Коммутация

Коммутацией называют процесс изменения тока в секциях обмотки якоря при переходе их из одной параллельной ветви в другую. В более широком смысле слова под коммутацией понимают все явления и процессы, возникающие под щетками при работе коллекторных электрических машин. Если щетки искрят, то говорят, что машина имеет плохую коммутацию; если искрение отсутствует, то коммутацию называют хорошей. Качество коммутации (интенсивность искрения) в значительной степени определяет работоспособность машины и ее надежность в эксплуатации.

Причины искрения щеток. Искрение может вызываться большим количеством причин, которые обычно разбивают на две группы: механические и электромагнитные.

Типичными механическими причинами являются: биение коллектора, его эллиптичность, шероховатость рабочей поверхности коллектора, наличие выступающих коллекторных пластин и изоляционных прокладок, вибрация щеткодержателей и т.д. Все эти причины приводят к вибрации щеток, в связи с чем возможен кратковременный разрыв контакта между щеткой и коллекторными пластинами и возникновение кратковременной электрической дуги. Особенно трудно обеспечить отсутствие вибрации щеток при больших окружных скоростях коллектора – порядка 50 м/с и выше, что связано с особыми свойствами щеточного контакта.

Электромагнитные причины приводят к тому, что даже в случае идеального состояния щеточного контакта при выходе коллекторной пластины из-под щетки происходит разрыв электрической цепи, по которой проходит ток, и возникает короткая электрическая дуга, повреждающая сбегающие части щетки и коллекторных пластин. Следует отметить, что искрение, вызванное электромагнитными причинами, повреждает поверхность коллектора и приводит к вибрации щеток, т.е. способствует возникновению искрения по механическим причинам. Неустойчивость же щеточного контакта, обусловленная механическими причинами, оказывает существенное влияние на электромагнитные процессы, происходящие в коммутируемых секциях. Поэтому, как правило, искрение щеток на коллекторе является результатом совместного действия многих причин.

Необходимо иметь в виду, что стоимость ремонта и эксплуатации коллекторных машин (замена щеток, проточка коллекторов, устранение последствий кругового огня и т.д.) очень велика и в некоторых машинах (например, в тяговых электродвигателях) составляет за один год около 1/3 стоимости самой машины. Поэтому мероприятия, проводимые по уменьшению интенсивности искрения щеток, могут дать существенный технико-экономический эффект.

Качество коммутации оценивается степенью искрения (классом коммутации) под сбегающим краем щетки, из-под которого выходят пластины коллектора при его вращении. Допускаемые степени искрения согласно ГОСТ 183–74 приведены в табл. 2.1.

Как видно из табл. 2.1, при длительной работе машины допускается только слабое искрение под щетками. Однако требования ГОСТа относятся только к контролю качества коммутации электрической машины при выпуске с завода.

Таблица 2.1.

Степень искрения (класс ком мутации)	Характеристика степени искрения	Состояние коллектора и щеток
	Отсутствие искрения (темная коммутация)	–
1 1/4	Слабое точечное искрение под небольшой частью щетки	Отсутствие почернения на коллекторе и нагара на щетках
1 1/2	Слабое искрение под большей частью щетки	Появление следов почернения на коллекторе, легко устраняемых протиранием поверхности коллектора бензином, а также следов нагара на щетках
	Искрение под всем краем щетки. Допускается только при кратковременных толчках нагрузки и перегрузках	Появление следов почернения на коллекторе, неустраняемых протиранием поверхности коллектора бензином, а также следов нагара на щетках
	Значительное искрение под всем краем щетки с наличием крупных и вылетающих искр. Допускается только для моментов прямого (без реостатных ступеней) включения или реверсирования машин, если при этом коллектор и щетки остаются в состоянии, пригодном для дальнейшей работы	Значительное почернение на коллекторе, неустраняемое протиранием коллектора бензином, а также подгар и разрушение щеток

В эксплуатации может наблюдаться искрение значительно большей интенсивности, поскольку машина работает в форсированных режимах (при перегрузках или повышенной частоте вращения). Повышенное искрение щеток может вызываться и другими особенностями эксплуатации: вибрацией и ударами машины, работой на высоте более 1000 м над уровнем моря, работой в запыленных помещениях или в агрессивной среде и т.д. Поэтому технические требования, предъявляемые к разработке машин постоянного тока, должны обязательно учитывать условия их будущей эксплуатации.

Основное уравнение коммутации. При вращении якоря секции его обмотки переходят из одной параллельной ветви в другую, вследствие чего в них изменяется направление тока (рис. 2.29, а). Большую часть времени ток секции равен току параллельной ветви i _a = I _a/(2 a). Изменение направления тока в секции происходит за период времени Т_к, в течение которого соединенные с секцией коллекторные пластины соприкасаются со щеткой (рис. 2.29, б). Время Т_к, в течение которого секция оказывается замкнутой накоротко щеткой, называют периодом коммутации; секции, в которых изменяется ток, называют коммутируемыми.

Период коммутации

(2.16)

где b _щ–ширина щетки; v_к–окружная скорость коллектора.

Рис. 2.29 – Направление тока в параллельных ветвях обмотки якорк (а) и график изменения тока в секции (б)

В современных машинах Т _к – 0,001 ÷ 0,0001с, вследствие чего средняя скорость изменения тока в секции (di / dt)_cp – 2 i_а / T _к очень велика. Следовательно, в секции может индуктироваться большая э.д.с. само- и взаимоиндукции, называемая реактивной э.д.с:

, (2.17)

где L_p–результирующая индуктивность секции, определяющая величину реактивной э.д.с.

Название «реактивная» обусловлено тем, что согласно правилу Ленца эта э.д.с. препятствует изменению тока – замедляет его.

Помимо реактивной э.д.с. в коммутируемой секции индуктируется также э.д.с. вращения е_к, создаваемая внешним магнитным полем и называемая коммутирующей:

, (2.18)

где В_к –индукция в воздушном зазоре, в зонах, где перемещаются коммутируемые секции.

Индукция В_к может создаваться м. д. с. главных полюсов и реакции якоря, а также м. д. с. добавочных полюсов, которые устанавливают в машинах постоянного тока с целью улучшения процесса коммутации.

Установим закон изменения тока в секции в период коммутации, полагая для простоты, что ширина щетки равна ширине коллекторной пластины. На рис. 2.30 показаны три основных этапа коммутации. В первый момент времени (рис. 2.30, а) ток i в коммутируемой секции, присоединенной к пластинам 1 и 2, равен i_a и направлен от пластины 2к пластине 1. Ток щетки 2i_a проходит целиком через пластину 1, т.е. i ₁ = 2 i _α и i ₂= 0. В промежуточном положении (рис. 2.30, б) одна часть тока щетки 2 i_a проходит по-прежнему через пластину 1, а другая часть – через пластину 2, причем i ₁ + i ₂ = 2 i_а. К концу периода коммутации (рис. 2.30, в) пластина 1 выходит из-под щетки и ток, проходящий через нее, становится равным нулю. При этом ток щетки 2 i_a проходит через пластину 2, т.е. i ₂ = 2i_a и i ₁ = 0, а ток i в коммутируемой секции изменяет свое направление по сравнению с током в начальный момент коммутации.

Рис. 2.30 – Распределение тока в коммутируемой секции в различные моменты коммутации

Для контура коммутируемой секции, замкнутой щеткой (рис. 2.30, б), можно написать уравнение

, (2.19)

где i ₁ и i ₂–мгновенные значения токов, проходящих через пластины 1 и 2; i -ток в коммутируемой секции; r₁ и r₂ –сопротивления переходного контакта между щеткой и коллекторными пластинами: сбегающей 1 и набегающей 2; r _с–сопротивление секции.

Поскольку сопротивление секции всегда значительно меньше сопротивлений щеточного контакта, влияние сопротивления r_с на процесс коммутации весьма незначительно и им можно пренебречь. Тогда из (2.19) получим

. (2.19а)

Это уравнение называют основным уравнением коммутации. Оно является нелинейным дифференциальным уравнением с переменными коэффициентами, так как э.д.с. е_р пропорциональна di/dt; э.д.с. е_к является функцией В_к, сопротивления r_х· и r ₂ являются функциями времени, а также плотности тока в щеточном контакте и скорости ее изменения, т.е. зависят от тока i и его производной.

Решение уравнения (2.19а) может быть получено при различных упрощающих предположениях. Далее изложены наиболее распространенные методы решения этого уравнения.

Рис. 2.31 – График изменения тока в коммутируемой секции при идеальной прямолинейной коммутации

Коммутация сопротивлением при ширине щетки, равной ширине коллекторной пластины. Из рис. 2.30, б следует, что токи i _lи i ₂, проходящие через сбегающую и набегающую коллекторные пластины,

i₁ = ia + i; i₂ = i_a – i (2.20)

Подставляя значения i ₁и i ₂в уравнение (2.19а) и решая его относительно i, получим

. (2.21)

Если предположить, что сопротивления r ₁и r ₂ не зависят от плотности тока и определяются только площадями соприкосновения s ₁и s ₂щетки с коллекторными пластинами 1 и 2, то отношение сопротивлений

.

В этом случае уравнение (2.21) принимает вид

. (2.21а)

Если подобрать е _ктак, чтобы в любой момент времени выполнялось условие

e_v + e_K = 0, (2.22)

то дифференциальное уравнение (2.21а) превращается в линейное алгебраическое уравнение

i = i_a(1–2t/T_K). (2.23)

Коммутацию, при которой ток i изменяется по линейному закону согласно (2.23), называют идеальной прямолинейной коммутацией (рис. 2.31).

Рассмотрим более подробно этот важный для практики случай коммутации. При идеальной прямолинейной коммутации сбегающая коллекторная пластина 1 выходит из-под щетки без разрыва тока, так как

i₁ = i_a + i = i_a + i_a(1–2t/T_K) = 2i_a (1 – t/T_K),

и в момент времени t = Т _кток i ₁= 0 (весь ток 2 i_а проходит через пластину 2). Следовательно, под сбегающим краем щетки искрение возникать не будет. Кроме того, в рассматриваемом случае плотность тока под щеткой в местах соприкосновения ее с пластинами 1 и 2 остается все время постоянной и равной среднему значению: Δ_щ1 = Δ_ща==2 i _а/ S _щ = const. Так, например, в месте контакта щетки с коллекторной пластиной 1

. (2.24)

Аналогично, для коллекторной пластины 2

. (2.24а)

Непосредственно плотность тока мало влияет на интенсивность искрения, однако равномерное распределение тока под щеткой способствует уменьшению потерь в щеточном контакте и поэтому считается положительным фактором.

Идеальная прямолинейная коммутация положена в основу инженерных методик расчета коммутации, предложенных рядом авторов. Главным условием этого расчета является взаимная компенсация мгновенных значений реактивной э.д.с. e _ри э.д.с. е _к, создаваемой внешним полем.

В рассмотренном случае при прямолинейной коммутации di/dt = const, поэтому

, (2.25)

т.е. реактивная э.д.с. является величиной постоянной, равной среднему значению е _р.ср. Следовательно, при расчетах коммутации компенсация мгновенного значения реактивной э.д.с. сводится к компенсации среднего значения е _р.ср.

Коммутация за счет э. д. с, создаваемой внешним полем. При выводе уравнения прямолинейной коммутации было принято произвольное допущение, что сопротивление щеточного контакта не зависит от плотности тока. Может быть предложена и другая методика анализа коммутации, при которой пренебрегается влиянием щеточного контакта. Действительно, проведенные эксперименты показывают, что в крупных машинах при удовлетворительной коммутации разница в падениях напряжения и ₁ – i ₁ r ₁и u ₂ = i ₂ r ₂ в щеточном контакте составляет менее 0,5 В, в то время как э.д.с. е _кпревышает 3–4 В, достигая в отдельных случаях 8–10 В. Поэтому предложенное в рассматриваемой методике допущение является вполне обоснованным и основное уравнение коммутации (2.19а) может быть записано в виде

e_p + e_K = i₁r₁ – i₂r₂» 0. (2.26)

Подставляя в уравнение (10.26) значение реактивной э.д.с. е_р = – L _р di/dt и решая его относительно i, получим

. (2.27)

Следовательно, величина и характер изменения тока i вкоммутируемой секции в основном определяются коммутирующей э.д.с.

Условием безыскровой коммутации, как и в предыдущем случае, является выход сбегающей коллекторной пластины из-под щетки без разрыва тока, для чего необходимо, чтобы (i ₁)_{t= T к} = 0 или (i)_{t= T к} = – i_a

Согласно теореме о среднем из (2.27) имеем

. (2.27а)

Постоянную интегрирования С находим из начальных условий. Так как в начальный момент при t = 0 ток коммутации (i)_{t= 0} = i_a, то согласно (2.27) получим C = i_a. Положив (i)_t=Tк = – i_a, найдем условие безыскровой коммутации:

, (2.28)

Откуда

. (2.29)

Таким образом, для осуществления безыскровой коммутации необходима компенсация среднего значения реактивной э.д.с. в процессе коммутации. Если внешнее поле сделать постоянным, т.е. е _к = е _к-ср, то

. (2.30)

Следовательно, в этом, практически важном, простейшем случае обе методики дают тождественные результаты.

В расчетной практике для определения среднего значения реактивной э.д.с. в секции обмотки якоря часто используют упрощенную формулу, которая может быть получена из (2.29). Для этого ток параллельной ветви i_a выражают через линейную нагрузку якоря

,

а период коммутации Т _к – через линейную скорость якоря v _a и число коллекторных пластин K:

. (2.31)

В последних формулах N = 2Kω_c –число активных проводников обмотки якоря; D_a и D _к–диаметры якоря и коллектора; K -число коллекторных пластин; ω_c –число витков в секции.

В результате получим реактивную э.д.с.

. (2.32)

Индуктивность секции

, (2.33)

где Λ_р–магнитная проводимость для потоков рассеяния секции: пазового Ф_п; по лобовым частям Ф _s и дифференциального Ф _z (по коронкам зубцов) – рис. 2.32, а; l_а – l_i – активная длина якоря (при расчете магнитной проводимости берется удвоенная длина якоря); λ _р–удельная магнитная проводимость на единицу длины секции.

Поэтому формула (2.32) принимает вид

e_p = 2l_aw_cAv_aλ_p. (2.32а)

Удельная проводимость секции с достаточной степенью точности может быть принята равной при открытых (рис. 2.32, б) и полузакрытых (рис. 2.32, в) пазах:

, (2.34)

где h _пи b _п– высота и средняя ширина паза; h _ши b _ш–высота и ширина щели паза; l_s – длина лобовой части секции.

Обычно значения λ_р= 4 ÷ 8.

На рис. 2.33, а показаны зависимости изменения тока в коммутируемой секции во времени при пренебрежении падениями напряжения i ₁ r ₁и i ₂ r ₂в щеточном контакте. Идеальной прямолинейной коммутации, т.е. условию e _р.ср + е _к.ср = 0, соответствует прямая 1.

Рис. 2.32 – Потоки рассеяния секции (а) и размеры паза, определяющие удельную проводимость секции (б, в)

В действительности при работе машины всегда имеются причины, вызывающие неполную компенсацию реактивной э.д.с., т.е. отклонение от условия е _р.ср + е _к.ср = 0. К этим причинам относятся: технологические допуски при изготовлении коллектора, установке щеткодержателей, установке добавочных полюсов и т.п.; резкие толчки тока нагрузки, перегрузки по току, превышения номинальной частоты вращения, вибрация машины и другие эксплуатационные причины; нестабильность щеточного контакта, из-за которой постоянно изменяется площадь контакта щетки с коллектором (период коммутации Т _к ) или происходит полный отрыв щетки от коллектора.

Если | е _к.ср| < | е _р.ср|, то коммутация замедляется, так как согласно правилу Ленца э.д.с. е _р замедляет изменение тока i. Обозначив степень некомпенсации э.д.с. через Δ = [| е _р.ср| – | е _к.ср|]/ e _p.ср|, получим

. (2.35)

При этом закон изменения тока в коммутируемой секции [см. (2.30)]

. (2.36)

При замедленной коммутации (рис. 2.33, а, прямая 2) в момент окончания коммутации при t = T _кщетка разрывает некоторый остаточный ток i _ост, вследствие чего между сбегающим краем щетки и сбегающей коллекторной пластиной возникает электрическая дуга. Величина остаточного тока

, (2.37)

или с учетом (2.36)

. (2.37a)

Электромагнитная энергия W _и, выделяющаяся в дуге, возникающей при разрыве остаточного тока, может характеризовать степень искрения. Для рассматриваемого простейшего случая

. (2.38)

Рис. 2.33 – Кривые изменения тока в коммутируемой секции в течение периода коммутации Т_к при пренебрежении сопротивлением щеточного контакта (а) и его учете (б, в)

При ускоренной коммутации (рис. 2.33, а, прямая 3), когда | е _к.ср| > | е _р.ср|, ток в коммутируемой секции изменяется по закону

, (2.36а)

т.е. быстрее, чем это требуется для безыскровой работы щеток. Сбегающий край щетки и при ускоренной коммутации разрывает остаточный ток i _ост, а следовательно, и в этом случае будет наблюдаться искрение щетками.