Электрические двигатели и генераторы

Коммутация

Под коммутацией в собственном смысле этого слова понимают переключение секции из одной ветви обмотки якоря в другую и происходящее при этом изменение тока в ней с одного направления на другое. Процессы, возникающие при этом в секции и под щеткой, называются коммутационными процессами. Их исследование представляет собой важную задачу, так как от ее правильного решения в большой степени зависит надежность работы коллекторной машины.

Под коммутацией в широком смысле слова понимаются все явления и процессы, возникающие под щеткой при работе машины. Говорят, что у машины хорошая коммутация, если нет искрения под щетками, и плохая коммутация, если под щетками возникает искрение.

Искрение щеток вызывается различными причинами. Оно может быть обусловлено механическими неисправностями: "эллиптичностью" коллектора, плохой стяжкой его пластин, шероховатостью его поверхности, выступанием в отдельных местах слюды над коллекторными пластинами, дрожанием щеткодержателей, щеточных болтов, траверсы и пр.

При указанных неисправностях в отдельные моменты времени будет нарушаться контакт щетки с коллектором и происходить разрыв цепи с током, что и приводит к искрению.

Неправильно подобранные щетки, чрезмерное или слишком слабое нажатие щеток на коллектор, неправильная их расстановка по коллектору также могут послужить причинами искрения под щетками.

Современные способы изготовления коллектора и всей щеточной аппаратуры позволяют получить эти части машины вполне надежными и удовлетворительно работающими в отношении коммутации.

Коммутационные процессы отличаются большой сложностью, так как они протекают под влиянием многочисленных факторов. Их теоретическое исследование встречает большие затруднения и возможно только при ряде допущений. Поэтому здесь важное значение имеют правильно и тщательно поставленные эксперименты.

Много дали для понимания коммутационных процессов теоретические и особенно экспериментальные работы академика К. И. Шенфера, проф. В. Т. Касьянова и других советских ученых.

Затруднения обычно возникают при решении вопросов, связанных с коммутацией в быстроходных мощных машинах [если произведение мощности на скорость вращения близко к предельным значениям: Р·n(2,5÷3,5)·106 кВт·об/мин]. Однако в настоящее время выводы теории и главным образом большой опыт, накопленный отечественными заводами, позволяют и для таких машин эти вопросы разрешать вполне удовлетворительно.

Рассмотрим вначале изменение тока в секции обмотки якоря при его вращении. Оно представлено кривой на рис. 5-27. Когда секция находится в одной параллельной ветви, то за время прохождения ею полюсного деления ток в ней сохраняет свое значение

.

Рис. 5-27. Изменение тока в секции за время прохождения ею двух полюсных делений.

 При переходе секции в другую параллельную ветвь ток в ней быстро изменяется с одного направления на другое за время Тк замыкания ее щеткой и далее имеет то же значение ia, пока секция не будет снова замкнута теткой. Время Тк называется периодом коммутации. Обычно оно составляет тысячные доли секунды. Вид кривой изменения тока в секции (рис. 5-27) объясняется тем, что ток в ней, пока она не замкнута щеткой, создается постоянной э.д.с. Еа всей параллельной ветви, а не э.д.с. одной секции.

Обратимся к рис. 5-28, где изображена секция простой петлевой обмотки, замкнутая щеткой. Будем пренебрегать толщиной изоляционной прослойки между коллекторными пластинами и примем, что ширина щетки равна ширине коллекторной пластины.

Рис. 5 28. Коммутируемая секция.

 Секция, замкнутая щеткой, называется коммутируемой секцией.

В момент, когда набегающий край щетки получит соприкосновение с пластиной 2, имеем начало коммутации. Примем, что конец коммутации получается в момент, когда пластина 1 отойдет от щетки.

Будем пренебрегать сопротивлениями самой секции и соединительных проводников между секцией и коллекторными пластинами. Они незначительны по сравнению с сопротивлениями переходного контакта между щеткой и коллекторными пластинами. Обозначив сопротивления переходных контактов сбегающего и набегающего краев щетки через r1 и r2, составим уравнение напряжений для указанного на рис. 5-28 контура:

i1r1 – i2r2 = e;          (5-27)

здесь e – сумма э.д.с., наведенных в коммутируемой секции. В эту сумму входят э.д.с. самоиндукции и взаимной индукции (рис. 5-29) и э.д.с. внешнего поля, имеющего место в коммутационной зоне, причем под последней понимается та часть поверхности якоря, где лежат стороны коммутируемых секций.

Рис. 5-29. Коммутируемые секции.

 Подставив в (5-27) равенства (рис. 5-28)

i1 = ia + i;          (5-28)

i2 = ia - i,          (5-29)

получим:

          (5-30)

Примем, что r1 и r2 не зависят от плотности тока и что они обратно пропорциональны площадям соприкосновения соответственно сбегающего края щетки S1, и набегающего края щетки S2:

          (5-31)

Площадь S2 пропорциональна времени t, протекшему от начала коммутации, а площадь S1 – времени Тк - t, оставшемуся до конца коммутации. Поэтому можем написать:

          (5-32)

В действительности r1 и r2 зависят от плотности тока, так как ток проходит не только через точки непосредственного соприкосновения щетки с коллекторными пластинами, но и через тонкие воздушные прослойки между ними, в которые к тому же попадает увлажненный воздух. Следовательно, мы здесь имеем также ионные процессы, в том числе и электролитические, которые не могут быть точна рассчитаны. Кроме того, надо отметить нестабильность контакта щетки с коллекторными пластинами, в особенности ее сбегающего края, что приводит к изменению периода коммутации, отличающегося в действительности от его расчетного значения Тк. Принятое нами допущение позволяет все же проследить приближенно процессы с их качественной стороны и получить некоторые исходные данные для расчета дополнительных полюсов, которые могут быть уточнены опытной проверкой.

б) Прямолинейная коммутация.

Допустим, что сумма э.д.с., наведенных в коммутируемой секции, в любой момент времени равна нулю: e = 0. Тогда равенство (5-30) принимает вид:

          (5-33)

Отсюда, учитывая (5-32), получим:

          (5-34)

 Полученное равенство показывает, что в рассматриваемом случае ток i в коммутируемой секции будет линейной функцией времени (рис. 5-30). Такая коммутация называется прямолинейной. При прямолинейной коммутации плотность тока под щеткой в любой момент времени будет распределена равномерно.

Рис. 5-30. Прямолинейная коммутация.

 Плотности тока под набегающим краем щетки , под сбегающим краем щетки . Так как S2t и S1Tк-t, то  и  (рис. 5-30); но 1=2, следовательно, 1=2.

в) Криволинейная коммутация.

Рассмотрим э.д.с., наведенные в коммутируемой секции. Примем, что в коммутационной зоне нет внешнего поля (например, при положении щеток на физической нейтрали). В этом случае в коммутируемой секции будут иметь место только э.д.с. самоиндукции и э.д.с. взаимной индукции. Последняя будет наводиться вследствие изменения тока и создаваемого им поля соседней секции, замкнутой другой щеткой (рис. 5-29).

Результирующая э.д.с. самоиндукции и взаимной индукции называется реактивной э.д.с., Обозначим ее через еR. Она согласно закону Ленца будет задерживать изменение тока. Ток i вследствие этого будет проходить нулевое значение позже, чем при прямолинейной коммутации (рис. 5-31). Такая коммутация называется замедленной. При замедленной коммутации плотность тока на сбегающем крае щетки возрастает. Здесь  будет больше, чем . В этом-случае может быть искрение при разрыве цепи в момент, когда коллекторная пластина 1 отходит от щетки, так как реактивная э.д.с.  (LR учитывает индуктивность и взаимную индуктивность коммутируемой секции) достигает больших значений из-за большой скорости изменения тока di/dt в конце периода коммутации.

Рис. 5-31. Замедленная коммутация.

 Электродвижущая сила, наведенная в коммутируемой секции внешним полем, называется коммутирующей; обозначим ее через ек. Полярность внешнего поля устанавливается таким образом, чтобы ек была направлена против еR. Если при этом ек > еR, то процесс изменения тока i ускоряется (рис. 5-32). Коммутация называется ускоренной. При ускоренной коммутации перегружается током набегающей край щетки. При его чрезмерной перегрузке может возникнуть искрение в моменты замыкания секции, когда пластина 2 подходит к щетке.

Рис. 5-32. Ускоренная коммутация.

На главную