Коммутация в машинах постоянного тока

Под коммутацией в машинах постоянного тока понимают явления, вызванные изменением направления тока в проводниках обмотки якоря при переходе их из одной параллельной ветви в другую, т. е. при пересечении линии, по которой расположены щетки (от лат. commulatio — изменение). Рассмотрим явление коммутации на примере кольцевого якоря.

На рис. 1 показана развертка части обмотки якоря, состоящей из четырех проводников, части коллектора (две коллекторные пластины) и щетки. Проводники 2 и 3 образуют коммутируемый виток, который на рис. 1, а показан в положении, которое он занимает до коммутации, на рис. 1, в — после коммутации, а на рис. 1, б — в период коммутации. Коллектор и обмотка якоря вращаются в указанном стрелкой направлении с частотой вращения п, щетка неподвижна.

В момент времени до коммутации ток якоря Iя проходит через щетку, правую коллекторную пластину и разделяется между параллельными ветвями обмотки якоря пополам. Проводники 1, 2 и 3 и проводник 4 образуют разные параллельные ветви.

После коммутации проводники 2 и 3 перешли в другую параллельную ветвь и направление тока в них изменилось на противоположное. Это изменение произошло за время, равное периоду коммутации Тk, т. е. за время, которое требуется, чтобы щетка перешла с правой пластины на соседнюю левую (в действительности щетка перекрывает сразу несколько пластин коллектора, но в принципе это не влияет на процесс коммутации).

Рис. 1. Схема процесса коммутации тока

Один из моментов периода коммутации показан на рис. 1, б. Коммутируемый виток оказывается замкнутым накоротко коллекторными пластинами и щеткой. Так как за период коммутации происходит изменение направления тока в витке 2—3, то это означает, что по витку протекает переменный ток, создающий переменный магнитный поток.

Последний индуцирует в коммутируемом витке э. д. с. самоиндукции еL, или реактивную э. д. с. Согласно принципу Ленца, э. д. с. самоиндукции стремится поддержать в проводнике ток прежнего направления. Следовательно, направление еL совпадает с направлением тока в витке до коммутации.

Под действием э. д. с. самоиндукции в короткозамкнутом витке 2—3 протекает большой дополнительный ток iд, так как сопротивление контура мало. В месте контакта щетки с левой пластиной ток iд направлен противоположно току якоря, а в месте контакта щетки с правой пластиной направление этих токов совпадает.

Чем ближе к окончанию периода коммутации, тем меньше площадь контакта щетки с правой пластиной и тем больше плотность тока. По окончании периода коммутации контакт щетки с правой пластиной разрывается и образуется электрическая дуга. Чем больше ток iд, тем мощнее электрическая дуга.

Если щетки располагаются на геометрической нейтрали, то в коммутируемом витке магнитным потоком якоря индуцируется э. д. с. вращения евр. На рис. 2 в увеличенном масштабе показаны проводники коммутируемого витка, расположенные на геометрической нейтрали, и направление э. д. с. самоиндукции еL для генератора, совпадающее с направлением тока якоря в этом проводнике до коммутации.

Направление евр определяется по правилу правой руки и всегда совпадает с направлением еL. В результате iд еще больше увеличивается. Возникающая электрическая дуга между щеткой и коллекторной пластиной может разрушить поверхность коллектора, в результате чего ухудшается контакт между щеткой и коллектором.

Рис. 2. Направление э.д.с. в коммутирующем витке

Для улучшения условий коммутации сдвигают щетки в сторону физической нейтрали. При расположении щеток на физической нейтрали коммутируемый виток не пересекает никакого внешнего магнитного потока и э. д. с. вращения не индуцируется. Если сдвинуть щетки дальше физической нейтрали, как показано на рис. 3, то в коммутируемом витке результирующий магнитный поток будет индуцировать э. д. с. ек, направление которой противоположно направлению э. д. с. самоиндукции еL.

Таким образом, будет скомпенсирована не только э. д. с. вращения, но и э. д. с. самоиндукции (частично или полностью). Как указывалось ранее, угол сдвига физической нейтрали все время меняется и поэтому щетки обычно устанавливают со сдвигом на некоторый средний угол по отношению к ней.

Уменьшение э. д. с. в коммутируемом витке приводит к уменьшению тока iд и ослаблению электрического разряда между щеткой и коллекторной пластиной.

Улучшить условия коммутации можно установкой добавочных полюсов (Nдп и Sдn на рис. 4). Добавочный полюс располагают по геометрической нейтрали. У генераторов одноименный добавочный полюс располагается за основным полюсом по ходу вращения якоря, а у двигателя — наоборот. Обмотки добавочных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря таким образом, чтобы создаваемый ими поток Фдп был направлен навстречу потоку якоря Фя.

Рис. 3. Направление э.д.с. в коммутируемом витке при сдвиге щеток за физическую нейтраль

Рис. 4. Схема включения обмоток добавочных полюсов

Так как оба эти потока создаются одним током (током якоря), то можно подобрать число витков обмотки добавочных полюсов и воздушный зазор между ними и якорем такими, чтобы потоки были равны по значению при любом токе якоря. Поток добавочных полюсов будет всегда компенсировать поток якоря и, таким образом, э. д. с. вращения в коммутируемом витке будет отсутствовать.

Добавочные полюсы обычно делают такими, чтобы их поток индуцировал в коммутируемом витке э. д. с, равную сумме еL + евр. Тогда в момент отрыва щетки от правой коллекторной пластины (см. рис. 1, в) электрическая дуга не возникает.

Выпускаемые промышленностью машины постоянного тока мощностью 1 кВт и выше снабжены добавочными полюсами.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Коммутация в машинах постоянного тока

Коммутацией в электрических машинах называется процесс переключения секций обмотки из одной параллельной ветви в другую и связанные с этим явления. В процессе коммутации ток коммутируемой секции меняет направление на обратное. На рис. 6 показаны секции обмотки якоря и щётка. Токи в секциях справа и слева от щётки имеют разное направление. Секция, присоединённая к коллекторным пластинам, которые контактируют в данное время со щёткой (щётка замыкает секцию накоротко) называется коммутируемой. Время замыкания щёткой коммутируемой секции накоротко, называется периодом коммутации Т_К.

Рис.6. Коммутация в машине постоянного тока.

Процесс переключения секции протекает достаточно быстро: время коммутации одной секции (период коммутации Тк), составляет примерно 0,001 – 0,0003 с. Явления, происходящие при коммутации, существенно влияют на надёжность и долговечность работы машины постоянного тока.

При плохой коммутации появляется значительное искрение под щетками и связанное с ним обгорание коллектора.

Период коммутации зависит от ширины щётки b_щ и окружной скорости коллектора v_k

Рис.7 Схема для расчёта тока коммутируемой секции

Характер процесса коммутации зависит от закона изменения тока коммутируемой секции i_КС за период коммутации. Для определения тока коммутируемой секции сделаем следующие допущения:

-переходное сопротивление между щёткой и пластиной зависит только от площади контакта пластины со щёткой, для пластины 2 на рис.7 это S_щ1= b_щ1l_Щ, для пластины 3 на рис.7 это S_щ2= b_щ2l_Щ, где l_Щ-длина щётки, b_щ1+ b_щ2= b_щ;

-ширина щётки b_щ равна ширине коллекторной пластины;

-активными сопротивлениями секции и коллекторных платин можно пренебречь.

На рис. 7 изображена схема простой петлевой обмотки. для простых волновых обмоток процесс коммутации происходит аналогично, щётка также перекрывает соседние коллекторные пластины, к которым присоединены секции волновой обмотки. Для сложных обмоток щётки делают более широкими, чтобы они одновременно перекрывали секции всех параллельных ветвей сложной обмотки, но процесс коммутации, при этом, мало отличается от коммутации в петлевой обмотке.

Процесс коммутации при заданном направ­лении вращения якоря (рис. 7 коммутация секции 1 начнет­ся с того момента, когда коллекторная пластина 3 войдет в со­прикосновение с правым краем щётки, который называют набе­гающим. С этого момента секция 1 будет замкнута щёткой накоротко и в ней будет происходить изменение тока i_КС (от + i_а до — i_а). При дальнейшем перемещении якоря через период ком­мутации Т_к коллекторная пластина 2 выйдет из соприкосновения со щёткой под её левым краем (сбегающим). В этот момент ком­мутация секции 1 закончится, секция перейдёт в другую парал­лельную ветвь обмотки и ток в ней поменяет направление на противоположное по сравнению с его направлением до начала коммутации.

Для определения закона изменения тока в коммутируемой сек­ции 1 в момент времени t (0

В реальной машине всегда отлична от нуля. Сумму ЭДС коммутируемой секции можно разложить на две составляющие

где, e_р-реактивная ЭДС секции или ЭДС соответствующая индуктивному сопротивлению секции (любая секция обмотки якоря машины постоянного тока всегда обладает индуктивным сопротивлением); e_вр— ЭДС вращения или ЭДС наведённая в секции внешними магнитными полями. ЭДС вращения, при положительном знаке, усиливает реактивную ЭДС, а при отрицательном уменьшает. В последнем случае, при равенстве реактивной ЭДС и ЭДС вращения, происходит полная компенсация реактивной ЭДС секции, и только тогда коммутация становится прямолинейной.

Обозначив i_а =i_пр и i_д, где i_пр-ток коммутируемой секции при прямолинейной коммутации, i_д— добавочный ток коммутируемой секции, i_КС можно представитть в виде

Замедленная коммутация происходит в том случае, когда реактивная ЭДС е_р имеет большее значение, чем компенсирующая ее ЭДС вращения или при отсутствии e_вр, График изменения i_КС при замедленной коммутации показан на рис.9.

Рис.9 Замедленная коммутация

Для замедленной коммутации характерно искрение сбегающего края щётки. Такое искрение возникает, когда при завершении коммутации секции в момент времени t =T_к ток i_Д не успевает достигнуть нулевого значения и при размыкании секции происходи! его разрыв (рис. 10). Этот ток называется током разрыва i_раз. Чем больше ток разрыва, тем сильнее искрение под сбегающим краем щётки

Рис.10 Возникновение тока разрыва

Ускоренная коммутация происходит при перекомпенсации реактивной ЭДС, когда добавочный ток добавочный ток противоположен по знаку току прямолинейной коммутации и превосходит его по величине (рис.11).что наблюдается в машинах постоянного тока при сильной компенсации реактивной ЭДС. При ускоренной коммутации появляется добавочный ток i_Д, противоположно направленный по сравнению с током замедленной коммутации. Следовательно, ток коммутируемой секции будет изменяться быстрее, чем при прямолинейной коммутации, а плотность тока под набегающей частью щётки будет больше, чем под сбегающей.

Рис.11 Ускоренная коммутация

Рис.11 Ток коммутируемой секции при сильном 1 и небольшом ускорении коммутации

Оптимальным считает коммутация ускоренная на 15% по сравнению с прямолинейной.

Источник

Коммутация в МПТ. Виды, классы искрения. ЭДС в коммутируемых секциях

Коммутация – процессы электрических машин постоянного тока, сопровождающие переходомпроводник из одной параллельной ветви в другую при изменении полярности тока в якоре.

Причины искрения на коллекторе:

1. Механические причины

2. Электромагнитные причины, вызывающие наведение ЭДС в секциях, которые замкнуты накоротко щетками.

Виды ЭДС:

2. Взаимная индукция e_m>0

3. Взаимная индукция реакции якоря e_р.я.>0

4. Взаимная индукция Ef>0 от пульсации магнитного потока

5. Взаимная индукция коммутации (вкл. поля)

Виды коммутации:

1. Ускоренная, когда плотность тока J под набегающим краем щетки больше, чем под сбегающим. Щетка искрит

2. Прямолинейная – плотность тока под сбегающим и набегающим равны. Темная коммутация (почти не искрит)

3. Замедленная – плотность тока под сбегающим краем больше чем под набегающим

Источник

Коммутация машин постоянного тока

Основные явления. Коммутацией в электрических машинах называется процесс переключения секций обмотки из одной параллельной ветви в другую и связанные с этим явления. На рис. 1.13, а показана секция перед коммутацией на рис. 1.13,б – секция в процессе коммутации (замкнутая накоротко через щетки 1, 2), на рис. 1.13,в – секция после коммутации.

Процесс переключения секции протекает достаточно быстро: время коммутации одной секции, называемое периодом коммутации Тк, составляет примерно 0,001 – 0,0003 с. Явления, происходящие при коммутации, существенно влияют на надежность и долговечность работы машины постоянного тока.

При плохой коммутации появляется значительное искрение под щетками и связанное с ним обгорание коллектора.

Ток i в короткозамкнутой секции 2 за время Тк меняет свое направление на противоположное: от +Iа до – Iа (рис. 1.14), где Iа – ток в параллельной ветви. Вследствие изменения тока в секции наводится ЭДС самоиндукции

.

Кроме этого, коммутируемая секция, если щетки расположены на геометрической нейтрали, пересекает поперечное поле якоря и поэтому в ней наводится ЭДС , называемая ЭДС вращения, где B_П – индукция поперечного поля. Обе ЭДС вызывают ток коммутации i_К, который замыкается по цепи: секция, коллекторная пластина, щетка, коллекторная пластина, секция (штриховая линия на рис. 1.13,б). От сопротивления этой цепи, а также от значений и направления е_L и зависит значение и направление тока i_К. Кроме того, по коммутируемой секции протекает часть тока якоря.

Если е_L и направлены навстречу друг другу и равны, то е_L + = 0 и ток в коммутируемой секции изменяется по закону i = Iа (1 – 2t / Tк), т.е. линейно (рис. 1.14, прямая 1). В этом случае плотность тока под щеткой везде одинакова и не изменяется в процессе коммутации – искрение под щетками не наблюдается.

Однако практически е_L + ≠ 0. В этом случае ток i_К алгебраически суммируется с частью тока якоря в коммутируемой секции и общий ток в коммутируемой секции изменяется в соответствии с кривыми 2 или 3 (рис. 1.14). В первом случае коммутация называется замедленной, во втором – ускоренной. В обоих случаях плотность тока под щеткой неодинакова, особенно она велика в набегающей части щетки для генератора и в сбегающей – для двигателя. В результате возникает искрение под щеткой и на коллекторе.

Пути улучшения коммутации. В предыдущем параграфе были рассмотрены электромагнитные причины плохой коммутации. Однако к искрению под щетками могут приводить и механические причины: неравномерный износ коллектора и его вибрация, чрезмерный износ щеток, выступание отдельных коллекторных пластин и изоляции и т.д. С учетом этого улучшение коммутации возможно несколькими путями:

Ø обеспечением в машине прямолинейной или несколько ускоренной коммутации; это достигается созданием в зоне коммутации секции дополнительного магнитного поля такой величины и направления, чтобы е_L + = 0 ;

Ø увеличением сопротивления короткозамкнутой цепи секции в целях уменьшения тока короткого замыкания; это достигается применением твердых графитовых щеток с повышенным переходным сопротивлением (мягкие медно-графитовые щетки с малым переходным сопротивлением применяются только в тихоходных машинах на напряжение до 30 В);

Ø тщательным контролем за состоянием поверхности коллектора и щеток.

Главным средством улучшения коммутации в машинах средней мощности являются дополнительные полюсы. Магнитное поле дополнительных полюсов подбирается таким образом, чтобы е_L + = 0 или было несколько больше нуля.

Дополнительные полюсы устанавливаются у всех машин постоянного тока мощностью свыше 1 кВт. В крупных машинах применение дополнительных полюсов сочетается с установкой компенсационной обмотки. В машинах малой мощности (менее 1 кВт) коммутацию настраивают поворотом щеток по направлению вращения у генераторов, а у двигателей – против направления вращения за положение физической нейтральной линии. Практически это положение определяется на глаз по наименьшему искрению под щетками. Улучшение коммутации поворотом щеток – малоэффективный метод, так как при изменении нагрузки положение физической нейтральной линии изменяется, а положение щеток остается фиксированным.

Источник

Коммутация электрических машин постоянного тока. Классы коммутации. Круговой огонь на коллекторе электрической машины,его причины,последствия и меры предупреждения.

Коммутация – процессы электрических машин постоянного тока, сопровождающие переходов проводник из одной параллельной ветви в другую при изменении полярности тока в якоре.

1. Ускоренная, когда плотность тока J под набегающим краем щетки больше, чем под сбегающим. Щетка искрит

2. Прямолинейная – плотность тока под сбегающим и набегающим равны. Темная коммутация (почти не искрит)

3. Замедленная – плотность тока под сбегающим краем больше чем под набегающим

Причины возникновения кругового огня. При эксплуатации машины постоянного тока на коллекторе иногда возникает электрическая дуга или множество мелких электрических разрядов. Это явление называют круговым огнем.

Причиной возникновения кругового огня является чрезмерно высокое напряжение между смежными пластинами. В эксплуатации изоляционные промежутки между смежными коллекторными пластинами перекрывается угольной пылью и осколками щеток, которые могут замыкать между собой пластины, образуя «мостики».

Для уменьшения вероятности кругового огня необходимо уменьшать напряжение между коллекторными пластинами uк.

1. Одновитковые секции (в крупных машинах);

2. Уменьшение искажения результирующего поля за счёт увеличения зазора;

3. Кардинальная мера – компенсационная обмотка.

3. Реакция якоря и способы борьбы с ее вредными последствиями.

Компенсационная обмотка. Наиболее эффективным средством подавления влияния реакции якоря по поперечной оси является применение в машине компенсационной обмотки. Ее обмотку укладывают в пазы полюсных наконечников и включают последовательно с обмоткой якоря таким образом, чтобы МДС компенсационной обмотки была противоположна по направлению МДС обмотки якоря.

Увеличение воздушного зазора под главными полюсами. В машинах малой и средней мощности, не имеющих компенсационной обмотки, вредное влияние реакции якоря по поперечной оси ослабляют соответствующим выбором воздушного зазора под главными полюсами. Однако увеличение воздушного зазора ведет к необходимости повышения МДС обмотки главных полюсов и к увеличению размеров полюсных катушек, полюсов и габарита машины в целом.

Способы пучка двигателей постоянного тока и регулирования частоты вращения якоря тягового электродвигателя.

Пуск двигателя постоянного тока осуществляется следующими основными способами:

1). Прямой пуск, – при котором обмотка якоря включается непосредственно в сеть питания. Т. к. при прямом пуске ток якоря в 10-20 раз больше номинального тока двигателя, прямой пуск применяют только для двигателей малой мощности и редко для двигателей мощностью в несколько киловатт.

2). Реостатный пуск, – при котором обмотка якоря включается в сеть питания через пусковой реостат, имеющий несколько ступеней (секций), которые в процессе пуска замыкаются специальными выключателями (контакторами). Реостатный пуск применяют на электровозах и электропоездах постоянного тока. Электропоезда имеют приблизительно постоянную массу, поэтому в них выключение ступеней пускового реостата производится автоматически специальным реле ускорения (реле минимального тока). Электропоезда чаще всего имеют разную массу, поэтому выключение ступеней пускового реостата в них производится самим машинистом вручную контролером машиниста по мере увеличения скорости движения.

3). Пуск двигателей постоянного тока путём понижения питающего напряжения применяют для двигателей большой мощности, т. к. применение для них пусковых реостатов нецелесообразно из за значительных потерь мощности. Для этого необходимо иметь источник постоянного тока с плавно регулируемым напряжением (генератор или управляемый выпрямитель). Такой пуск называют безреостатным и применяют его на электроподвижном составе переменного тока и тепловозах.

Назначение тягового и устройства генератора ГП-311Б.Схема внутренних соединений.

Тяговый генератор тепловоза ТЭ10 типа ГП311Б. Генератор ГП311Б – десятиполюсная электрическая машина с независимым возбуждением и принудительной вентиляцией. Магнитная система включает в себя станину, главные и добавочные полюсы. Кольцевой магнитопровод станины изготовлен из толстолистового стального проката с малым содержанием углерода. К станине приварены две лапы, которыми она опирается на поддизельную раму. В каждой лапе имеются четыре отверстия для крепящих болтов и два отверстия с резьбой для отжимных болтов. Главный полюс имеет сердечник и катушку. Сердечник 7 собран из листов холоднокатаной электротехнической стали толщиной 1 мм. Листы сердечника изолированы друг от друга лаком, спрессованы и стянуты заклепками. Главные полюсы имеют две катушки независимого возбуждения и пусковую. Катушки намотаны на каркас 6, имеющий отогнутые бурты, удерживающие рамки1 и 3, изготовленные из прочной и теплостойкой пластмассы. Изоляция каркаса состоит из 24 четырех слоев гибкого стекломиканита на кремнийорганическом лаке и одного слоя стеклоленты. Пусковая обмотка 5 расположена у полюсного башмака, затем установлена стеклотекстолитовая изоляционная шайба 2, поверх которой намотана обмотка незави-симого возбуждения 4. Такое расположение катушек обеспечивает хороший отвод тепла. Витки пусковой катушки изолированы асбестовой электроизоляционной бумагой, пропитанной в лаке ЭФ-3; сверху катушка покрыта стеклянной лентой, пропитанной тем же лаком, затем катушку пропитывают в кремнийорганическом лаке окунанием. В процессе намотки каждый слой катушки независимого возбуждения промазывают 25 кремнийорганическим лаком или компаундом. Пустоты заполняют замазкой. Катушку пропитывают в лаке, запекают и покрывают эмалью ГФ. Добавочные полюсы состоят из сердечников и катушек. Сердечник изготовлен из стали марки СтЗ.

Дата добавления: 2018-06-01 ; просмотров: 2574 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник