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.

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:

(22.2)

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:

(22.3)

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 е_р) 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).