Коммутация

а) Общие сведения

Под коммутацией в собственном смысле этого слова понимают переключение секции из одной ветви обмотки якоря в другую и происходящее при этом изменение тока в ней с одного направления на другое. Процессы, возникающие при этом в секции и под щеткой, называются коммутационными процессами. Их исследование представляет собой важную задачу, так как от ее правильного решения в большой степени зависит надежность работы коллекторной машины.

Под коммутацией в широком смысле слова понимаются все явления и процессы, возникающие под щеткой при работе машины. Говорят, что у машины хорошая коммутация, если нет искрения под щетками, и плохая коммутация, если под щетками возникает искрение.

Искрение щеток вызывается различными причинами. Оно может быть обусловлено механическими неисправностями: «эллиптичностью» коллектора, плохой стяжкой его пластин, шероховатостью его поверхности, выступанием в отдельных местах слюды над коллекторными пластинами, дрожанием щеткодержателей, щеточных болтов, траверсы и пр.

При указанных неисправностях в отдельные моменты времени будет нарушаться контакт щетки с коллектором и происходить разрыв цепи с током, что и приводит к искрению.

Неправильно подобранные щетки, чрезмерное или слишком слабое нажатие щеток на коллектор, неправильная их расстановка по коллектору также могут послужить причинами искрения под щетками.

Современные способы изготовления коллектора и всей щеточной аппаратуры позволяют получить эти части машины вполне надежными и удовлетворительно работающими в отношении коммутации.

Коммутационные процессы отличаются большой сложностью, так как они протекают под влиянием многочисленных факторов. Их теоретическое исследование встречает большие затруднения и возможно только при ряде допущений. Поэтому здесь важное значение имеют правильно и тщательно поставленные эксперименты.

Много дали для понимания коммутационных процессов теоретические и особенно экспериментальные работы академика К. И. Шенфера, проф. В.Т. Касьянова и других советских ученых.

Затруднения обычно возникают при решении вопросов, связанных с коммутацией в быстроходных мощных машинах [если произведение мощности на скорость вращения близко к предельным значениям: Р·n»(2,5…3,5)·10⁶ кВт·об/мин]. Однако в настоящее время выводы теории и главным образом большой опыт, накопленный отечественными заводами, позволяют и для таких машин эти вопросы разрешать вполне удовлетворительно.

Рассмотрим вначале изменение тока в секции обмотки якоря при его вращении. Оно представлено кривой на рисунке 4.22. Когда секция находится в одной параллельной ветви, то за время прохождения ею полюсного деления ток в ней сохраняет свое значение

.

Рис. 4.22. Изменение тока в секции за время прохождения ею двух полюсных делений

При переходе секции в другую параллельную ветвь ток в ней быстро изменяется с одного направления на другое за время Т_к замыкания ее щеткой и далее имеет то же значение i_a, пока секция не будет снова замкнута теткой. Время Т_к называется периодом коммутации. Обычно оно составляет тысячные доли секунды. Вид кривой изменения тока в секции (рис. 4.22) объясняется тем, что ток в ней, пока она не замкнута щеткой, создается постоянной ЭДС Е_а всей параллельной ветви, а не ЭДС одной секции.

Обратимся к рисунку 4.23, где изображена секция простой петлевой обмотки, замкнутая щеткой. Будем пренебрегать толщиной изоляционной прослойки между коллекторными пластинами и примем, что ширина щетки равна ширине коллекторной пластины.

Секция, замкнутая щеткой, называется коммутируемой секцией.

В момент, когда набегающий край щетки получит соприкосновение с пластиной 2, имеем начало коммутации. Примем, что конец коммутации получается в момент, когда пластина 1 отойдет от щетки.

Будем пренебрегать сопротивлениями самой секции и соединительных проводников между секцией и коллекторными пластинами. Они незначительны по сравнению с сопротивлениями переходного контакта между щеткой и коллекторными пластинами. Обозначив сопротивления переходных контактов сбегающего и набегающего краев щетки через r₁ и r₂, составим уравнение напряжений для указанного на рисунке 4.23 контура:

i₁r₁ – i₂r₂ = Se; (4.18)

здесь Se - сумма ЭДС, наведенных в коммутируемой секции. В эту сумму входят э.д.с. самоиндукции и взаимной индукции (рис. 4.24) и ЭДС внешнего поля, имеющего место в коммутационной зоне, причем под последней понимается та часть поверхности якоря, где лежат стороны коммутируемых секций.

Рис. 4.23. Коммутируемая секция

Рис. 4.24. Коммутируемые секции

Подставив в (4.17) равенства (рис. 4.18)

i₁ = i_a + i; (4.19)

i₂ = i_a - i, (4.20)

получим:

(4.21)

Примем, что r₁ и r₂ не зависят от плотности тока и что они обратно пропорциональны площадям соприкосновения соответственно сбегающего края щетки S₁, и набегающего края щетки S₂:

(4.22)

Площадь S₂ пропорциональна времени t, протекшему от начала коммутации, а площадь S₁ — времени Т_к - t, оставшемуся до конца коммутации. Поэтому можем написать:

(4.23)

В действительности r₁ и r₂ зависят от плотности тока, так как ток проходит не только через точки непосредственного соприкосновения щетки с коллекторными пластинами, но и через тонкие воздушные прослойки между ними, в которые к тому же попадает увлажненный воздух. Следовательно, мы здесь имеем также ионные процессы, в том числе и электролитические, которые не могут быть точна рассчитаны. Кроме того, надо отметить нестабильность контакта щетки с коллекторными пластинами, в особенности ее сбегающего края, что приводит к изменению периода коммутации, отличающегося в действительности от его расчетного значения Т_к. Принятое нами допущение позволяет все же проследить приближенно процессы с их качественной стороны и получить некоторые исходные данные для расчета дополнительных полюсов, которые могут быть уточнены опытной проверкой.

б) Способы улучшения коммутации

Способы улучшения коммутации основаны на уменьшении добавочного тока i_доб. Его мы можем уменьшить, увеличивая r₁ + r₂, что достигается выбором щеток.

Чем больше ожидаемая результирующая ЭДС Sе, тем тверже должны быть щетки, так как они создают в переходном контакте относительно большое сопротивление. Для небольших машин низкого напряжения берут мягкие (графитные) щетки. От правильного выбора щеток и от их качества в большой степени зависит коммутация. Лучшими считаются электро-графитированные щетки, полученные путем отжига угля в электропечах.

Уменьшение i_доб может быть также достигнуто путем уменьшения Sе.

Стремятся эту сумму ЭДС сделать равной нулю:

Sе = e_R + e_к = 0. (4.24)

Чтобы этого достигнуть, нужно создать в коммутационной зоне такое поле, которое бы наводило в коммутируемой секции ЭДС е_к, равную ЭДС е_R и направленную против нее. Поле в коммутационной зоне называется коммутирующим. Оно должно иметь определенную полярность. В малых машинах мощностью обычно не свыше 0,5 кВт надлежащее коммутирующее поле получают сдвигом щеток за физическую нейтраль по вращению в генераторе и против вращения в двигателе. Однако равенство е_к=-е_R при этом достигается только при некоторой определенной нагрузке, так как при изменении нагрузки физическая нейтраль смещается и указанное равенство нарушается. Чтобы различие между е_к и e_R было невелико, берут значение е_R не свыше 1…2 В, что не вызывает затруднений в случае малых машин. Для машин средней и особенно большой мощности такое значение е_R потребовало бы значительного увеличения размеров машин и было бы невыгодно.

В современных машинах для создания коммутирующего поля применяются дополнительные полюсы. Их обмотка, как указывалось, соединяется последовательно с обмоткой якоря (рис. 4.25). При этом коммутирующее поле увеличивается пропорционально току якоря, если магнитная цепь дополнительных полюсов слабо насыщена. Поэтому е_к будет пропорциональна току якоря, так же как и е_R. Следовательно, здесь мы получаем автоматичность действия дополнительных полюсов.

Рис. 4.25. Соединение обмотки дополнительных полюсов с обмоткой якоря

Число витков обмотки дополнительных полюсов должно быть так выбрано, чтобы ее н.с. не только компенсировала поперечную н.с. якоря, но и имела некоторый избыток, необходимый для создания в коммутационной зоне надлежащего поля.

На рисунке 4.26 представлена кривая поля машины, имеющей дополнительные полюсы. Здесь же указаны необходимые полярности дополнительных полюсов при работе машины генератором и двигателем (см. также рис. 4.25).

Рис. 4.26. Кривая поля машины с дополнительными полюсами

в) Круговой огонь на коллекторе. Компенсационная обмотка

При работе машины постоянного тока может образоваться круговой огонь на коллекторе, под которым понимается электрическая дуга, охватывающая часть или весь коллектор по его цилиндрической поверхности. Оно может возникнуть при перегрузках машины. В этом случае сильно искажается поле под главными полюсами из-за поперечной реакции якоря (дополнительные полюсы компенсируют реакцию якоря только в коммутационной зоне). В результате возрастают максимальная индукция в воздушном зазоре и пропорциональное этой индукции максимальное напряжение U_к.м между соседними коллекторными пластинами (рис. 4.27).

Рис. 4.27. Максимальная индукция B_dм в воздушном зазоре машины при ее перегрузке, определяющая максимальное напряжение U_к.м между соседними коллекторными пластинами (пунктирная кривая - кривая поля машины при холостом ходе)

Если при этом поверхность коллектора загрязнена и он окружен воздухом, ионизированным вследствие искрения под щетками, то создаются условия для образования небольших электрических дуг между пластинами, которые в дальнейшем могут перейти в устойчивую мощную дугу. Такая дуга опасна для машины и может привести к серьезным повреждениям. В машинах небольшой и средней мощности нормального исполнения образование кругового огня на коллекторе наблюдается крайне редко. Это явление не следует смешивать с явлением кругового искрения, которое обычно не причиняет большого вреда машине, однако требует более частой чистки коллектора и приводит к более быстрому износу щеток и коллектора.

Для предотвращения кругового огня на коллекторе нужно иметь достаточное число коллекторных пластин на полюсное деление, чтобы напряжение между соседними коллекторными пластинами не было слишком большим. В мощных машинах, работающих с большими перегрузками (например, двигатели для крупных прокатных станов), кроме того, нужно применить компенсационную обмотку, чтобы не было искажения поля под главными полюсами. Проводники компенсационной обмотки, которая соединяется последовательно с обмоткой якоря, закладываются в пазы полюсных наконечников (рис. 4.28). Она при этом компенсирует поперечную реакцию якоря под главными по­люсами при всех нагрузках машины.

Рис. 4.28. Машина с компенсационной обмоткой в пазах полюсных наконечников

Компенсационная обмотка обычно применяется для мощных и быстроходных машин при мощности на один полюс свыше 80…100 кВт, при U>400 В, если машина подвергается перегрузкам свыше 120% и если e_R>6 В. Применение ее для нормальных машин становится экономически целесообразным при мощностях свыше 900 кВт, даже если указанные условия отсутствуют.