Способы улучшения коммутации

Основная причина неудовлетворительной коммутации в маши­нах постоянного тока — добавочный ток коммутации

iд = ∑е/Еrк. (27.17)

Здесь ∑rк — сумма электрических сопротивлений добавочному току коммутации iд: сопротивления секции, мест пайки в петуш­ках, переходного контакта между коллекторными пластинами и щеткой и собственно щетки.

Однако из перечисленных сопротивлений, входящих в ∑rк, наибольшее значение имеет сопротивление щетки и переходного контакта, поэтому, обозначив их rщ, с некоторым приближением можно записать

iд = ∑е/rщ. (27.18)

Из полученного выражения следует, что уменьшить ток iд, а следовательно улучшить коммутацию, можно либо увеличени­ем сопротивления rщ, либо уменьшением суммарной ЭДС ∑е в коммутирующей секции. Отсюда вытекает ряд способов улуч­шения коммутации, основные из которых рассмотрены ниже. I Выбор щеток. С точки зрения обеспечения удовлетворительной коммутации целесообразнее применять щетки с большим переходным падением напряжения в переходном контакте и соб­ственно щетке, т. е. щетке с большим сопротивлением rщ. Однако допустимая плотность тока в щеточном контакте этих щеток невелика, а поэтому их применение в машинах со значительным рабочим током ведет к необходимости увеличения площади ще­точного контакта, что требует увеличения площади коллектора за счет его длины. Это привело бы к увеличению габари­тов машины и дополнительному расходу меди. Поэтому щетки с большим rщ применяют преимущественно в машинах с относи­тельно высоким напряжением, а следовательно, и с небольшим рабочим током.

Щетки для электрических машин разделяют на четыре группы, различающиеся, составом, способом изготовления и характерис­тиками (табл. 27.1). Выбирают щетки в соответствии с рекомен­дациями, ' выработанными на основании многолетнего опыта проектирования и эксплуатации электрических машин. Наибольшее применение в машинах постоянного тока напряжением 110— 440 В имеют электрографитированные щетки.

Увеличению переходного сопротивления щеточного контакта, а следовательно улучшению коммутации, способствует политура коллектора — тонкая оксидная пленка на поверхности кол­лектора, обладающая повышенным электрическим сопротив­лением.

Уменьшение реактивной ЭДС. Существенное влияние на сум­марную ЭДС в коммутирующей секции оказывает реактивная ЭДС ер = eL + еМ. ЭДС взаимоиндукции ем в значительной степе­ни зависит от ширины щетки: чем шире щетка, тем большее число

коллекторных пластин перекрывает она одновременнб а следо­вательно, тем больше секций одновременно коммутируется, что вызывает повышение ЭДС взаимоиндукции еМ:. Однако слишком узкие щетки также нежелательны из-за недостаточной механи­ческой прочности, а также потому, что для создания необходимой

Таблица 27.1

площади контактной поверхности в узкой щетке пришлось бы увеличить ее длину, а это привело бы к необходимости увеличе­ния длины коллектора. Наиболее целесообразны щетки шириной в 2—3 коллекторных деления.

Заметное влияние на реактивную ЭДС оказывает тип обмотки якоря. Так, если обмотку якоря выполнить с укороченным шагом (у1.<τ), то активные стороны одновременно коммутирующих секций окажутся в разных пазах (см. рис. 27.3, б), что будет способствовать уменьшению ЭДС взаимоиндукции. Реактивная ЭДС может быть ослаблена уменьшением индуктивности секций Lc. Для этого не следует применять в обмотке якоря секции с большим числом витков (Lc=wс) и полузакрытые пазы. Одна­ко осуществление этих мероприятий привело бы к созданию громоздких и неэкономичных машин. Поэтому при проектировании машин постоянного тока выбор указанных параметров связыва­ют со стремлением получить компактную и экономичную машину. Что же касается реактивной ЭДС, то она может быть в значи­тельной степени уменьшена или даже полностью устранена созданием в зоне коммутации (по оси щеток) коммутирующего поля определенной полярности и величины. Создается такое поле добавочными полюсами или сдвигом щеток с геометрической нейтрали.

Добавочные полюсы. Назначение добавочных полюсов — создать в зоне коммутации магнитное поле такой величины и направления, чтобы наводимая этим полем в коммутирующей секции ЭДС вращения евр компенсировала реактивную ЭДС ер. В машине постоянного тока без принятия мер но улучшению ком­мутации ЭДС ер и евр направлены в одну сторону, т. е. действуют согласно:

Ее = .

Суммарная ЭДС в коммутирующей секции окажется рав­ной нулю, если посредством добавочных полюсов создать в зоне коммутации магнитное поле с магнитной индукцией Вк такой величины и направления, чтобы ЭДС вращения евр изменила свое.направление на обратное [см. (27.8)], а значение ее было бы равно ЭДС реактивной ер. В этом случае

Ее = = О

и коммутация становится прямолинейной (идеальной).

Добавочные полюсы располагают между главными. При этом щетки устанавливают на геометрической нейтрали.

Все машины постоянного тока мощностью свыше 1 кВт снаб­жаются добавочными полюсами, число которых принимают равным числу главных полюсов или же вдвое меньшим. Наличие добавочных полюсов позволяют увеличить линейную нагрузку машины и при заданной мощности получить машину меньшего веса и габаритов.

Число витков обмотки добавочных полюсов выбирают таким, чтобы МДС добавочных полюсов компенсировала МДС якоря по поперечной оси в зоне коммутации и имела некоторый избыток, необходимый для создания коммутирующего поля с индукцией Вк, направленного противоположно полю реакции якоря (рис. 27.7). Исходя из этого, МДС добавочного полюса для некомпенсиро­ванных машин постоянного тока принимают равной (А)

Fa = kaFa, (27.19)

где' kд = Fд/Fa — коэффициент, учитывающий требуемое превы­шение МДС обмотки добавочного полюса Fд над МДС якоря Fa [см. (26.6)]. Для машин постоянного тока современных серий этот коэффициент принимают равным kд— 1,20— 1,45.

Если машина снабжена компенсационной обмоткой, то МДС добавочных полюсов следует уменьшить на величину МДС ком­пенсационной обмотки FK.0. Обычно в компенсированных маши­нах постоянного тока МДС добавочных полюсов на 15—30% больше МДС якоря.

Если МДС добавочных полюсов сделать больше требуемого значения [см. (27,19)], то ЭДС вращения евр станет больше реактивной ЭДС. В этом случае суммарная ЭДС изменит свой знак, а добавочный ток коммутации — свое направление на про­тивоположное по сравнению с тем, какое он имел при криволи­нейной замедленной коммутации (см. рис. 27.4,6, кривая 2).

График изменения результирующего тока коммутации i == iа + iдВ этом случае принимает вид, представленный на рис. 27.8, т. е. коммутация становится криволинейной ускоренной, так как ток в коммутирующей секции достигает нулевого значения за время T<0,5 Tк (точка Ь). Для криволинейной ускоренной коммутации характерно повышение плотности тока под набе­гающим краем щетки (см. рис. 27.6, б). Объясняется это тем, что при этом виде коммутации площадь соприкосновения пластины 2 с щеткой нарастает медленнее, чем увеличивается ток i2=iа + iд Наибольшее значение плотности тока j´2 = tgα´2 соответствует

Рис. 27.7. Результирующее магнитное поле в воздушном зазоре машины с добавочными полюсами в генераторном (Г) и двигательном (Д) режимах

началу периода коммута­ции (t≈0). При значи­тельных нагрузках это мо­жет привести к искрению под набегающим краем щетки. Это объясняется, тем, что при ускоренной коммутации выход сбега­ющей пластины из-под щетки происходит с раз­рывом цепи добавочного тока коммутации, кото­рый имеет направление, противоположное току замедленной - коммута­ции.

Рис. 27.8. График тока криволинейной уско­ренной коммутации

Для обеспечения ком­пенсации реактивной ЭДС при различных нагрузках машины обмотку добавоч­ных полюсов включают последовательно с обмот­кой якоря. В этом случае МДС добавочных полюсов Fд при различных нагруз­ках машины изменяется пропорционально току яко­ря Iа, т. е. пропорциональ­но МДС якоря Fa.

Полярность добавоч­ного полюса в генераторе должна быть такой же, как и у следующего по направлению вращения главного полюса, а в дви­гателе — как у предшест­вующего полюса (рис. 27.9).

Добавочные полюсы обеспечивают удовлетворительную коммутацию в машине только

в пределах номинальной нагрузки. При перегрузке машины проис­ходит насыщение магнитной цепи добавочных полюсов. В этом случае реактивная ЭДС ер изменяется пропорционально току нагрузки, а рост ЭДС внешнего поля из-за насыщения магнит­ной цепи несколько задерживается (рис. 27.10). В результате в коммутирующей секции появляется суммарная ЭДС ∑е = ер—ек, т. е. коммутация становится замедленной. Насыщению сердеч­ников добавочных полюсов способствует магнитный поток рас­сеяния Фд0, замыкающийся через сердечники смежных главных

ном

Рис. 27.10. График изме­нения ЭДС в коммути­рующей секции в зависи­мости от тока нагрузки

Генератор

Двигатель

Рис. 27.9. Полярность добавоч­ных полюсов при работе машины в генераторном, и двигательном режимах

Рис. 27.11. К понятию о потоке рассеяния добавочных полюсов

полюсов и станину (рис. 27.11). В целях уменьшения магнитного потока рассеяния, а следовательно, обеспечения более линейной зависимости потока добавочных полюсов от тока нагрузки воздушный зазор добавочного полюса δд разделяют на два: один — между сердечником полюса и якорем бД1, а другой — между сердечником полюса и станиной δд2 (см. рис. 27.7). В этом случае зазор δд2 огра­ничит значение потока Фдσ. Зазор δдг созда­ется пакетом немагнитных прокладок, закла­дываемых между сердечником полюса и ста­ниной.

Получение коммутирующего поля сме­щением щеток. В машинах постоянного тока мощностью до 1 кВт, выполняемых без доба­вочных полюсов, коммутирующее поле в зоне коммутации создается смещением щеток с геометрической нейтрали.

Если щетки установлены на геометрической нейтрали (рис. 27.12, а), то поперечное магнитное поле якоря с магнитной индукцией Baq создает в зоне коммутации индукцию Вк (рис. 27.12, б). В результате в коммути­рующих секциях наводится ЭДС вращения евр, направленная согласованно с реактивной ЭДС ер и способствующая замедленной коммутации. При сдвиге щеток на физическую нейтраль mm' ком­мутирующее поле с индукцией Вк исчезает и ЭДС вращения евр=0. При этом в коммутирующих секциях наводится лишь реактивная ЭДС ер. Если же щетки сдвинуть на угол β, т. е. за физическую нейтраль mm' (линия сс'), то коммутирующее поле с индукцией Вк' изменит свое направление относительно направления при поло­жении щеток на геометрической нейтрали. Это поле будет наво-

п

Рис. 27.12. Создание коммутирующего поля сдвигом щеток

дить в коммутирующих секциях ЭДС вращения, равную реактив­ной ЭДС и противоположную ей по направлению (евр—ер= 0), т. е. реактивная ЭДС окажется скомпенсированной и коммутация ста­нет прямолинейной (идеальной). Для получения необходимого эффекта щетки следует смещать в направлении вращения якоря у генераторов или против вращения якоря у двигателей.

Описанный способ улучшения коммутации имеет следующие недостатки: а) коммутирующее поле изменяется не пропорцио­нально нагрузке машины, что исключает полную компенсацию реактивной ЭДС во всем диапазоне нагрузок, так как для этого пришлось бы при каждом изменении нагрузки менять положение щеток (обычно щетки устанавливают в фиксированное положе­ние, соответствующее полной компенсации реактивной ЭДС при номинальной нагрузке); б) при смещении щеток с геометрической нейтрали усиливается размагничивающее действие реакции якоря (см. рис. 26.5); в) для реверсируемых машин смещение щеток с геометрической нейтрали недопустимо, так как требуемое направление смещения физической нейтрали меняется с измене­нием направления вращения якоря.

Рис. 27.13. Растяжение электрической дуги на вращающемся коллекторе (а) и расположение барьеров между щетками (б)