logo
Тексты лекций

Коммутация машин постоянного тока

При вращении ротора машины постоянного тока щетки скользят по поверхности коллектора, поочередно подключая во внешнюю цепь секции обмотки якоря. При этом происходит переключение тока в подключаемых секциях, называемое коммутацией. Коммутация и

грает важную роль в работе коллекторных машин, определяя искрение под щетками. Процесс коммутации происходит следующим образом.

В момент t1 щетка находится на коллекторной пластине 1, ток во внешнюю цепь течет через точку «а» из секций, расположенных как справа от коммутирующей секции «abc»,так и слева от нее, вследствие чего ток по коммутирующей секции течет от точки «с» к точке «а».

При движении коллектора слева направо щетка перемещается по поверхности коллектора справа налево и в момент времени t2 располагается посередине между пластинами коллектора 1 и 2. Ток теперь течет во внешнюю цепь через обе пластины, перекрываемые щеткой. Если ширина перекрываемых частей коллекторных пластин точно одинакова, токи, текущие через них, будут равны, т. к. в этом случае сопротивления для этих токов будут равны. Следовательно, ответвляться в секцию «abc» ток не будет ни справа, ни слева.

Наконец, в момент времени t3 щетка находится над второй пластиной, ток во внешнюю цепь течет через точку «с», направление тока в коммутирующей секции по сравнению с моментом t1 меняется на противоположное.

Так как перемещение щетки по коллектору заведомо равномерное, отрезки времени t1 – t2 и t2 – t3 равны. Рассматривая изменение тока в секции «авс» только как функцию перемещения щетки, можно сделать вывод, что ток линейно зависит от времени, как показано линией 1. Такая коммутация называется прямолинейной и представляет собой идеализированный случай. Фактически процесс коммутации протекает сложнее, так как изменение тока в коммутирующей секции зависит не только от перемещения щетки, но и от ЭДС, индуктируемых в этой секции. Это прежде всего ЭДС самоиндукции

еL = – Ldiabc/dt, где L – индуктивность секции, зависящая от квадрата витков wc2. Здесь индуктируется ЭДС взаимоиндукции ем = – Mdi/dt, определяемая скоростью изменения тока i' в соседней секции, тат как фактически всегда щетка больше ширины одной коллекторной пластины и перекрывает одновременно 2 – 4 пластины. Поэтому процесс коммутации всегда идет одновременно в нескольких секциях.

ЭДС еL и ем имеют индуктивный характер и в сумме могут быть обозначены ер = еL + ем.

Ток в секции «аbc» от этой ЭДС iр = ер/zc в течение первой половины периода коммутации t1 – t2 препятствует изменению тока ia, а индуктивный характер тока проявляется в задержке электромагнитных процессов в коммутирующей секции. В результате в оставшуюся часть периода коммутации ток в секции «аbc» изменяется более резко, под сбегающим краем щетки возникает повышенная плотность тока. Изменение тока ia при наличии реактивной ЭДС ер в коммутирующей секции описывается кривой 2.Такая коммутация называется замедленной. Она приводит к искрению под сбегающим краем щетки.

Кроме реактивных ЭДС в коммутируемой секции при равположении щёток не на физической нейтрали, индуктируется ЭДС внешнего поля

ек = –wcdФ/dt, где Ф – результирующий магнитный поток в машине. Так как МДС внешнего поля направлена против ЭДС якоря, при преобладании ЭДС внешнего поля ек > ер, определяемый ею ток iк = ек/zc направлен в t1 – t2 встречно току ia и ускоряет его уменьшение. Это ускоренная коммутация, при которой перегружается набегающий край щетки, под которым будет наблюдаться искрение (кривая 3).

Таким образом, наиболее благоприятной является прямолинейная коммутация, при которой никаких ЭДС в секциях не индуктируется, не происходит запасание энергии – поэтому разрыв цепи такой секции не связан с искрением, это безискровая коммутация.

Для приближения к этому режиму надо уменьшить сумму ЭДС ер+ ек. Так как их действие противоположно, поставленная задача будет решена, если ер= ек .. Требуемая величина ек достигается либо сдвигом щёток с физической нейтрали (по ходу якоря в генераторе и противоположно – в двигателе), либо созданием дополнительного потока с помощью обмотки добавочных полюсов. Второй путь – основной. Установкой добавочных полюсов улучшают коммутацию и компенсируют реакцию якоря.

На качество коммутации влияет также правильный выбор материала щеток, поддержание чистоты коллектора и щётки, силы притяжения щетки к коллектору – вообще правильная эксплуатация машин.

При искрении разрушаются поверхности коллектора и щеток, увеличивается сопротивление скользящих контактов (что ведет к нагреву коллектора), возникают радиопомехи. Искрение может вызываться также плохим состоянием щеточно-коллекторного узла и неправильной его установкой.

Для исключения искажения поля под полюсами (смещения результирующего поля Ф) в машинах средней и большой мощности применяют компенсирующую обмотку, включенную последовательно с якорем встречно его полю. Искрение исключают размещением на геометрической нейтрали (ГН) узких добавочных полюсов. Их обмотки включают последовательно и встречно с обмоткой якоря. В узкой зоне вблизи ГН поле якоря компенсируется полем добавочного полюса. При перегрузках генератора Iя > 3Iя.ном дополнительные полюсы насыщаются и компенсация полей нарушается. Искрение наблюдается также при большой Ω из-за роста uL. Добавочные полюсы используют в машинах с Р > 1 кВт. В машинах малой мощности, не имеющих добавочных полюсов, для уменьшения искрения щетки смещают с ГН на ФН (в генераторе по направлению Ω, в двигателе – против). Недостаток этого способа – размагничивание машины и появление продольной МДС.