягивается вследствие вращения коллектора; в результате непосредственно на коллекторе машины возникает короткое замыкание, разрушающее коллектор и щетки.


Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 357;