Условием безыскровой коммутации, как и в предыдущем случае, является выход сбегающей коллекторной пластины из-под щетки без разрыва тока, для чего необходимо, чтобы (i1)t=Tк = 0 или (i)t=Tк = – ia

Согласно теореме о среднем из (2.27) имеем

. (2.27а)

Постоянную интегрирования С находим из начальных условий. Так как в начальный момент при t = 0 ток коммутации (i)t=0 = ia, то согласно (2.27) получим C = ia. Положив (i)t=Tк = – ia, найдем условие безыскровой коммутации:

, (2.28)

Откуда

. (2.29)

Таким образом, для осуществления безыскровой коммутации необходима компенсация среднего значения реактивной э.д.с. в процессе коммутации. Если внешнее поле сделать постоянным, т.е. ек = ек-ср, то

. (2.30)

Следовательно, в этом, практически важном, простейшем случае обе методики дают тождественные результаты.

В расчетной практике для определения среднего значения реактивной э.д.с. в секции обмотки якоря часто используют упрощенную формулу, которая может быть получена из (2.29). Для этого ток параллельной ветви ia выражают через линейную нагрузку якоря

а период коммутации Тк – через линейную скорость якоря va и число коллекторных пластин K:

. (2.31)

В последних формулах N = 2Kωc–число активных проводников обмотки якоря; Da и Dк–диаметры якоря и коллектора; K-число коллекторных пластин; ωc–число витков в секции.

В результате получим реактивную э.д.с.

. (2.32)

Индуктивность секции

, (2.33)

где Λр–магнитная проводимость для потоков рассеяния секции: пазового Фп; по лобовым частям Фs и дифференциального Фz (по коронкам зубцов) – рис. 2.32, а; lа – li – активная длина якоря (при расчете магнитной проводимости берется удвоенная длина якоря); λр–удельная магнитная проводимость на единицу длины секции.

Поэтому формула (2.32) принимает вид

ep = 2lawcAvaλp. (2.32а)

Удельная проводимость секции с достаточной степенью точности может быть принята равной при открытых (рис. 2.32, б) и полузакрытых (рис. 2.32, в) пазах:

, (2.34)

где hп и bп – высота и средняя ширина паза; hш и bш–высота и ширина щели паза; ls – длина лобовой части секции.

Обычно значения λр = 4 ÷ 8.

На рис. 2.33, а показаны зависимости изменения тока в коммутируемой секции во времени при пренебрежении падениями напряжения i1r1 и i2r2 в щеточном контакте. Идеальной прямолинейной коммутации, т.е. условию eр.ср + ек.ср = 0, соответствует прямая 1.

Рис. 2.32 – Потоки рассеяния секции (а) и размеры паза, определяющие удельную проводимость секции (б, в)

В действительности при работе машины всегда имеются причины, вызывающие неполную компенсацию реактивной э.д.с., т.е. отклонение от условия ер.ср + ек.ср = 0. К этим причинам относятся: технологические допуски при изготовлении коллектора, установке щеткодержателей, установке добавочных полюсов и т.п.; резкие толчки тока нагрузки, перегрузки по току, превышения номинальной частоты вращения, вибрация машины и другие эксплуатационные причины; нестабильность щеточного контакта, из-за которой постоянно изменяется площадь контакта щетки с коллектором (период коммутации Тк) или происходит полный отрыв щетки от коллектора.

. (2.35)

При этом закон изменения тока в коммутируемой секции [см. (2.30)]

. (2.36)

При замедленной коммутации (рис. 2.33, а, прямая 2) в момент окончания коммутации при t = Tк щетка разрывает некоторый остаточный ток iост, вследствие чего между сбегающим краем щетки и сбегающей коллекторной пластиной возникает электрическая дуга. Величина остаточного тока

, (2.37)

или с учетом (2.36)

. (2.37a)

Электромагнитная энергия Wи, выделяющаяся в дуге, возникающей при разрыве остаточного тока, может характеризовать степень искрения. Для рассматриваемого простейшего случая

. (2.38)

Рис. 2.33 – Кривые изменения тока в коммутируемой секции в течение периода коммутации Тк при пренебрежении сопротивлением щеточного контакта (а) и его учете (б, в)

При ускоренной коммутации (рис. 2.33, а, прямая 3), когда |ек.ср| > |ер.ср|, ток в коммутируемой секции изменяется по закону

, (2.36а)

т.е. быстрее, чем это требуется для безыскровой работы щеток. Сбегающий край щетки и при ускоренной коммутации разрывает остаточный ток iост, а следовательно, и в этом случае будет наблюдаться искрение щетками.

Учет падения напряжения в щеточном контакте.

При построении кривых изменения тока (рис. 2.33, а) не учитывалось падение напряжения в щеточном контакте. В действительности при быстром увеличении плотности тока под сбегающим краем щетки сопротивление щеточного контакта резко возрастает, что ведет к уменьшению остаточного тока или полному его устранению, даже в том случае, когда коммутация отличается от идеальной. Типичные кривые изменения тока в коммутируемой секции с учетом влияния сопротивления щеточного контакта приведены на рис. 2.33, б. При незначительном расстройстве коммутации замедление коммутации (кривая 2) или ее ускорение (кривая 4) не приводят к разрыву сбегающим краем щетки остаточного тока. Только значительное замедление (кривая 3) или значительное ускорение (кривая 5) коммутации приводят к возникновению опасного искрения.

При замедленной коммутации уменьшение остаточного тока происходит под действием разности падений напряжений u1 и u2 (см. рис. 2.30) под сбегающим и набегающим краями щетки:

. (2.39)

При ускоренной коммутации на завершающем этапе, когда ток изменяет свое направление, в уравнение (2.39) входит сумма падений напряжения

. (2.39а)

При этом к концу процесса коммутации резко уменьшается ток i1, т.е. коммутируемая секция заканчивает коммутацию с так называемой ступенью малого тока (рис. 2.33, в), при которой допустима большая разница между ер и ек. Поскольку в эксплуатации появление погрешности коммутации как в одну, как и в другую сторону (т.е. ускоренная и замедленная коммутация) равновероятно, при расчете и наладке машины предпочитают иметь слегка ускоренную коммутацию. Для того чтобы усилить благоприятные влияния падений напряжений u1 + u2 на процесс коммутации, в мощных машинах постоянного тока с затрудненной коммутацией применяют щетки с большим переходным сопротивлением, несмотря на то, что это увеличивает потери мощности в переходном контакте.

Закономерности коммутации, рассмотренные на простейшем примере, в основном сохраняются и для более сложных случаев, когда щетка перекрывает несколько коллекторных пластин и в пазу находится несколько секций. Однако имеются и некоторые отличия от простейшего случая.

Общий случай коммутации при ширине щетки, большей коллекторного деления и нескольких проводниках, лежащих в пазу. В общем случае, когда щетка 1 перекрывает несколько коллекторных пластин (рис. 2.34, а), изменение тока происходит одновременно в нескольких секциях 2, лежащих в одном или нескольких пазах. На рис. 2.34, б изображена диаграмма коммутации секций одного паза для обмотки, показанной на рис. 2.34, а. Прямоугольники 3, 4, 5 и 6 показывают распределение во времени индуктивностей Lc секций, которые приняты равными их взаимоиндуктивностям Мс. Ширина каждого прямоугольника равна периоду коммутации

, (2.40)

где γ = bщ/bк – коэффициент щеточного перекрытия (число коллекторных пластин, перекрываемых щеткой); bк = πDк/K-коллекторное деление–расстояние между серединами соседних коллекторных пластин.

Изменение токов i1, i2, i3 и i4 в рассматриваемых секциях происходит со сдвигом во времени

. (2.41)

Рис. 2.34 – Коммутация при перекрытии щеткой нескольких коллекторных пластин (а) и диаграмма коммутации секции одного паза (б)

Время коммутации всех ип секций, лежащих в каждом слое паза, при диаметральном шаге обмотки якоря

. (2.42)

Коммутация секций происходит в зоне коммутации, т.е. по дуге окружности якоря, в пределах которой перемещаются стороны секции, лежащие в пазах, во время коммутации. Ширину этой зоны bз.к (рис. 2.35, а) можно получить, если умножить время Тп на окружную скорость якоря va:

. (2.43)

Ее можно также выразить через ширину щетки и коллекторное деление:

. (2.43а)

Из рис. 2.34, б следует, что в рассматриваемом случае одновременно может происходить коммутация секций двух пазов: когда начинается коммутация секций любого n-го паза, продолжается коммутация секций предшествующего (п-1) – го паза; заканчивается же коммутация секций n-го паза, когда уже замкнуты накоротко некоторые секции (п + 1) – го паза. Таким образом, при исследовании процесса изменения тока в любой коммутируемой секции нужно учитывать индуктивное влияние секций, расположенных в том же и в соседних пазах. Для каждой из коммутируемых секций можно написать уравнение

, (2.44)

где ек – коммутирующая э. д. с, создаваемая внешним полем (э.д.с. вращения); – Lcdi/dt-э.д.с. самоиндукции, возникающая при изменении тока в секции (индуктируемая потоком рассеяния ФL, рис. 2.35, б); –∑Mкdiк/dt-э.д.с. взаимоиндукции, возникающие в рассматриваемой секции в результате влияния других коммутируемых секций (индуктируемые потоками взаимоиндукции Ф'м и Ф"м рис. 2.35, б); Мк – взаимоиндуктивность рассматриваемой секции с другой секцией, коммутируемой одновременно; iк–ток в секциях, коммутируемых одновременно; ∑ir – сумма падений напряжений в сопротивлениях коммутируемой секции.

Аналитическое решение уравнения (2.44) невозможно, так как входящие в него индуктивности и сопротивления являются нелинейными, а сопротивления r зависят, кроме того, от характера коммутации.

Рассмотрим процесс коммутации в общем виде и определим среднюю скорость изменения тока во всех секциях якоря. При этом воспользуемся следующими соображениями. За время, соответствующее повороту якоря на одно полюсное деление (рис. 2.35, а)

происходит изменение направления тока во всех секциях S = N/(2ωc) обмотки якоря, т.е. приращение тока в секциях

Следовательно, средняя скорость изменения тока во всех секциях обмотки якоря

. (2.45)

Так как изменение тока в секциях происходит только в период коммутации, выражение (2.45) определяет среднюю скорость изменения тока во всех коммутируемых секциях машины. Однако при анализе коммутации обычно рассматривают секции, находящиеся в одной зоне коммутации bз.к, т.е. коммутируемые одной щеткой.

При этом условии

. (2.45а)

Если принять скорость изменения тока в зоне коммутации постоянной, то постоянным будет и и полный ток, проходящий во всех секциях, которые расположены в этой зоне, вследствие чего поток взаимоиндукции Ф'м + Ф"м, замыкающийся через главные и добавочные полюсы (рис. 2.35, б), будет постоянным. При этом условии взаимоиндукция соседних пазов проявляется только при скорости изменения тока в коммутируемых секциях, отличной от средней. Индуктивность же, обусловленная потоками рассеяния ФL, сказывается при любой скорости изменения тока.

Рис. 2.35 – Положение коммутационной зоны (а) и магнитные потоки, создаваемые в ней коммутируемыми секциями (б)

Наличие сравнительно больших потоков взаимоиндукции Ф'м и Ф"м, обусловливает постоянство средней скорости изменения полного тока в зоне коммутации, так как при любом отклонении от этого закона в коммутируемых секциях индуктируется большая э.д.с. взаимоиндукции

стремящаяся ликвидировать указанное отклонение. Это теоретическое положение было впервые выдвинуто Л. Дрейфусом и в дальнейшем подтверждено подробными экспериментами Н.В. Волошина и В.Н. Безрученко.

В простейшем случае одновременной коммутации нескольких секций, каждая из которых занимает отдельный паз, для любой коммутируемой секции можно написать уравнение

, (2.46)

где Lc–индуктивность, обусловленная потоком рассеяния ФL секции; Мк – взаимоиндуктивность, обусловленная суммарным потоком взаимоиндукции Ф'м + Ф"м или с учетом (2.45а)

. (2.46а)

Суммируя уравнения для всех коммутируемых секций и пренебрегая разностью падений напряжений под щеткой, получим

, (2.47)

где ∑ек = ек1 + ек2 + ек3+ · · · екn, n – одно из целых чисел, ближайших к числу γ коллекторных пластин, перекрываемых щеткой.

Примем ек1 = ек2 = ек3= · · · = екn = ек.ср и усредним число коротко-замкнутых секций. Тогда, полагая п = γ, запишем:

. (2.47а)

Поскольку проводимость для суммарного потока взаимоиндукции Ф'м + Ф"м во много раз больше проводимости для потока рассеяния ФL, т.е. Mк>>Lс, и практически, как показали экспериментальные исследования, d∑iк/dt = Avа/ωс = const, получим

, (2.47б)

Откуда

. (2.48)

Сравнивая выражения (2.48) и (2.32), можно установить, что перекрытие щеткой нескольких коллекторных пластин уменьшает величину ек.ср. Это объясняется тем, что увеличивается период коммутации Tк=γπDa/(Kva), а следовательно, снижается средняя величина реактивной э.д.с.

. (2.49)

Таким образом, и для рассмотренного случая условие безыскровой коммутации будет иметь вид ер.ср + ек.ср. = 0. При выполнении его ток в секции за период коммутации изменяется на величину

, (2.50)

и коллекторная пластина выходит из-под щетки без разрыва тока. Такую коммутацию называют среднепрямолинейной.

В каждом слое паза якоря реальной машины находится несколько секций, что дает возможность выполнять для них общую изоляцию относительно корпуса, а это увеличивает коэффициент заполнения паза медью и значительно снижает габариты машины и ее стоимость. Секции, расположенные в одних и тех же пазах, имеют хорошую магнитную связь; индуктивность их Lc приблизительно равна взаимоиндуктивности Мп. Поэтому выход из-под щетки коллекторных пластин, связанных со всеми секциями паза, кроме последней, не вызывает электрической дуги даже при разрыве тока, так как малы переходная индуктивность и энергия, выделяющаяся в дуге. Это явление хорошо известно и в практике эксплуатации коллекторных машин – подгорают пластины коллектора, кратные числу секций в пазу. По указанной причине некоторые исследователи коммутации предлагали последнюю секцию в пазу называть самостоятельной, а те секции, которые не вызывают искрения, – несамостоятельными. Следовательно, при расчете коммутации следует стремиться к тому, чтобы не рвался ток при выходе из-под щетки пластины, связанной с самостоятельной секцией, т.е. заканчивающей коммутацию в пазу.

Для каждой из коммутируемых секций, лежащих в одном слое рассматриваемого паза, можно написать уравнение

, (2.51)

где Мп–взаимоиндуктивность рассматриваемой секции с другими коммутируемыми секциями, лежащими в одном и том же слое данного паза; Мк–взаимоиндуктивность рассматриваемой секции с другими коммутируемыми секциями, лежащими в соседних пазах. Так как Lc = Mn, то

. (2.51а)

Обозначая полный ток во всех секциях, лежащих в каждом слое, через iп = i1 + i2 + · · · + in получаем

. (2.52)

Уравнение (2.52) по форме соответствует уравнению (2.46а), т.е. коммутацию нескольких секций, лежащих рядом в одном пазу, можно рассматривать как коммутацию одной секции, имеющей начальный ток iп в течение времени Тп.

Средняя величина реактивной э.д.с. при коммутации всех секций, лежащих в каждом слое паза, с учетом (2.42):

. (2.53)

Соответственно из условия ер.ср + ек.ср = 0 должна выбираться и средняя величина коммутирующей э.д.с.

Обычно γ < uп, что обусловливает некоторые особенности коммутации. Типичная диаграмма изменения тока паза in при коммутации показана на рис. 2.36, а. На первом этапе, когда начинается коммутация секций n-го паза, продолжается коммутация секций предшествующего (n-1) – го паза.

Из условия средне прямолинейной коммутации имеем

Рис. 2.36 – График изменения тока паза (а) и распределение тока между отдельными секциями паза (б) в процессе коммутации:

1 – 4 – токи в сторонах секций верхнего слоя паза,

5 -8 – то же, нижнего слоя паза

, (2.54)

Поэтому

. (2.54а)

Иными словами, наличие коммутирующих секций в предшествующем пазу уменьшает скорость изменения тока в секциях рассматриваемого паза. В течение времени Т'п, когда происходит коммутация секции только n-го паза, скорость изменения тока iп максимальна и равна (diп/dt)n = Avа/ωс.

Когда начинается процесс коммутации в секциях последующего (n+1) – го паза, скорость изменения тока снова замедляется:

(2.54б)

Токи между пазами, в которых находятся коммутируемые секции, распределяются соответственно величинам коммутирующих э.д. с. и количеству секций, находящихся в режиме коммутации. Распределение токов между короткозамкнутыми секциями одного паза определяется в основном их активными сопротивлениями, включая сопротивление щеточного контакта. Оно носит в значительной мере случайный характер (рис. 2.36, б), что объясняется нестабильностью щеточного контакта.

В рассматриваемом случае величина остаточного тока, возникающего при нарушениях коммутации,

а электромагнитная энергия, выделяющаяся на дуге при искрении, связанном с разрывом остаточного тока,

Способы улучшения коммутации. В современных машинах основным средством улучшения коммутации является применение добавочных полюсов, при помощи которых в коммутационной зоне создается магнитное поле, индуктирующее коммутирующую э.д.с. ек.ср требуемой величины. Только в машинах малой мощности (менее 300 Вт) удается обойтись без добавочных полюсов.

Рис. 2.37 – Сдвиг щеток с геометрической нейтрали (а) и кривая результирующего магнитного поля в зоне установки щеток (б)

Создание коммутирующей э.д.с. путем сдвига щеток с геометрической нейтрали 0–0 на некоторый угол α за физическую нейтраль (рис. 2.37), так чтобы коммутируемые секции оказались в зоне действия магнитного поля с индукцией Врез требуемой величины и направления, применяется крайне редко. В этом случае удается добиться безыскровой работы машины только для одного направления вращения и при одной определенной нагрузке. Изменять же сдвиг щеток в зависимости от направления вращения и режима работы машины практически очень сложно.

Добавочные полюсы устанавливают между главными полюсами (рис. 2.38). Они создают в зоне коммутации магнитное поле с индукцией Вк такой величины, чтобы при вращении якоря в коммутируемых секциях индуктировалась э.д.с. ек.ср = – ер.ср.

Рис. 2.38 – Расположение добавочных полюсов в машине:

1 – добавочные полюсы, 2 – обмотка добавочных полюсов, 3 – обмотка возбуждения, 4 – главные полюсы

Обмотку добавочных полюсов включают последовательно в цепь якоря, а магнитную систему выполняют ненасыщенной. Поэтому коммутирующая э.д.с. ек.ср оказывается пропорциональной току якоря и его линейной скорости va, которая в свою очередь пропорциональна частоте вращения:

. (2.55)

Следовательно, э.д. с. ек.ср изменяется по такому же закону, как и реактивная э.д. с:

. (2.56)

Поэтому если осуществить взаимную компенсацию э.д.с. ер.ср + ек.ср = 0 для какого-то одного режима работы, то их компенсация автоматически обеспечивается и при других режимах. Полярность добавочных полюсов зависит от направления вращения и режима работы машины. В генераторном режиме полярность добавочного полюса должна быть такой же, как у следующего за ним по направлению вращения главного полюса; в двигательном режиме – как у предшествующего ему по направлению вращения главного полюса.

Сердечники добавочных полюсов изготовляют обычно массивными из стальной поковки, хотя иногда применяют и шихтованные, из листов электротехнической стали. Последнее делается в тех случаях, когда в токе якоря имеются переменные составляющие (двигатели пульсирующего тока и т.д.), для того чтобы и э.д.с. ек тоже имела переменные составляющие, пропорциональные току якоря.

Величина индукции Вк под добавочным полюсом обычно мала, так как мала и средняя величина коммутирующей э.д.с. – ек.ср =3 ÷ 10 В. Однако м.д.с. обмотки добавочных полюсов должна быть очень большой, так как она направлена против поперечной составляющей Faq = τA м.д.с. реакции якоря. Поэтому обмотка каждого полюса должна иметь м.д.с.

, (2.57)

где Вк–индукция в воздушном зазоре под добавочными полюсами, которая вычисляется по (2.55) при условии |ек.ср|; = |ер.ср|; δдоб и kδдоб–величина и коэффициент воздушного зазора под добавочными полюсами.

При расчете м.д.с. добавочных полюсов обычно не учитывается возможность получения несколько ускоренной коммутации, так как требуемое ускорение достигается регулировкой воздушного зазора при наладке машины.

Из-за значительной величины м. д. с. Fдo6 поток рассеяния добавочного полюса очень велик и превышает в 2–4 раза полезный поток, замыкающийся через якорь. Для уменьшения потока рассеяния, который может вызвать насыщение сердечника добавочного полюса, в крупных машинах делают второй зазор δдоб2 (рис. 2.39, а), устанавливая диамагнитные прокладки между сердечником полюса и ярмом. В этом случае

, (2.58)

где Bк1 и Вк2–индукции в основном и втором зазорах; kδдоб1 – соответствующий коэффициент воздушного зазора; δдоб1 и δдоб2–величины этих зазоров.

При наличии компенсационной обмотки требуемая м.д.с. добавочного полюса резко уменьшается, так как м. д. с. компенсационной обмотки Fк.о действует против м.д.с. Faq реакции якоря:

. (2.58а)

Это позволяет (для уменьшения потоков рассеяния) сосредоточить обмотку добавочного полюса у якоря (рис. 2.39, б). Ширину наконечника добавочного полюса в малых машинах выбирают равной ширине зоны коммутации: bдоб ≈ bз.к.

Рис. 2.39 – Формы сердечников и расположение на них катушек обмотки добавочных полюсов:

1-корпус (станина), 2 – диамагнитная прокладка,

3 – сердечник, 4 – катушка

В крупных машинах с напряженной коммутацией ширину наконечника добавочного полюса выбирают относительно узкой: bдоб = (0,3 ÷ 0,6) bз.к – При такой ширине добавочного полюса распределение индукции в зоне коммутации имеет вид, показанный на рис. 2.40, вследствие чего коммутирующая э.д.с. в начале зоны коммутации и в конце значительно ниже среднего значения. Это приводит к тому, что первая секция паза вступает в коммутацию, а последняя секция выходит из нее со «ступенью малого тока» (см. рис. 2.33, в), что благоприятно сказывается на коммутации, так как предотвращает разрыв тока при случайном нарушении контакта между пластиной и сбегающим краем щетки. Узкие добавочные полюсы требуют повышенной точности сборки машины и установки щеток, поэтому в машинах малой и средней мощности их не применяют.

Рис. 2.40 – Кривая распределения индукции в воздушном зазоре под добавочным полюсом при узком полюсном наконечнике

Необходимость обеспечения удовлетворительной коммутации накладывает определенные ограничения на габаритные размеры и конструкцию машин постоянного тока. Практика электромашиностроения показывает, что можно добиться безыскровой коммутации лишь тогда, когда реактивная э.д. с. в номинальном режиме не превосходит некоторого предельного значения. Поэтому в крупных машинах и машинах, работающих при высоких частотах вращения, применяют одновитковые секции и делают неглубокие пазы (не более 4–6 см в самых мощных машинах) с целью уменьшения индуктивности секции. В ряде случаев для уменьшения реактивной э.д.с. приходиться ограничивать активную длину якоря и его окружную скорость. Все эти меры приводят либо к снижению мощности машины при заданных габаритах, либо к увеличению ее размеров и массы (при заданной мощности). Поэтому машины постоянного тока имеют меньшую мощность, чем машины переменного тока тех же габаритов; при мощности 100–1000 кВт уменьшение составляет 20–25%. Попытки увеличить мощность, допустив увеличение степени искрения на коллекторе, приводят к резкому возрастанию эксплуатационных расходов. Условия коммутации ограничивают также предельную мощность, на которую может быть построена машина постоянного тока (при заданной частоте вращения).

Чтобы уменьшить влияние технологических отклонений и вибраций щеток на качество коммутации, применяют обмотки с укороченным шагом и ступенчатые обмотки. В этих обмотках последняя секция паза одного слоя, заканчивая коммутацию, оказывается магнитно связанной с секцией другого слоя, которая остается замкнутой щеткой. Вследствие этого под щеткой выделяется только часть электромагнитной энергии остаточного тока

, (2.59)

а другая часть энергии

(2.59а)

передается в короткозамкнутую секцию.

Поскольку технологические отклонения равновероятны в ту и другую стороны, недокомпенсация реактивной э.д.с. ер.ср сменяется перекомпенсацией и поэтому накопления энергии Wи не происходит. Коэффициент связи kсв = Mс/Lc у секций с укороченным шагом достигает значения kсв = 0,4 ÷ 0,6 (с учетом взаимной связи лобовых соединений), благодаря чему существенно уменьшается искрение под щетками. Однако при длительных нарушениях коммутации, когда погрешность Δ = [|ер.ср| – |ек.ср|/|ер.ср| имеет один знак для трех-пяти пазов, последовательно заканчивающих коммутацию, взаимоиндуктивность указанных секций не имеет значения, так как коммутация секций одного паза не может улучшаться за счет коммутаций секций другого паза (если секции всех пазов коммутируют в одинаковых условиях). Преимуществом ступенчатых обмоток является также и то обстоятельство, что при их использовании происходит более равномерный износ коллектора, так как в пазу имеются две самостоятельные секции, а следовательно, и электромагнитная энергия, выделяющаяся при разрыве остаточного тока паза распределяется на две коллекторные пластины (соответственно уменьшается их износ). Недостатком ступенчатых обмоток является сложность обеспечения «темной» коммутации, так как условия коммутации двух самостоятельных секций требуют, в общем случае, различной величины коммутирующей э.д.с. Таким образом, ступенчатые обмотки можно рекомендовать только при очень сложных условиях эксплуатации, характеризующихся работой с частыми нарушениями коммутации (толчкообразная нагрузка и т.д.).

Заметное улучшение коммутации происходит также из-за возникновения в проводниках обмотки якоря вихревых и контурных (в сложных обмотках) токов. Часть нескомпенсированной энергии коммутируемых секций выделяется в виде тепла, создаваемого вихревыми токами, что должно быть учтено при расчете, путем уменьшения результирующей индуктивности секции.

Уменьшению искрения способствует увеличение длины коллектора, однако это ведет к увеличению габаритов и длины машины. Плотность тока под щетками не играет существенного значения, однако не следует выбирать ее чрезмерной, так как при перегрузках возможен перегрев отдельных коллекторных пластин. Особенно опасно это явление для двигателей постоянного тока, работающих в условиях затяжных пусков (например, для тяговых двигателей электровозов, экскаваторов и т.п.). Во избежание перегрева отдельных пластин и возникновения деформации коллектора плотность тока под щетками при длительных перегрузках таких машин не должна превышать 20 А/см2.

Важную роль в процессе коммутации играют щетки, которые по своей физической природе являются нелинейными сопротивлениями. При быстром увеличении плотности тока под сбегающим краем щетки сопротивление щетки резко возрастает, что ведет к уменьшению остаточного тока или полному его устранению, даже в случае, когда коммутация является неидеальной. В электрических машинах большой и средней мощностей применяют электрографитированные щетки с большим падением напряжения в скользящем контакте (2,4–3,5 В на пару щеток). Такие щетки получают в электропечах путем нагревания заготовок из угля и кокса до температуры 2000–2500° С, при этом они принимают структуру графита, а поэтому называются электрографитированными. На рис. 2.41 показаны типичные зависимости падения напряжения 2Δищ в контакте «коллектор – щетка» от плотности тока Δщ для электрографитированных (кривая 1) и угольно-графитных (кривая 2) щеток. Соответствующим выбором марки щетки часто удается улучшить коммутацию машины. В тихоходных машинах применяют твердые щетки с наибольшим переходным сопротивлением. Для быстроходных машин (при линейной скорости 40 м/с и выше) приходится брать мягкие щетки, хотя они быстрее изнашиваются и имеют меньшее переходное сопротивление.

Рис. 2.41 – Зависимости падения, напряжения под щетками от плотности тока

Таблица 2.2

Типы щеток	Марка	Номинальная плотность тока, А/см2	Переходное падение напряжения на пару щеток, В	Окружная скорость, м/с	Удельное нажатие, Н/см2	Коэффициент трения	Область применения
Угольно-графитные	УГ4	7	2	12	2–2,5	0,25	Для генераторов и двигателей со средними условиями коммутации
Графитные	611М	10–12	2	40	2 – 2,5	0,25	Для генераторов и двигателей с облегченными условиями коммутации
Элек-трогра-фитиро-ванные	ЭГ2А ЭГ4 ЭГ8 ЭГ14	10 12 10 10–11	2,6 2 2,4 2,5	45 40 40 40	2–2,5 1,5–2 2–4 2–4	0,23 0,25 0,25 0,25	Для генераторов и двигателей со средними и затрудненными условиями коммутации
Медно-графит-ные	МГ2 МГ4	20 15	0,5 1,1	20 20	1,8–2,3 2–2,5	0,2 0,2	Для низковольтных генераторов и контактных колец

Технические данные наиболее часто используемых марок щеток и области их применения приведены в табл. 2.2. Подбор щеток обычно производится экспериментально.

На характер коммутации оказывает также влияние дифференциальный поток рассеяния, проходящий по коронкам зубцов, и поток главных полюсов.

Дифференциальный поток рассеяния по коронкам зубцов Фz (см. рис. 2.42, а) замыкается через сердечник добавочного полюса. При вращении якоря изменяется положение середины паза с коммутируемыми секциями относительно сердечника (см. положения паза, показанные на рис. 2.42, а, б), что приводит к изменению потока Фz и периодическому изменению индуктивности секции Lc.

Рис. 2.42 – Изменение дифференциального потока рассеяния, проходящего по коронкам зубов, при перемещении паза с коммутируемыми секциями:

1 – сердечник добавочного полюса, 2 – паз

Величина реактивной э.д.с. будет при этом определяться выражением

(2.60)

и может существенно отличаться от средней э.д.с. ер.ср. В результате возникает искрение под щетками. Для уменьшения дифференциального потока рассеяния целесообразно увеличивать зазор под добавочным полюсом. В машинах большой мощности этот зазор обычно делают равным 8 – 15 мм, соответственно увеличивая число витков обмотки добавочных полюсов. Иногда, для того чтобы уменьшить скорость изменения потока Фz, на наконечники дополнительных полюсов устанавливают короткозамкнутые витки. Такой виток выполняют из меди или бронзы в виде фланца; он одновременно служит конструктивной деталью, крепящей катушку добавочного полюса. Однако, улучшая коммутацию в стационарных режимах, короткозамкнутые витки будут ухудшать коммутацию при резких изменениях тока якоря.

Влияние главных полюсов на процесс коммутации заключается в том, что поток Фв, созданный обмоткой возбуждения, частично попадает в зону коммутации. При симметричной магнитной системе и чередующейся полярности главных полюсов, как это обычно имеет место, величина результирующего потока в зоне коммутации не изменяется, т.е. сохраняется условие ер.ср + ек.ср = 0. Однако поле в зоне коммутации деформируется, усиливаясь, с одной стороны, и уменьшаясь, с другой. На рис. 2.43 показано распределение индукции Вк в зоне коммутации: а – созданной м.д. с. Fдo6 добавочных полюсов; б – созданной м.д.с. Fв главных полюсов; в-результирующего магнитного поля. Нарушение симметрии магнитного поля в зоне коммутации приводит к неблагоприятному характеру коммутации; при этом токосъем переносится на край щетки[3].

Еще большие расстройства коммутации могут возникнуть из-за нарушения магнитной симметрии машины, например, в результате технологических отклонений при установке щеткодержателей, главных или добавочных полюсов, когда изменяется поле в зоне коммутации. Чтобы уменьшить влияние поля главных полюсов на процесс коммутации, снижают величину полюсного перекрытия αi = bi/τ, так чтобы соблюдалось условие (1–αi)τ ≥ 2,5bз.к В машинах малой мощности, кроме того, увеличивают ширину наконечника добавочного полюса, который «экранирует» зону коммутации от потока главного полюса.

Рис. 2.43 – Распределение индукции Вк в зоне коммутации

В машинах с компенсационной обмоткой м.д. с. главных полюсов меньше, а следовательно, влияние поля главных полюсов на процесс коммутации меньше. Это позволяет несколько увеличивать полюсную дугу, т.е. коэффициент полюсного перекрытия αi.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9