Способы улучшения коммутации

Для создания хороших условий коммутации необходимо прежде всего обеспечить надлежащее состояние коллектора и щеточного аппарата, чтобы устранить механические причины искрения.

Ниже рассмотрены способы обеспечения необходимых электромагнитных условий коммутации, ограничивающих добавочный ток коммутации, что по (6.6) возможно уменьшением ЭДС или увеличением сопротивления цепи  коммутируемой секции. Эти способы сводятся к созданию коммутирующей ЭДС с помощью добавочных полюсов или сдвига щеток с геометрической нейтрали, уменьшению реактивной ЭДС (ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции), увеличению сопротивления щеточных контактов.

Основным способом улучшения коммутации в современных машинах постоянного тока является создание коммутирующего магнитного поля с помощью добавочных полюсов.

Добавочные полюсы устанавливают между гла-вными полюсами (рис. 6.4) и крепят болтами к ярму индуктора. МДС добавочных полюсов  должна быть направлена против МДС реакции якоря , чтобы скомпенсировать ее и создать коммутирующее поле  для компенсации реактивной ЭДС . При отсутствии компенсационной обмотки > , а при наличии ее > . В последнем случае требуемая величина  меньше, так как основная доля реакции якоря компенсируется компенсационной обмоткой.

Обмотки добавочных полюсов включают так, чтобы за главным полюсом данной полярности по направлению вращения якоря в режиме генератора следовал добавочный полюс противоположной полярности, а в режиме двигателя – добавочный полюс той же полярности.

Так как величины  и  пропорциональны току якоря, то для их компенсации  и  также должны быть пропорциональны току якоря. Для этого обмотку добавочных полюсов соединяют последовательно с якорем, а добавочные полюсы выполняют с ненасыщенной магнитной системой. Поэтому при номинальной нагрузке в них допускается индукция не больше 0,8 – 1,0 Тл. На отдельных участках ярма индуктора магнитные поля главных и добавочных полюсов складываются, поэтому во избежание насыщения этих участков индукция главного поля в ярме должна быть не более 1,3 Тл. Сердечники добавочных полюсов изготовляют массивными из стальной поковки или из листовой стали.

При относительно малом полезном магнитном потоке,  добавочных полюсов их МДС  приходится брать большой, так как значительная часть  расходуется на компенсацию . По этой причине коэффициент рассеяния добавочных полюсов велик: s = 3 – 5 при отсутствии компенсационной обмотки и s = 2 – 3 при наличии ее. Для уменьшения рассеяния обмотку добавочных полюсов размещают ближе к якорю, подразделяя при необходимости воздушный зазор на две части путем создания второго немагнитного зазора между ярмом и сердечником добавочного полюса с помощью немагнитных прокладок.

Добавочные полюсы применяют в машинах мощностью более 0,3 кВт. Обычно число добавочных полюсов равно числу главных. В машинах мощностью до 2 кВт иногда делают половинное число добавочных полюсов.

В машинах мощностью несколько десятков Ватт добавочные полюсы не ставят. Коммутирующее поле при этом можно создать путем сдвига щеток с геометрической нейтрали, благодаря чему в зоне коммутации начинает  действовать поле главных полюсов. Чтобы индуктируемая этим полем ЭДС  в коммутируемой секции имела правильное направление, поле главных полюсов в зоне коммутации должно быть направлено против поля реакции якоря. Для этого в генераторе щетки необходимо повернуть в сторону вращения, а в двигателе - наоборот.

Если поток главных полюсов  изменяется пропорционально току якоря (машины с последовательным возбуждением), то при определенном фиксированном положении щеток можно достичь хороших условий коммутации в широком диапазоне изменения нагрузки. Если же , то наилучшие условия коммутации достигаются только при одной, определенной нагрузке. Установку щеток производят на глаз, наблюдая за искрением.

Снижение величины реактивной ЭДС  также способствует улучшению коммутации. Численное значение ЭДС

                   (6.I7)

Уменьшение А в (6.17) нецелесообразно с точки зрения использования материалов, а величины  и  определяются номинальной мощностью машины. Следовательно, ограничение  зависит от возможностей уменьшения  и  . В машинах мощностью более 50 кВт всегда . Уменьшить  можно за счет ослабления взаимной индукции между коммутируемыми секциями, что достигается укорочением шага на величину одного зубцового деления и применением ступенчатой обмотки, выбором отношения К/р, равным нечетному числу, уменьшением отношения глубины паза к его ширине, применением уравнителей первого рода. Перспективно применение беспазового якоря в машинах постоянного тока. В таком якоре обмотку укрепляют  на его поверхности (машины с гладким якорем) или на специальном немагнитном стакане (машины с полым якорем). В последнем случае значительно повышается быстродействие машины, как за счет значительного снижения момента инерции, так и за счет снижения индуктивности обмоток. Существенно улучшаются условия коммутации. Уменьшается также и реакция якоря. Недостатком этих машин является значительное увеличение немагнитного зазора между полюсом и якорем, что ведет к утяжелению системы возбуждения.

Увеличение сопротивления "петушков" приводит к уменьшению КПД машины и не может быть рекомендовано как средство улучшения коммутации. Существенным является подбор щеток с надлежащими характеристиками. При тяжелых условиях коммутации лучше работают твердые графитные щетки с повышенным сопротивлением переходного контакта. В этом случае электрические потери в переходном контакте и механические потери больше. Щетки с круто поднимающейся вольт-амперной характеристикой благоприятны с точки зрения  уменьшения  плотности тока на сбегающем краю щетки и способствуют улучшению коммутации. Медно-графитные щетки, обладающие малым переходным сопротивлением, применяются только в машинах на напряжение до 25-30 В.

При резко переменной нагрузке эффективной мерой улучшения коммутации является применение компенсационной обмотки, которая предотвращает опасность возникновения кругового огня, а также улучшает условия действия добавочных полюсов.