2020-05-12
212
Коммутация представляет совокупность явлений, связанных с изменением тока в проводниках обмотки якоря при прохождении через зону, где они замыкаются накоротко щетками, наложенными на коллектор. Коммутация считается хорошей, когда процесс изменения тока в секциях несопровождается искрообразованием между коллектором и щетками, а поверхность коллектора остается чистой, неповрежденной при длительной работе машины. Неудовлетворительная коммутация с искрообразованием на щетках приводит к порче коллектора и преждевременному выходу машины из строя.
Явления в щеточном контакте оказывают большое влияние на коммутацию и на исправную работу машины.
Передача тока от щетки к коллектору может осуществляться следующим образом:
- непосредственный механический контакт: вследствие неровностей поверхностей контакт происходит в отдельных точках и сопровождается повышенными плотностями тока;
- пылевидный контакт, возникающий через обязательно присутствующие частицы меди и угольной пыли; продолжительность контакта невелика;
- ионная проводимость: большие плотности тока в отдельных точках поверхности коллектора нагревают эту поверхность до красного и белого каления и вызывают появление ионов и термическую эмиссию.
Присутствующая в воздухе влага и наличие в ней окислов обусловливают явление электролиза при прохождении тока через слой щеточного контакта. В результате электролиза на коллекторе образуется блестящая пленка окислов меди - политура. Политура увеличивает переходное сопротивление щеточного контакта, уменьшает ток короткозамкнуто секции и улучшает коммутацию.
Важно, чтобы коммутация происходила без значительного искрения у контактных поверхностей щеток, так как сильное искрение портит поверхность коллектора и щеток и делает длительную работу машины невозможной.
Причины искрения подразделяют на механические и электромагнитные.
Механические причины связаны с нарушением контакта между щетками и коллектором: неровность поверхности коллектора, плохая пришлифовка щеток, выступание отдельных пластин или слюды между ними, вибрация щеток и т. д.
Электромагнитные причины искрения на щетках связаны с характером протекания электромагнитных процессов в коммутируемых секциях: повышенное напряжение между коллекторными пластинами, высокие напряжения и плотности тока в момент разрыва контура между щеткой и коллекторной пластиной, а также ряд дру-гих причин, которые будут выяснены в дальнейшем.
Качество коммутации оценивают степенью искрения под сбегающим краем щетки. Степени искрения 
допускаются при любых режимах работы. Класс 2 допустим только при кратковременных толчках нагрузки и перегрузки. Класс 3 является аварийным при обычной работе машины.
Процесс коммутации
Полное время коммутации, соответствующее времени прохождения секции через короткое замыкание, называется периодом
коммутации.
При окружной скорости коллектора 
и ширине щетки 
период коммутации
(6.1)
В короткозамкнутой секции возникает переходный электромагнитный процесс, связанный с изменением в ней тока от значения + 
до значения – (рис. 6.1, а, б, в).
Характер изменения тока i в процессе коммутации может быть различным, в зависимости от величин и направлений наводимых в короткозамкнутой секции ЭДС.
Электродвижущая сила самоиндукции, наводимая в секции
(6.2)
где 
индуктивность секции.
В этой секции наводятся также ЭДС взаимоиндукции, обусловленные одновременными процессами коммутации в соседних магнитосвязанных с нею секциях
(6.3)
где М - взаимоиндуктивность между витками разных секций, расположенных в одном пазу.
Поле реакции якоря и внешнее поле индуктора, действуя совместно, образуют в зоне коммутируемых секций результирующее (коммутирующее) поле. Индуктируемая этим полем в коммутруемой секции ЭДС называется коммутирующей и определяется формулой
(6.4)
где 
- индукция коммутирующего поля; 
и 
длина и скорость вращения коммутирующего проводника.
В зависимости от направления внешнего поля ЭДС 
может действовать согласно с ЭДС 
, ухудшая коммутацию, а может - встречно, улучшая ее.
Если поток главных полюсов изменяется во времени, то в коммутируемой секции индуктируется ЭДС трансформации (пульсации):
(6.5)
В машинах постоянного тока она появляется только в переходных режимах (например, при изменении скорости машины).
ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции объединяют общим названием реактивной ЭДС
. (6.6)
Если просуммировать все ЭДС, действующие в короткозамкнутой секции, обозначить через 
сопротивление секции и через 
сопротивление проводников, соединяющих секцию с коллектором, то согласно рис. 6.1, б можно написать следующее уравнение Кирхгофа для коммутируемой секции:
. (6.7)
Здесь 
и 
изменяющиеся в процессе коммутации переходные сопротивления между коллекторными пластинами и щеткой.
Из (6.7) получим
(6.8)
Первый член этого выражения представляет основной ток коммутации секции, а второй - добавочный ток коммутации.
Знаменатели в выражении (6.8) определяют сопротивление короткозамкнутого контура коммутируемой секции. Добавочный ток коммутации поэтому можно рассматривать как ток короткого замыкания секции, определяемый ЭДС 
.
Пусть ЭДС 
, 
и, следовательно, 
. В секции существует только основной ток коммутации. Поскольку сопротивления 
несоизмеримо меньше 
, то изменение тока определяется только изменением 
, вследствие чего этот случай называют коммутацией сопротивлением.
При этом
. (6.9)
Сопротивления 
обратно пропорциональны сечениям контактных частей щеток:
(6.10)
а
. (6.11)
Аналогично
(6.12)
так как ширина щетки 
, а длина 
.
Подставив (6.11) и (6.12) в (6.9) получим
(6.13)
где 
токи по соединительным проводникам, согласно принятому (рис. 6.1, б) направлению тока коммутируемой секции. Решение (6.13) дает закон изменения тока в коммутирующей секции:
(6.I4)
Полученное уравнение (6.14) есть уравнение прямой. Следовательно, при 
в коммутирующей секции ток изменяется пропорционально времени коммутации t (рис.6.2). Такую коммутацию называют прямолинейной.
Это идеальный случай коммутации. Он характерен тем, что в коммутирующей секции никакого добавочного тока коммутации не возникает, и в любой момент времени плотности тока под обеими частями щеток одинаковы. Причин к искрообразованию нет, поскольку ни одна часть щеток не перегружается током.
Так как сопротивления и не равны нулю, а сопротивле-ния щеточных контактов нелинейны, то прямолинейная коммутация уступает место криволинейной (пунктирная линия рис. 6.2).
При 
на основной ток коммутации накладывается до-бавочный ток
(6.15)
где в соответствии с равенствами (6.11), (6.12):
|
(6.16)
Зависимость сопротивления короткозамкнутого контура секции от времени изображена на pис. 6.3. Если предположить, что 
по абсолютной величине постоянна, то характер зависимости 
от t при 
>0 и 
<0 имеет вид, изображенный на рис. 6.3, в. При 
> 0 ток 
складывается с основным током коммутации. Получается замедленная коммутация (рис.6.3, г, кривая 2), при которой изменение тока в начале коммутации происходит медленно и ускоряется к концу.
|
на сбегающем крае щетки в этом случае сохраняется большой вплоть до конца коммутации, вследствие чего и плотность тока 
под этим краем щетки к концу коммутации становится большой. При замедленной коммутации возникают благоприятные условия для искрения под сбегающим краем щетки.
При < 0 ток 
имеет обратный знак и характер изме-нения токов соответствует кривой 3 рис. 6.3, г. В этом случае токи 
и 
изменяются быстро в начале коммутации. Такая коммутация называется ускоренной. Ток 
и плотность тока 
на набегающем краю щетки уже в начале коммутации становятся большими. При этом существует некоторая тенденция к искрению под набегающим краем щетки. В конце процесса коммутации ток и плотность тока на сбегающем краю щетки малы или равны нулю.
Таким образом, замедленная коммутация является неблагоприятной и нежелательной, а слегка ускоренная - благоприятной. На практике стремятся достичь именно такой коммутации.
