Коммутация в машинах постоянного тока

Коммутацией в электрических машинах называется процесс переключения секций обмотки из одной параллельной ветви в другую и связанные с этим явления. В процессе коммутации ток коммутируемой секции меняет направление на обратное. На рис. 6 показаны секции обмотки якоря и щётка. Токи в секциях справа и слева от щётки имеют разное направление. Секция, присоединённая к коллекторным пластинам, которые контактируют в данное время со щёткой (щётка замыкает секцию накоротко) называется коммутируемой. Время замыкания щёткой коммутируемой секции накоротко, называется периодом коммутации Т_К.

 

Рис.6. Коммутация в машине постоянного тока.

Процесс переключения секции протекает достаточно быстро: время коммутации одной секции (период коммутации Тк), составляет примерно 0,001 – 0,0003 с. Явления, происходящие при коммутации, существенно влияют на надёжность и долговечность работы машины постоянного тока.

При плохой коммутации появляется значительное искрение под щетками и связанное с ним обгорание коллектора.

Период коммутации зависит от ширины щётки b_щ и окружной скорости коллектора v_k

T_K = b_щ/ v_k

 

Рис.7 Схема для расчёта тока коммутируемой секции

Характер процесса коммутации зависит от закона изменения тока коммутируемой секции i_КС за период коммутации. Для определения тока коммутируемой секции сделаем следующие допущения:

-переходное сопротивление между щёткой и пластиной зависит только от площади контакта пластины со щёткой, для пластины 2 на рис.7 это S_щ1= b_щ1l_Щ, для пластины 3 на рис.7 это S_щ2= b_щ2l_Щ, где l_Щ-длина щётки, b_щ1+ b_щ2= b_щ;

-ширина щётки b_щ равна ширине коллекторной пластины;

-активными сопротивлениями секции и коллекторных платин можно пренебречь.

На рис. 7 изображена схема простой петлевой обмотки. для простых волновых обмоток процесс коммутации происходит аналогично, щётка также перекрывает соседние коллекторные пластины, к которым присоединены секции волновой обмотки. Для сложных обмоток щётки делают более широкими, чтобы они одновременно перекрывали секции всех параллельных ветвей сложной обмотки, но процесс коммутации, при этом, мало отличается от коммутации в петлевой обмотке.

Процесс коммутации при заданном направ­лении вращения якоря (рис. 7 коммутация секции 1 начнет­ся с того момента, когда коллекторная пластина 3 войдет в со­прикосновение с правым краем щётки, который называют набе­гающим. С этого момента секция 1 будет замкнута щёткой накоротко и в ней будет происходить изменение тока i_КС (от + i_а  до — i_а ). При дальнейшем перемещении якоря через период ком­мутации Т_к коллекторная пластина 2 выйдет из соприкосновения со щёткой под её левым краем (сбегающим). В этот момент ком­мутация секции 1 закончится, секция перейдёт в другую парал­лельную ветвь обмотки и ток в ней поменяет направление на противоположное по сравнению с его направлением до начала коммутации.

Для определения закона изменения тока в коммутируемой сек­ции 1 в момент времени t (0 < t< Т_к), согласно рис. 7 можно записать

i₁= i_а+ i_КС; i₂= i_а- i_КС; i₁+ i₂=2 i_а

 

и для контура коммутируемой секции

 

i₁r_щ2 - i₂r_щ1 =±∑e

где, r_щ1 и r_щ2 –контактные сопротивления межу щёткой и пластинами 2 и 3 соответственно; ±∑e- суммарная ЭДС коммутируемой секции, знак ± означает, что направление ЭДС может быть любым.

Подставив в последнее выражение предыдущие, получим

 

i_а(r_щ2 - r_щ1) + i_КС(r_щ1+ r_щ2) =±∑e

 

откуда: i_КС = i_а  ±

так как, контактные сопротивления пропорциональны площадям перекрытия щётки и пластины, можно написать

r_щ1=к S_щ1= к v_k t

r_щ2=к S_щ2= к v_k(T_k – t)

введём отношения  =  =

 

разделив числитель и знаменатель в выражении для i_КС на r_щ2 и, приведя подобные, получим

 

i_КС = i_а  ±

Из уравнения видно, что характер изменения тока i_КС 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,  График изменения i_КС показан на рис.8. Ток i_КС изменяется по линейному закону, только в результате изменения сопротивлений контакта щётки с пластинами коллектора r_щ1 и r_щ2.

Рис.8. Прямолинейная коммутация

 

В реальной машине  всегда отлична от нуля. Сумму ЭДС коммутируемой секции можно разложить на две составляющие

где, e_р-реактивная ЭДС секции или ЭДС соответствующая индуктивному сопротивлению секции (любая секция обмотки якоря машины постоянного тока всегда обладает индуктивным сопротивлением); e_вр- ЭДС вращения или ЭДС наведённая в секции внешними магнитными полями. ЭДС вращения, при положительном знаке, усиливает реактивную ЭДС, а при отрицательном уменьшает. В последнем случае, при равенстве реактивной ЭДС и ЭДС вращения, происходит полная компенсация реактивной ЭДС секции, и только тогда коммутация становится прямолинейной.

Обозначив i_а =i_пр и i_д, где i_пр-ток коммутируемой секции при прямолинейной коммутации, i_д- добавочный ток коммутируемой секции, i_КС можно представитть в виде

i_КС= i_пр ±i_Д

 

Замедленная коммутация происходит в том случае, когда реактивная ЭДС е_р имеет большее значение, чем компенсирующая ее ЭДС вращения или при отсутствии e_вр, График изменения i_КС при замедленной коммутации показан на рис.9.

Рис.9 Замедленная коммутация

 

Замедленная коммутация обычно имеет место в машинах без компенсации реактивной ЭДС. Добавочный ток стремится задержать изменение тока в коммутируемой секции, и. ток в секции изменяется медленнее. При замедленной коммутации добавочный ток замыкается поперёк щётки, причём в скользящем контакте под сбегающей её частью он имеет такое же направление, как и ток i_a под набегающей частью - встречное этому току. Следовательно, плотность тока под сбегающим краем щётки будет больше, чем под набегающим.

Для замедленной коммутации характерно искрение сбегающего края щётки. Такое искрение возникает, когда при завершении коммутации секции в момент времени t =T_к ток i_Д не успевает достигнуть нулевого значения и при размыкании секции происходи! его разрыв (рис. 10). Этот ток называется током разрыва i_раз. Чем больше ток разрыва, тем сильнее искрение под сбегающим краем щётки

Рис.10 Возникновение тока разрыва

 

Ускоренная коммутация происходит при перекомпенсации реактивной ЭДС, когда добавочный ток добавочный ток противоположен по знаку току прямолинейной коммутации и превосходит его по величине (рис.11).что наблюдается в машинах постоянного тока при сильной компенсации реактивной ЭДС. При ускоренной коммутации появляется добавочный ток i_Д, противоположно направленный по сравнению с током замедленной коммутации. Следовательно, ток коммутируемой секции будет изменяться быстрее, чем при прямолинейной коммутации, а плотность тока под набегающей частью щётки будет больше, чем под сбегающей.

Рис.11 Ускоренная коммутация

При сильном ускорении коммутации, также возможно появление тока разрыва i_раз.(Рис.12) и искрения под щётками.

Рис.11 Ток коммутируемой секции при сильном 1 и небольшом ускорении коммутации

 

Оптимальным считает коммутация ускоренная на 15% по сравнению с прямолинейной.