Коммутация в машинах постоянного тока

Искрообразование под щетками на коллекторе ведет к быстрому разрушению коллектора, так как электрическая искра обладает весьма высокой температурой и способна разрушать самые твердые металлы и сплавы. По этой причине необходи­мым условием долговечности машины постоянного тока является отсутствие искре­ния под щетками.

Причины искрообразования могут быть механическими и электрическими. Меха­ническая причина искрения — это ухудшение контакта между коллектором и щетка­ми, что может быть следствием неров­ности коллектора, дрожания щеток и т. п.

Неудовлетворительная коммутация является электрической причиной ис­крения. Коммутацией в электрических машинах называется вся совокупность явлений при изменении направления тока в секциях обмотки якоря во вре­мя замыкания щетками этих секций накоротко.

В то время как пластины коллек­тора, к которым присоединены концы секций, замкнуты щеткой накоротко, секция переходит из одной параллельной ветви обмотки в другую. Сущность процесса коммутации мы можем пояснить на простей­шем примере петлевой обмотки якоря (рис. 13.20). Время, в течение которого секция обмотки вращающегося якоря замкнута щеткой накоротко, называется периодом коммутации Т. За это время ток в секции должен измениться от значения +I до зна­чения —I, т. е. на 2I. Чем быстрее вращается якорь и чем меньше ширина щетки 6_Щ, тем меньше период коммутации:

T = b_щ/v_k,

где v_K — окружная скорость коллектора.

Если бы в коммутируемой секции не индуктировалась никакая ЭДС, то ход процесса коммутации тока в секции определялся бы только соотношениями переход­ных сопротивлений контактов щетки с двумя пластинами коллектора. Одна из этих пластин постепенно уходит из-под щетки, а вторая входит под щетку. Для упроще­ния рассуждений будем считать, что ширина щетки не больше ширины одной коллек­торной пластины, и пренебрежем небольшими по сравнению с переходным сопротив­лением г_щ контакта щетки и коллектора сопротивлениями проводников, соединя­ющих обмотку якоря с коллектором, и самой секции. Во время коммутации щетка касается двух пластин коллектора сразу и образует с ними два переходных сопро­тивления; каждое из них больше, чем г_щ, так как площадь соприкосновения щетки с пластиной меньше, чем в том случае, когда щетка стоит на одной пластине, а пере­ходное сопротивление обратно пропорционально площади контакта. Следовательно, переходное сопротивление /-, контакта с пластиной, уходящей из-под щетки, должно возрастать во время коммутации, достигая бесконечности в конце периода комму­тации. Обозначив через t время, протекающее с момента начала коммутации, получим:

r₁₌r_щT/(T-t).

В то же время переходное сопротивление контакта второй пластины уменьшается:

r₂ = r_щТ/t.

Ток I щетки должен распределиться между двумя пластинами коллектора об­ратно пропорционально их переходным сопротивлениям:

i₁/i₂=r₂/r₁=(T-t)/t.

Согласно первому закону Кирхгофа ток коммутируемой секции

i=i₁-I,

а ток внешней цепи во время коммутации складывается из токов в двух переходных контактах щетки:

2I=i₁+i₂,

следовательно,

2I =i₁T/(T-t); i₁=2I(T-t)/T,

а ток в коммутируемой секции

i = 2I (T — t)/T — I = I(T-2t)/T.

В начальный момент при t=0 этот ток i = I, а в конце коммутации при t= Т он будет i = —I.

Ток I является током лишь одной параллельной ветви обмотки якоря; в общем случае при 2а параллельных ветвях ток якоря 1_Я = 2а/, следовательно, ток в комму­тируемой секции равен:

Это выражение показывает, что при рассматриваемых идеальных условиях той в коммутируемой секции является линейной функцией времени (рис. 13.21, а).

Такая коммутация называется прямолинейной или равномерной. В эгом идеаль­ном случае плотность тока под всей щеткой одинакова и неизменна во все время коммутации, благодаря чему отсутствуют коммутационные причины искрения.

Мы рассмотрели простейший случай, когда ширина щетки Ь_щ не больше ширины коллекторной пластины. В действительности щетка всегда перекрывает несколько коллекторных пластин, но это обстоятельство не изменяет линейный характер про­цесса коммутации при отсутствии в коммутируемой секции индуктированных ЭДС.

Однако в реальных условиях неизбежно возникновение ЭДС самоиндукции в коммутируемой секции; витки секции лежат в пазах ферромагнитного тела — сердечника якоря, следовательно, секция обладает заметной индуктивностью L, поэтому изменение тока при коммутации должно индуктировать в секции некоторую ЭДС самоиндукции e_L. К этой ЭДС добавляется еще ЭДС взаимной индукции е_м, индуктируемая изменениями тока в соседних секциях, коммутируемых одновременно.

Обе эти ЭДС согласно принципу Ленца противодействуют изменению тока в секции, задерживают это изменение. Принято называть результирующую ЭДС, индуктируе­мую изменениями тока, реактивной ЭДС:

e_P=e_L+e_M.

Ее можно выразить как ЭДС самоиндукции (2.2) через некоторую индуктивность секции L_c и изменение тока во времени:

e_p = —L_c di/dt.

Реактивная ЭДС задерживает изменение тока (рис. 13.21, б) и делает коммута­цию замедленной в течение большей части периода, но к концу периода, когда ухо­дящая пластина выйдет из-под щетки, ток в секции принудительно примет значение (— I_я/2a). Следовательно, в конце периода неизбежно ускоренное изменение тока в секции, что вызывает увеличение реактивной ЭДС. Одновременно плотность тока под щеткой стано­вится неравномерной.

Она сильно возрастает у края пластины, кото­рая выходит из-под щетки, а это может вызывать сильное нагревание краев щетки и пластины коллекто­ра. Обе эти причины могут обус­ловить искрение — возникновение миниатюрных электрических дуг под щеткой со стороны уходящей пластины коллектора. Для того чтобы уничтожить или хотя бы ослабить вредное действие реактивной ЭДС, необходимо противопоставить ей вторую индуктируемую ЭДС, называемую коммутирующей ЭДС-е_к. Таким образом, условие идеальной коммутации:

е_р=—е_к=0.

Коммутирующая ЭДС создается посредством движения витков коммутируемой секции во внешнем магнитном поле. В большинстве случаев е_к индуктируется маг­нитным полем дополнительных полюсов машины Ф_д,_п следовательно,

е_к = — wdФ_д,п/dt.

При изменениях нагрузки машины изменяется реактивная ЭДС, пропорцио­нальная току якоря, но одновременно в такой же мере изменяется и коммутирующая ЭДС, так как обмотка дополнительных полюсов соединена последовательно с якорем. Таким образом, при изменениях нагрузки не нарушается взаимная компенсация е_р и е_к.

Усилив надлежащим образом поле дополнительных полюсов путем увеличения числа витков их обмотки, можно сделать е_к > е_р, что обусловит ускоренную комму­тацию. Она осуществляется в машинах, предназначенных для особо тяжелых усло­вий работы, например частого реверсирования.

В машинах малой мощности для создания коммутирующего магнитного поля вместо дополнительных полюсов применяется сдвиг щеток с геометрической нейтрали. При таком сдвиге в коммутируемой секции ЭДС е_к индуктируется главным магнит­ным полем, причем в генераторе щетки должны быть сдвинуты по направлению вра­щения якоря, а в двигателе — против направления вращения (см. рис. 13.15, в).

Особо опасный случай неблагоприятной коммутации представляет собой круго­вой огонь по коллектору. Это мощная электрическая дуга,' замыкающаяся непосред­ственно по коллектору или даже перекидывающаяся на станину машины, при этом машина может тяжело пострадать. Круговой огонь возникает при резком изменении тока в коммутируемой секции обмотки якоря, что вызывает увеличение реактивной ЭДС, а последняя создает мощную дугу между щеткой и краем уходящей пластины. Эта дуга не гаснет и растягивается вследствие вращения коллектора; в результате непосредственно на коллекторе машины возникает короткое замыкание, разрушаю­щее коллектор и щетки.