Реакция якоря

Физическая сущность реакции якоря. При холостом ходе магнит­ный поток в машине создается только магнитодвижущей силой обмотки возбуждения 1 (рис. 104, а). В этом случае магнитный поток возбуж­дения Ф_в, пронизывающий якорь 2, распределяется симметрично относительно продольной оси. Поток возбуждения направлен по про­дольной оси полюсов, поэтому магнитное поле возбуждения называют продольным.

При работе машины под нагрузкой по обмотке якоря проходит ток, который создает свое магнитное поле. Воздействие поля якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря. Магнитный поток Ф_я, созданный током якоря, в двухполюсной машине при установке щеток на геометрической нейтрали направлен по поперечной оси машины (рис. 104, б), поэтому магнитное поле якоря называют по­перечным.

В результате действия потока якоря Ф_я симметричное распре­деление магнитного поля машины искажается и результирующий по­ток Ф_рез оказывается сосредоточенным в основном у краев главных полюсов (рис. 104, в). Рис. 105 поясняет распределение магнитного поля машины вдоль окружности якоря (кривые распределения ин­дукции).

Вредные последствия реакции якоря. 1. Ф изическая нейтраль б — б (линия соединяющая точки окружности якоря, в которых индукция равна нулю) смещается относительно нейтрали а - а на некоторый угол β (см. рис. 104, в и 105, в). В генератоpах физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря; в двигателях—против направления вращения. Как будет показано далее, это ухудшает коммутацию машины, т. е. способствует возник­новению искрения под щетками.

2. Результирующий магнитный поток машины Ф_рез при насы­щении магнитной цепи уменьшается, т.е. уменьшается и э. д. с. Е₂, индуктированная при нагрузке, по сравнению с э. д. с. Е₀ при холостом ходе.

3. В кривой распределения результирующей индук­ции в воздушном зазоре (см. рис. 105, в) возникают пики индукции В_max под краями главных полюсов, способст­вующие образованию в машине круговпго огня.

Размагничивающее действие реак­ции якоря. Поток яко­ря Ф_я, как показано на рис. 104, в, усиливает результи­рующий магнитный поток под одной половиной полюса и ослабляет его под другой половиной. Однако благода­ря насыщению магнитной це­пи машины увеличение по­тока под одной половиной полюса оказывается мень­шим,чем ослабление потока под другой его половиной, вследствие чего общий по­ток машины уменьшается. Это наглядно видно на маг­нитной характеристике маг­нитной цепи машины (рие. 106), на которой показаны потоки под «правой» и под «левой» половинами полюса Ф_пр и Ф_лев и их прираще­ния ΔФ_пр и ΔФ_лев, обуслов­ленные действием реакции якоря. Поток Ф_пр создается совместным действием м. д. с. возбуждения F_B и м. д. с. якоря F_я, направленных сог­ласно, т. е. F_B + F_я; поток Ф_лев — действием этих м. д. с. направленных встречно, т. е. F_в, — F_я. Поэтому в данном случае ΔФ_пр < ΔФ_лев. При холостом ходе, когда м. д. с. F_я = 0, пото­ки Ф_пр и Ф_лев будут равны.

Хотя уменьшение магнитно­го потока под действием м. д. с. якоря обычно невелико и со­ставляет всего 1—3%, это су­щественно сказывается на характеристиках генераторов по­стоянного тока и приводит к уменьшению э. д. с. Е машины при нагрузке по сравнению с э. д. с. Е_о при холостом ходе.

Круговой огонь на коллекторе. Круговым огнем называют мощную элект­рическую дугу, возникающую в некоторых случаях на коллекторе машин постоянного тока. Эта дуга замыкает накоротко всю или значительную часть обмотки якоря (рис. 107, а), вследствие чего резко возрастает ток машины. Круговой огонь является крупной ава­рией. Образовавщаяся дуга сильно повреждает коллекторные пластины, изоляторы щеткодержателей и издляцию лобовых частей машдны, выводя ее из строя. В тяговых двигателях дуга часто перебрасывается на ближайшие заземленные части машины — корпус и наконеч­ник главного полюса (рис. 107, б), вызывая также тяжелые повреждения. Появление такой дуги называют вспышкой на коллекторе электрической ма­шины.

Причинами возникновения кругового огня могугт быть вытягивания дуги из-под щетки или образование диги между соседними коллекторными пласти­нами из-за замыкания их осколками или щеточной пылью. Однако для того, чтобы эти причины могли вызвать круговой огонь, вдоль коллектора должно действовать сильное электрическое поле.

Электрическое поле, действующее вдоль окружности коллектора, определяется апряжением между положительными и отрицательными щеткамд. Интенсивность его в пространстве, прилегающем к коллектору, зависит от распределения напряжений и_к между смеж­ными коллекторными пластинами. Чем больше это напряжение, тем интенсивнее электрическое поле в данном месте и тем больше его на­пряженность. Напряжение и_к между смежными коллекторными пла­стинами практически равно э. д. с. е_с, индуктированной в одной сек­ции обмотки якоря, которая согласно закону электромагнитной ин­дукции пропорциональна индукции в воздушном зазоре машины.

При перемещении секций 1 обмотки якоря они проходят под края­ми полюсов, где результирующая индукция в воздушном зазоре В_рез достигает максимального значения В_тах (рис. 108). При этом напряжение между смежными коллекторными пластинами также будет максимальным u_kmax. Увеличение u_kmax свыше 36—40 В для машин большой мощности, какими являются тяговые двигатели и тяговые генераторы, недопустимо, так как это приводит к возникно­ вению кругового огня на коллекторе. Следовательно, реакция якоря, создавая пики индукции В_тах под краями полюсов и увеличивая этим напряжение u_kmax, способствует возникновению в машине кругового огня. Чем больше ток якоря и максимальная индукция В_я по от­ношению к индукции В_в, тем больше неравномерность распределе­ния индукции вдоль окружности якоря и тем больше «склонность» машины к круговому огню. По этой причине при работе тяговых двигателей в режиме ослабления возбуждения, когда индукция В_в уменьшается, а ток якоря и индукция В_я возрастают, увеличива­ется опасность кругового огня. То же имеет место и при боксовании колесных пар, при этом возрастает напряжение на коллекторе двигателя, связанного с боксующей колесной парой, что приводит к увеличению напряжения u_kmax.

Круговой огонь на коллекторе обычно развивается из небольших дуг, возникающих между соседними коллекторными пластинами в результате замыкания их накоротко угольной пылью, осколками щеток 2 (рис. 109, а), а у тепловозных генераторов также частицами дизельного топлива и масла, попадающими на коллектор вместе с охлаждающим воздухом. Замыканию коллекторных пластин уголь­ной пылью способствует плохой уход за коллектором, некачественная его шлифовка, наволакивание меди 3 в верхней части пластин (медь под действием силы трения и нагрева коллектора и щеток сползает в сторону, обратную вращению якоря) (рис. 109, б) и пр. Через электро­проводящие мостики, образованные этими посторонними частицами, проходит ток, и мостик сгорает; если при этом между соседними пла­стинами имеется достаточно большое напряжение и_к, то между ними возникает первичная дуга 6 (рис. 109, в). В результате горения пер­вичной дуги пространство, прилегающее к коллектору, заполняется раскаленными газами и парами меди, т. е. становится ионизирован­ным. Поэтому может легко произойти его пробой c образованием мощ­ной электрической дуги 5, охватывающей ряд коллекторных пластин (рис. 109, г).113

Сильное искрение щеток также способствует возникновению кру­гового огня. В этом случае резко увеличивается износ щеток, поверх­ность коллектора загрязняется щеточной пылью и возрастает ве­роятность попадания этой пыли и осколков щеток между коллектор­ными пластинами. Поэтому в машинах с большим значением напря­жения и_к опасность появления кругового огня в значительной мере зависит от состояния коллектора. При сильном искрении может произойти вытягиияние дуги из-под щетки в направлении вращения коллектора. Если такая дуга доходит до места на коллекторе, где напря­жение и_к достигает 36—40 В, то она не гаснет, а продолжает гореть, вследствие чего дуги между отдельными пластинами быстро сливаются в сплошную дугу.

Устранение вредных последствий реакции якоря. «Склонность» машины к круговому огню, вызванную увеличением индукции подкраями полюсных наконечников, устраняют, применяя компенса­ционную обмотку (рис. 110). Ею снабжают крупные машины постоян­ного тока, в частности генераторы тепловозов и тяговые двигатели мощных электровозов переменного и постоянного тока. Компенса­ционную обмотку включают таким образом, чтобы потбы поток Ф_к, создаваемій ею, был направлен против потока якоря Ф_я. При условии равенства м. д. с. этих обмоток F_к = F_я происходит полная компенсация поперечного потока якоря и устраняются все вызываемые им вредные последствия. Компенсационную обмотку включают по следовательно с обмоткой якоря, что обеспечивает компенсацию потока якоря при любой нагрузке машины. При увеличении тока якоря возрастает поток якоря Ф_я, но одновременно увеличивается и поток компенсационной обмотки, вследствие чего результирующий поперечный поток машины Ф_поп = Ф_я – Ф_к = 0

6. КОММУТАЦИЯ

Под коммутацией в широком смысле слова понимают все явления и процессы, возникающие под щетками при работе коллекторных электрических машин. Если щетки искрят, то говорят, что машина имеет плохую коммутацию; если искрение отсутствует, то коммута­цию называют хорошей. Качество коммутации в значительной сте­пени определяет работоспособность машины и ее надежность в эк­сплуатации.

Причины искрения щеток. Искрение может вызываться большим количеством причин; обычно их разбивают на две группы: механи­ческие и электромагнитные. Механическими причинами являются биение коллектора, его эллиптичность, шероховатость, наличие выступающих коллекторных пластин и изоляционных прокладок, вибрацией щеткодержателей и т. д. Все эти причины приводяк вибрации щеток, в связи с чем возможен кратковременный разрыв контакта между щеткой и коллектором и возникновение кратковременной элек­трической дуги. Особенно трудно обеспечить отсутствие вибра­ции щеток при больших окружных скоростях коллектора (50 м/с ивыше).

Электромагнитные причины приводят к тому, что даже при идеальном состоянии щеточного контакта при выходе коллекторной пластины из-под щетки разрывается ток и возникает короткая электрическая дуга, повреждающая сбегающие части щетки и коллекторных пластин. Искрение, вызванное электромагнитными причинами, повреж­дает поверхность коллектора и, как следствие, приводит к вибрации щеток, т. е. способствует возникновению искрения из-за механических причин. С другой стороны, неустойчивость щеточного контакта ока­зывает существенное влияние на электромагнитные процессы в сек­циях, переходящих из одной параллельной ветви обмотки якоря в другую. Поэтому, как правило, искрение щеток на коллекторе вы­зывается совместным действием многих причин.

Качество коммутации оценивается степенью искрения (классом коммутации) под сбегающим краем щетки, из-под которого выходят пластины коллектора при его вращении. Допускаемые степени искрения согласно государственному стандарту приведены в табл. 3.

Физическая сущность процесса коммутации. Как было установ­лено, щетки разделяют обмотку якоря на несколько параллель­ных ветвей. При вращении якоря каждая секция его обмотки пере­ходит из одной параллельной ветви в другую, что сопровождается резким изменением направления тока в секции и замыканием этой секции накоротко щетками. Процесс переключения секций обмотки якоря из одной паралельной ветви в другую и изменения направления в них тока называется процессом коммутации.

Предположим, что в какой-либо момент секция 1 находится в нижней параллельной ветви (рис. 112, с), при этом ток ветви i_я про­текает по секции в направлении от ее начала Н к концу К (для про­стоты принимаем, что щетки скользят не по коллектору, а непосред­ственно по виткам обмотки якоря). Через некоторое время якорь повернется и секция 1 окажется в верхней параллельной ветви (рис. 112, б). При этом ток i _я будет уже проходить по секции в обрат­ном направлении, т. е. от ее конца К к началу Н.

Большую часть времени, соответствующего одному обороту якоря,ток секции равен току параллельной ветви i_я. Однако поскольку секция, перемещаясь под полюсами, попадает то в одну, то в другую параллельную ветвь, направление тока в ней периодически меняется
рис. 112, в). Изменение направления тока в секции происходит за период времени, в течение которого соединенные ссекцией коллекторные пластины соприкасаются со щеткой. Это время называется периодом коммутации Т_к. Секция начинает коммутироваться в момент, когда коллекторные пластины, между которыми подключена секция, перекрываются набегающим краем щетки; заканчивается же процесс коммутации этой секции в момент выхода указанных коллекторных пластин из-под противоположного (сбегающего) края щетки.

Рассмотрим более подробно процесс коммутации в какой-либо секции обмотки якоря двухполюсной машины при различных поло­жениях щетки относительно коллекторных пластин. При этом ради простоты будем считать, что ширина щетки равна ширине коллек­торной пластины. В начальный момент коммутации (рис. 113, а) щетка перекрывает коллекторную пластину 1, и ток в обмотке якоря I_я = 2 i_я, пройдя щетку и коллекторную пластину, разветвляется на две ветви, при этом по каждой параллельной ветви (правой и ле­вой) протекают токи i_я. При вращении якоря коллекторные пластины сдвигаются относительно щетки, и через некоторое время щетка начинает перекрывать обе коллекторные пластины 1 и 2, замыкая на­коротко коммутируемую секцию 1—4, обозначенную жирной ли­нией (рис. 113, б). При этом через коммутируемую секцию будет про­текать некоторый ток i; в обеих же параллельных ветвях будут про­ходить токи i_я. Поэтому через набегающую коллекторную пластину 1 будет проходить ток i₁ = i_я + i, а через сбегающую пластину 2 — ток i ₂ = i_я — i.

В конце процесса коммутации (рис. 113, в) щетка сходит с кол­лекторной пластины 1 и перекрывает только лишь одну пластину 2, при этом ток в коммутируемой секции будет направлен противопо­ложно его направлению в начале коммутаций.

Таким образом, в течение периода коммутации Т_к рассматривае­мая секция 1—4 переходит из правой параллельной ветви в левую. В течение этого периода ток i в коммутируемой секции линейно изме­няется от + i_я до — i_я, ток i₁ — от 2 i_я до нуля, а ток i₂ — от нуля до 2 i_я (рис. 114, а). Такая коммутация носит название прямолинейной или идеальной.

Рассмотренный выше процесс коммутации не вызывает каких-либо неприятных последствий в машине.

Для нее характерно:

а) сбегающая коллекторная пластина 2 (см. рис. 113) выходит из-под края щетки без разрыва тока;

б) плотность тока под щетками в течение периода коммутации остается неизменной, так как по мере уменьшения тока i₁ пропорционально уменьшается перекрываемая щеткой площадь S₁ коллек­торной пластины 1. Точно так же по мере увеличения тока i₂ пропор­
ционально увеличивается перекрываемая щеткой площадь S₂ кол­лекторной пластины 2.

По этим причинам прямолинейная коммутация считается опти­мальной. Если при расчете машины выбрать площадь щеток так, чтобы плотность тока под ними не превышала некоторую предельную для данной марки щеток, то данная машина будет работать без искрения.

Однако в действительных условиях работы машин постоянного тока процесс коммутации протекает более сложно. В современных машинах постоянного тока период коммутации Т_к весьма мал и со­ставляет примерно 0,001—0,0001 c. Вследствие этого скорость из­менения тока в коммутируемой секции очень велика и в ней индук­тируется довольно большая э. д. с. самоиндукции e_L. Обычно в процессе коммутации участвует несколько секций, одновременно замыкаемых накоротко щетками. При этом в них возникает также и э. д. с. взаимоиндукции е_м. Сумма возникающих в каждой коммути­руемой секции 1 э. д. с. самоиндукции и взаимоиндукции носит на­звание реактивной э. д. с. е_р = e_L + е_м (рис. 115, а). Эта э. д. с. действуя в замкнутой накоротко секции, сильно изменяет ха­рактер коммутации и вызывает добавочный ток коммутации i_к (рис. 115, б).

Согласно правилу Ленца э. д. с. самоиндукции и взаимоиндук­ции должны противодействовать вызывающей их причине, т. е. за­медлять изменение тока i в коммутируемой секции. Так как этот ток в процессе коммутации стремится уменьшиться, а затем изменить свой знак, реактивная э. д. с. е_р должна противодействовать этому умень­шению; следовательно, она будет иметь направление, совпадающее с направлением тока i в коммутируемой секции в первую половину периода коммутации. Такое же направление имеет и добавочный ток коммутации i_К.

Циркулируя в цепи коммутируемой секции, замкнутой накоротко щеткой, ток i_K уменьшает силу тока i₂ на набегающем крае щетки и увеличивает силу тока на сбегающем крае (см. рис. 115, б). В результате плотность тока под щетками становится неравномерной: понижен­ной на набегающем крае щетки и повышенной на сбегающем. Такая коммутация называется замедленной. Ток в коммутируемой секции в этом случае изменяется по кривой 1 или 2 (см. рис. 114, б).

Влияние коммутации на работу машины постоянного тока. При замедленной коммутации площадь S₁ соприкосновения пластины 1 (см. рис. 113) со щеткой уменьшается быстрее, чем ток i₁, вследст­вие чего увеличивается плотность тока под сбегающим краем щетки.

В конце процесса коммутации эта плотность тока может достичь большого значения и вызвать искрение под щетками. В этом случае небольшая площадь электрического контакта между щеткой и сбе­гающей пластиной не может пропустить через себя значительный ток, и он начинает проходить помимо этого контакта. Практически при этом образуется искровой разряд (рис. 116, а) между щеткой и сбегающей коллекторной пластиной 1.

При большом значении реактивной э. д. с. е_р ток i₁ к моменту схода щетки со сбегающей пластины не успевает уменьшиться до нуля (кривая 2 на рис. 114, б). При этом через сбегающую пластину 1 про­ходит остаточный ток i_ост, который разрывается щеткой. В этом слу­чае запас электромагнитной энергии в цепи коммутируемой секции оказывается достаточным, чтобы ионизировать воздушный промежуток между щеткой и сбегающей коллекторной пластиной, поэтому между ними появляется довольно значительный дуговой разряд, т. е. ин­тенсивное искрение (рис. 116, б). В результате длительного искрения неизбежен преждевременный износ коллектора и щеток. Коллектор загрязняется, чернеет и становится непригодным к работе. Необхо­димо периодически выполнять его очистку. При сильном искрении разрушаются щетки и поверхность коллектора, которую приходится подвергать обточке. При неблагоприятных условиях (в высоковольт­ных машинах с сильным искажением магнитного поля от действия реакции якоря) дуга будет переходить от пластины к пластине, что приведет к возникновению кругового огня.

Чем больше мощность электрической машины и чем выше часто­та вращения якоря, тем большая реактивная э. д. с. индуктируется в коммутируемых секциях и тем неблагоприятнее протекает процесв коммутации.

На протекание процесса коммутации оказывает также вредное влияние сдвиг физической нейтрали относительно геометрической, возникающий под действием реакции якоря. Обычно щетки устанав­ливают под серединами полюсов так, чтобы замыкаемые ими коллек­торные пластины были соединены с секциями обмотки якоря, рас­положенными на геометрической нейтрали. В этом месте не действует магнитный поток, созданный обмоткой возбуждения машины, и при холостом ходе в указанных секциях не индуктируется никакой э. д. с. Однако при нагрузке из-за сдвига физической нейтрали относительно геометрической расположенные на геометрической нейтрали комму­тируемые секции оказываются в зоне действия магнитного потока якоря Ф_я (см. рис. 104, б), поэтому при вращении якоря в них так же, как и в остальных секциях обмотки якоря, будут индуктироваться э. д. с. называемые э. д. с. Вращения. Э. д. с. вращения, созданная потоком якоря, ухудшает коммутацию, так как совпадает по направлению с реактивной э. д. с. е_р.

Способы улучшения коммутации. Основной причиной искрения в машинах постоянного тока является разрыв щетками остаточного тока, созданного в коммутируемой секции реактивной э. д. с. и э. д. с. вращения от действия потока якоря. Следовательно, улучшение коммутации может быть осуществлено тремя путями:

1) уменьшением реактивной э. д. с;

2) компенсацией реактивной э. д. с. и э. д. с. вращения от потока якоря некоторой добавочной э. д. с., называемой коммутирующей; эта э. д. с. может быть индуктирована при помощи какого-либо дополнительного внешнего магнитного поля, которое называют коммутирующим;

3) уменьшением тока коммутации i_К путем увеличения сопротивления цепи коммутируемой секции.

Рассмотрим более подробно эти способы.

Уменьшение реактивной э. д. с. Это достигается путем уменьшения индуктивности секции различными конструктивными мерами. Индуктивность секции стараются сделать возможно меньшей, уменьшая число витков. Поэтому в тяговых двигателях и тепловозных генераторах секции делают одновитковыми. Пазы якоря стараются также делать открытыми и не очень глубокими (глубина их не превышает 4,5—5,5 см даже у самых крупных машин).

На значение индуктивности оказывает влияние положение стороны секции в пазу: индуктивность верхнего слоя всегда меньше индуктивности нижнего слоя. Чтобы индуктивности всех секций были примерно одинаковыми, одну сторону каждой секции располагают в верхнем слое, а другую — в нижнем.

Определенное значение для коммутации имеет и ширина щетки. Чем шире щетка, тем большее число коллекторных пластин перекрывает она одновременно и тем больше коммутируется одновременно секций. Поэтому уменьшение ширины щетки обеспечивает уменьшение реактивной э. д. с. Практика тягового электромашиностроения выработала наиболее рациональное соотношение между шириной щетки и шириной коллекторной пластины; обычно в тяговых двигателях и генераторах щетка перекрывает 3,5—4,5 коллекторных пластины.

Однако в крупных машинах все рассмотренные конструктивные меры не могут снизить индуктивность секции и реактивную э. д. с. до допустимых значений. Поэтому в таких машинах приходится уменьшать длину, окружную скорость и силу суммарного тока проводников, лежащих в пазах якоря, а для получения необходимой мощности машины увеличивать диаметр якоря, что приводит к увеличению габаритов и массы машины. По этим причинам машины постоянного тока имеют примерно на 20—25% меньшую мощность, чем машины переменного тока при тех же габаритах и частоте вращения.

Поскольку конструктивные меры уменьшения реактивной э. д. с. влекут за собой увеличение габаритов и массы, этими способами добиваются лишь снижения реактивной э. д. с. при номинальной нагрузке до уровня 3—5 В. При такой реактивной э. д. с. обычно удается наладить коммутацию, применив добавочные полюсы.

Создание в короткозамкнутой секции коммутирующей э. д.с. В машинах постоянного тока мощностью свыше 1—1,5 кВт для создания коммутирующего поля с целью компенсации реактивной э. д. с. и э. д. с. вращения от потока якоря применяют добавочные полюсы. Они расположены между главными полюсами на геометрической нейтрали машины (рис. 117, а), т. е. там же где находятся коммутируемые секции, замыкаемые накоротко щетками. Ширину этих полюсов выбирают небольшой, чтобы созданное ими магнитное поле действовало только в зоне, где происходит продесс коммутации (коммутационной зоне). Магнитный поток добавочных полюсов направлен против потока якоря в коммутационной зоне и компенсирует его; в этом случае в коммутируемых секциях не будет индуктироваться э. д. с. вращения. Кроме того, поток добавочных полюсов индуктирует в коммутируемых секциях коммутирующую э. д. с. е_к, направленную против реактивной э. д. с. е_р (рис. 117, б). Добавочные полюсы рассчитывают так, чтобы коммутирующая э. д. с. е_к была приблизительно равна реактивной э. д. с. е_р.

В этом случае имеют место рассмотренные выше условия идеальной коммутации, обеспечивающие безыскровую работу машин постоянного тока. Полярность каждого добавочного полюса в генераторах должна быть такой же, как у следующего по направлению вращения главного полюса, а в двигателях — как у предшествующего главного полюса. Если коммутирующая э. д. с. е_к будет больше реактивной э. д. с. е_р, то имеет место ускоренная коммутация, при этом ток в коммутируемой секции изменяется по кривой 3 (см. рис. 114, б). При небольшом преобладании э. д. с. е_к коммутация протекает благоприятно, плотность тока под сбегающей пластиной становится малой (образуется так называемая «ступень малого тока») и сход этой пластины из-под щетки происходит без искрения. Однако, если е_к значительно превосходит е_р, то искрение возникает под набегающим краем щетки. Осуществить точную компенсацию реактивной э. д. с. коммутирующей невозможно из-за технологических неточностей при изготовлении машины (неточное расположение главных и добавочных полюсов, щеток на коллекторе, неодинаковая толщина коллекторных пластин и изоляционных прокладок, несимметричное расположение пластин на коллекторе и пр.) и нестабильного характера щеточного контакта. Однако практика показывает, что если нескомпенсированная э. д. с. Δе = е_р - е_к не превышает 0,8—1,0 В, то коммутация протекает удовлетворительно.

При изменении нагрузки машины изменяется сила тока, протекающего по обмотке якоря, а следовательно, и реактивная э. д. с. е_р в коммутируемой секции. Для того чтобы поле добавочных полюсов автоматически компенсировало э. д. с. e_р при различных нагрузках, обмотку добавочных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря (рис. 118, а), а их магнитную цепь делают ненасыщенной. По-этому создаваемое этими полюсами коммутирующее магнитное поле, следовательно, и коммутирующая э. д. с. е_к будут изменяться пропорционально току якоря, т. е. так же, как и реактивная э. д. с.

Рассмотренные выше условия имеют место при изменении нагрузки машины от холостого хода до несколько большей ее номинальной. Однако при сильных перегрузках компенсация реактивной э. д. с. е_р нарушается, так как при больших токах якоря начинает сказываться насыщение магнитной цепи добавочных полюсов. В этом случае реактивная э. д. с. будет возрастать пропорционально току; рост же коммутирующей э. д. с. е_к из-за насыщения будет более замедленным (рис. 118, б), вследствие чего в коммутируемых секциях появится некоторая нескомпенсированная э. д. с. Δе = е_р — е_к, вызывающая искрение под щетками.

Чтобы увеличить предельную нагрузку, при которой происходит насыщение магнитной цепи добавочных полюсов, поперечное сечение их сердечников делают достаточно большим, а воздушный зазор под добавочными полюсами устраивают значительно большим, чем воздушный зазор под главными полюсами (рис. 119, а). В машинах большой и средней мощности при конструировании магнитной цепи добавочных полюсов приходится принимать специальные меры для уменьшения магнитного потока рассеяния Ф_σ добавочного полюса, который проходит через межполюсное пространство помимо якоря (рис. 119, в). Этот поток превышает в 2—4 раза полезный поток добавочного полюса Ф_дп, проходящий через коммутационную зону. Для уменьшения потока рассеяния, который может вызвать насыщение сердечников добавочных полюсов, обмотку добавочного полюса размещают ближе к якорю и делят воздушный зазор на две части, устанавливая немагнитные прокладки 3 между остовом и торцами сердечников добавочных полюсов (рис. 119, б). Дополнительный воздушный зазор у остова повышает магнитное сопротивление для потока рассеяния, что обеспечивает уменьшение этого потока. Кроме того, такой зазор улучшает коммутацию при переходных режимах.

Увеличение сопротивления цепи коммутируемой секции. Щетки по своей физической природе являются нелинейными сопротивлениями. При быстром увеличении плотности тока под сбегающим краем щетки сопротивление ее резко возрастает, что ведет к уменьшению остаточного тока или к полному его устранению даже в случае, когда коммутация является неидеальной. Коммутирующие свойства щеток характеризуются падением напряжения 2 Δu_щ в контактном слое пары щеток, одна из которых подводит, а другая отводит ток. Наилучшие коммутирующие свойства имеют электрографитированные щетки, для них 2 Δu_щ ≈ 2,4 - 2,6 В. Стремление к улучшению коммутации — основная причина перехода от медных щеток, первоначально применявшихся в электромашиностроении, к электрографитированным.

При прохождении тока между щеткой и коллектором происходят сложные электролитические процессы. Вследствие этого поверхность коллектора покрывается политурой —тонкой пленкой светло- или темно-коричневого цвета, содержащей главным образом окислы меди и углерод. Наличие политуры благотворно сказывается на работе щеток; коэффициент трения уменьшается и возрастает переходное сопротивление контакта между щеткой и коллектором. Процесс появления политуры при обычных условиях длится от 2 до 10 ч. При очень больших скоростях перемещения щетки по коллектору (свыше 50— 60 м/с) может происходить частичное разрушение политуры.

Улучшение условий коммутации можно обеспечить при применении разрезных щеток (см. рис. 87, б). В этом случае удлиняется путь, по которому проходит добавочный ток коммутации i_к, и увеличивается сопротивление цепи коммутируемой секции. Следовательно, уменьшается сила тока i_к.

Особенности коммутации при переходных режимах. Тяговые двигатели электроподвижного состава нередко работают при переходных режимах, вызываемых резкими колебаниями напряжения в сети, нарушением электрического контакта между токоприемником и контактной сетью (отрыв токоприемника от контактного провода), нарушением сцепления между колесными парами и рельсами (боксование, юз и восстановление нормального сцепления) и переключениями электрических цепей в процессе управления локомотивами.

При прекращении питания двигателя (отрыве токоприемника от контактного провода) и последующем его восстановлении происходит процесс изменения тока якоря I_я и магнитного потока Ф главных полюсов. Магнитный поток Ф достигает первоначального значения только через некоторое время Δt, так как в массивном остове машины индуктируются вихревые токи, которые согласно правилу Ленца противодействуют изменению потока. Медленное восстановление магнитного потока главных полюсов Ф, а следовательно, и э. д. с. двигателя Е приводит к резкому возрастанию тока I_я до значения I_max, примерно в 2—3 раза большего его значения до прекращения питания. В результате происходит нарушение нормальной коммутации машины и соответствующее увеличение потока якоря, сопровождающееся возрастанием напряжения между смежными коллекторными пластинами, что может привести к возникновению кругового огня.

Возникновение вихревых токов в массивном остове машины и сердечниках добавочных полюсов приводит к нарушению коммутации также и потому, что они задерживают изменение магнитного потока добавочных полюсов, который должен быстро следовать за изменением реактивной э. д. с., т. е. тока в обмотке якоря. В результате нарушается условие компенсации реактивной э. д. с. е_р — е_к = 0 и возникает некомпенсированная э. д. с. Δе = е_р — е_к, вызывающая искрение под щетками. Введение в магнитную цепь добавочных полюсов второго воздушного зазора у остова (см. рис. 119, б) ослабляет этот задерживающий эффект и способствует более быстрому изменению коммутирующей э. д. с. е_к в соответствии с изменением e_р.