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

Криволинейная коммутация

В общем случае в коммутирующей секции наводится ЭДС e_L и e_k. Под действием этих ЭДС в цепи секции, замкнутой щеткой накоротко, проходит добавочный ток коммутации, который налагается на ток прямолинейной коммутации и делает ее криволинейной.

Если или , то добавочный ток направлен согласно с уменьшающимся током i₁ и против возрастающего тока i₂, так как ЭДС e_L препятствует происходящим в цепи изменениям.

Вследствие этого ток i_c в коммутирующей секции изменяется замедленно (кривая 2), и такая коммутация называется замедленной.

При замедленной коммутации плотность тока на сбегающем крае щетки возрастает, и может быть искрение при разрыве цепи в момент, когда щетка сбегает с коллекторной пластины.

Если , то процесс изменения тока в коммутирующей секции ускоряется, и коммутация называется ускоренной (кривая 3).

При ускоренной коммутации возрастает плотность тока под набегающим краем щетки, и может возникнуть искрение в момент, когда щетка набегает на коллекторную пластину.

Источник

Криволинейная замедленная коммутация

где L_с— индуктивность секции;i— ток в коммутирующей секции.

Рис. 27.3. Магнитная связь одновременно коммути­рующих секций:

а — при полном шаге (у₁= τ); б — при укороченном шаге обмотки якоря (у₁

Обе ЭДС создают в коммути­рующей секции реактивную (резуль­тирующую) ЭДС

которая препятствует изменению тока в коммутирующей секции. Кроме того, под влиянием реакции якоря магнитная индукция в зоне коммутации (на геометрической нейтрали) приобретает неко­торое значение В_к(см. рис. 26.4, в), под действием которой в ком­мутирующей секции наводится ЭДС вращения

где l— длина пазовых частей секции;w_с — число витков в сек­ции;v— линейная скорость движения секции.

Электродвижущая сила вращения в отличие от реактивной ЭДС может иметь разное направление в зависимости от полярно­сти внешнего магнитного поля в зоне коммутации. Если машина не имеет добавочных полюсов, то ЭДС вращения направлена со­гласованно с реактивной ЭДС. В этом случае в контуре коммути­рующей секции действует сумма ЭДС

С учетом изложенного уравнение по второму закону Кирхгофа для коммутирующей секции замкнутой щеткой имеет вид

или с учетом (27.3) запишем выражение тока в коммутирующей секции при криволинейной замедленной коммутации:

Первое слагаемое правой части полученного выражения пред­ставляет собой ток прямолинейной коммутации [см. (27.3)]

Второе слагаемое правой части выражения (27.11) определяет значение дополнительного тока коммутации, возни­кающего в контуре коммутирующей секции под действием ЭДС ∑e:

Таким образом, ток в коммутирующей секции при криволиней­ной замедленной коммутации равен сумме двух составляющих:

Характер изменения тока i_пропределяется графиком, показан­ным на рис. 27.2. Что же касается дополнительного тока коммута­цииi_д, то для определения характера его изменения за период коммутации необходимо предварительно выяснить, как меняются за период коммутации величины, определяющие этот ток, а имен­но ЭДС ∑eи сумма сопротивлений (r₂+r₁).

Закон изменения суммы сопротивлений (r₁+r₂) определяется выражением

r₂ + r₁ = (27.15)

где R— сопротивление переходного контакта «щетка—пластина», когда пластина коллектора полностью перекрыта щеткой и пло­щадь ее переходного контакта равнаS_k.

В начале (t = 0) и в конце (t = T_к) коммутации r₁ + r₂ = ∞; при t = 0,5 T_k Гц сумма сопротивлений r₂ + r₁ = 4R. На рис. 27.4, а представлен график (r₂ + r₁) = f(t). Этому закону изменения суммысопротивлений и постоянству ЭДС ∑e соответствует кривая 1 измене­ния добавочного тока коммутации i_д = f(t)представленная на рис. 27.4, б.

Рис. 27.4. Графики измене­ний сопротивлений (r₁+r₂) и токаi_д

График изменения результирую­щего тока коммутации i=i_пр+i_д=f(t), полученный сложением орди­нат графиков тока прямолинейной коммутацииi_пр=f(t) (см. рис. 27.2) и добавочного тока коммутацииi_д=f(t) (см. рис. 27.4, б, график 1), представ­лен на рис. 27.5. Криволинейный вид этого графика обусловлен криволинейностью графикаi_д= f(t). Физиче­ски это объясняется реактивным дей­ствием суммарной ЭДС ∑e, наводи­мой в коммутирующей секции, пре­пятствующей изменениям тока в этой секции от +i_ав начале коммутации до –i_aв ее конце. По этой причине в се­редине периода коммутации (точка а) ток в коммутирующей секцииi_a=i_д, т.е. он не равен нулю, как это имело место при прямолинейной коммутации (см. рис. 27.2), а равен добавочному току коммутацииi_д, который в этот момент времени (t= 0,5T_к) имеет наибольшее значение (см. рис. 27.4, б, график 1). Уменьшение токаi_aдо нуля и изменение его направления наступают во второй половине перио­да коммутации в момент времениt> 0,5 Т_к(точкаb), т. е. по срав­нению с прямолинейной в рассматриваемом виде коммутации процесс изменения направления тока в коммутирующей секции затягивается во времени. В итоге график коммутации приобретает криволинейный вид. По этой причине такую коммутацию называ­ют криволинейной замедленной. Характерный признак этого вида коммутации — неодинаковая плотность тока под щеткой в начале и в конце периода коммутации.

В этом можно убедиться, воспользовавшись построениями, сделанными на рис. 27.5, для момента времени t= 0,5 Т_к.

Среднее значение плотности тока под набегающим краем щетки j₂, имеющим контакт с пластиной 2 (рис. 27.6, а), меньше среднего значения плотности токаj₁под сбегающим краем щетки, имеющим контакт с пластиной 1. С одной стороны, это объясняет­ся тем, чтоtgα₂ / ₁, где α / ₁ соответствуетt≈ Т_к(см. рис. 27.5).

Рис. 27.5. График тока криволи­нейной замедленной коммутации

При значительных нагрузках машины плотность тока под сбе­гающим краем щетки может дос­тигнуть недопустимо больших значений и вызвать искрение на коллекторе. Однако, как показы­вает опыт, возможно появление искрения и при небольших нагру­зочных токах в цепи якоря. Это свидетельствует о том, что уве­личение плотности тока под сбе­гающим краем щетки не единст­венная причина искрения на коллекторе. Искрение возникает также при размыкании замкнутойнакоротко щеткой цепи коммути­рующей секции при выходе сбегающей пластины коллектора из-под щетки. В момент размыкания коммутирующей секции с добавочным током коммутации накоп­ленная в ней энергия магнитного поля (Дж)

Рис. 27.6. Распределение плотности тока под щеткой при криво­линейной

замедленной (а) и ускоренной (б) видах коммутации

затрачивается на создание электрической дуги между сбегающим краем щетки и сбегающей коллекторной пластиной.

Изложенные выше свойства криволинейной замедленной коммутации — повышение плотности тока под сбегающим краем щетки и выход сбегающей пластины из-под щетки с разрывом цепи тока коммутации — создают условия к возникновению искре­ния на коллекторе под сбегающими краями щеток.

34. Причины, вызывающие искрение на коллекторе. Прямолинейная коммутация. Криволинейная замедленная коммутация.

Источник

Процесс коммутации

Период коммутации

Период коммутации T_к представляет собой время, в течение которого секция замкнута накоротко щеткой и коммутируется.

В случае простой петлевой обмотки секция, изображенная на рисунке 1, а в виде петли, присоединяется к соседним коллекторным пластинам. При этом значение T_к равно времени перемещения коллектора, вращающегося с окружной скоростью v_к, на ширину щетки b_щ:

Рисунок 1. Определение периода коммутации

Обозначим: D_к – диаметр коллектора,

– коэффициент перекрытия (обычно β_к = 2,0 – 4,0, а при сложных петлевых обмотках β_к достигает 7,0). Тогда

(n – число оборотов якоря; K – число пластин коллектора) и для простой петлевой обмотки, согласно выражению (1),

При сложной, m-ходовой петлевой обмотке (рисунок 1, б) между началом и концом секции располагается m – 1 коллекторных пластин. При этом секция замкнута накоротко в течение времени перемещения коллектора на длину дуги b_щ – (m – 1) × b_к, и, следовательно,

Подставив сюда b_щ = β_к × b_к, число ходов обмотки m = a / p (где а – число пар параллельных ветвей обмотки; p – число пар полюсов) и значение v_к из формулы (4), получим

Выражение (6) действительно также для простой петлевой обмотки (a / p = 1) и, кроме того, как можно показать, для простой и сложной волновых обмоток.

Пусть, например, мы имеем машину с простой петлевой обмоткой и n = 1500 об/мин = 25 об/с, K = 100, β_к = 2,5. Тогда по формуле (5) или (6)

Таким образом, процесс коммутации протекает быстро и по отношению к внешней цепи машины является периодическим процессом с частотой порядка 1000 – 3000 Гц.

Уравнения коммутации

Исследуем закономерности коммутации секции для простой петлевой обмотки и примем сначала для простоты, что ширина щетки равна коллекторному делению (рисунок 2).

Рисунок 2. Последовательные моменты коммутации секции

Составим второе уравнение Кирхгофа для коммутируемой секции (рисунок 2):

где i – ток в коммутируемой секции, принимаемый положительным для начального момента коммутации (рисунок 2, а); i₁, i₂ – токи, протекающие через соединительные проводники («петушки») и коллекторные пластины 1 и 2 к щетке; r_с – сопротивление секции; r_п – сопротивление «петушка»; r_щ1, r_щ2 – сопротивление щеточного контакта между пластинами 1 и 2 и щеткой; ∑e – сумма электродвижущих сил, индуктируемых в коммутируемой секции в результате процесса самоиндукции в короткозамкнутой секции и других явлений.

Кроме того, для узловых точек а и б на рисунке 2 можно составить два первых уравнения Кирхгофа:

Процесс коммутации определяется изменением во времени токов i, i₁, i₂. Эти токи могут быть определены из уравнений (7) и (8), если известны все другие величины. Однако в общем случае решение этих уравнений весьма затруднительно. Действительно, i_а, r_с и r_п можно считать постоянными и заданными величинами. Однако r_щ1 и r_щ2 являются весьма сложными математическими трудно определимыми функциями токов i₁, i₂ и времени t. То же можно сказать и о сумме электродвижущих сил ∑e. Поэтому ниже, следуя так называемой классической теории коммутации, находим приближенное решение, которое позволяет выявить основные закономерности процесса коммутации и определить способы ее улучшения.

Подставим i₁ и i₂ из уравнений (8) и (7). Тогда получим

Первый член этого выражения представляет собой так называемый основной ток коммутации секции, а второй член – добавочный ток коммутации. Очевидно, что знаменатели в выражении (9) определяют сопротивление короткозамкнутого контура коммутируемой секции. Добавочный ток коммутации поэтому можно рассматривать как ток короткого замыкания секции, определяемый электродвижущей силой ∑e.

Коммутация сопротивлением, прямолинейная коммутация

Рассмотрим сначала случай, когда ∑e = 0. При этом в секции существует только основной ток коммутации. Изменение тока секции i определяется только изменением r_щ1 и r_щ2, вследствие чего этот случай называется коммутацией сопротивлением.

В классической теории коммутации принимается, что r_щ1 и r_щ2 обратно пропорциональны контактным площадям S₁ и S₂ пластин 1 и 2 со щетками (рисунок 2). При этом предполагается также, что токи i₁ и i₂ распределяются равномерно по этим площадям.

Пусть начало коммутации соответствует времени t = 0 (рисунок 2, а), а конец t = T_к (рисунок 2, в). Тогда при b_щ = b_к

где S – полная контактная площадь коллекторной пластины со щеткой в положении, показанном на рисунке 2, а и в.

Пусть, далее, переходное сопротивление между щеткой и пластиной в предельных положениях в соответствии с рисунком 2, а и в равно r_щ. Тогда при указанных выше предположениях

Подставим теперь значения r_щ1 и r_щ2 из (12) в (10). Тогда найдем, что

Зависимость i от t, согласно выражению (13), является линейной (рисунок 3, а). Такую коммутацию поэтому называют прямолинейной.

Рисунок 3. Прямолинейная (а) и криволинейная (б) коммутация сопротивлением

Установим распределение плотности тока под щеткой для этого случая коммутации. Плотности тока под сбегающим и набегающим краями щетки соответственно равны:

На рисунке 3, а для некоторого момента времени t в соответствии с уравнениями (8) показаны также значения токов i₁ и i₂. При этом из рисунка 3, а следует, что

Очевидно, что при прямолинейной коммутации (рисунок 3, а) α₁ = α₂ = const. Поэтому в течение всего периода коммутации также j_щ1 = j_щ2 = const.

Таким образом, при прямолинейной коммутации плотность тока под всей щеткой на протяжении всего времени коммутации неизменна, как если бы щетки находились на сплошном вращающемся контактном кольце, а не на коллекторе. Такой случай коммутации поэтому является теоретически идеальным.

Можно показать, что и при b_щ > b_к коммутация простой петлевой обмотки является прямолинейной, если только ∑e = 0 и r_с = r_п = 0.

Если r_с ≠ 0 и r_п ≠ 0, то по равенствам (9) и (12) можно установить, что при ∑e = 0 ток i изменяется так, как показано на рисунке 3, б. Следовательно, в общем случае коммутация сопротивлением не является прямолинейной. Однако в обычных условиях отклонение кривой на рисунке 3, б от прямой линии мало, и им можно пренебречь.

Замедленная и ускоренная коммутация

В общем случае, при ∑e ≠ 0, на основной ток коммутации накладывается добавочный ток, определяемый последним членом равенства (9):

или в соответствии с равенствами (12)

Зависимость сопротивления короткозамкнутого контура секции r_к от времени согласно выражению (16) изображена на рисунке 4. Если предположить, что ∑e по абсолютной величине постоянна, то характер зависимости i_к.д от t при ∑e > 0 и ∑e 0 ток i_к.д складывается с основным током коммутации, который можно принять линейным. При этом получается случай так называемой замедленной коммутации (рисунок 5, а), когда изменение тока i в начале коммутации происходит медленно и ускоряется к концу.

Значение тока на сбегающем краю щетки i₁ в этом случае сохраняется большим вплоть до конца коммутации, вследствие чего и плотность тока j_щ1 под этим краем щетки к концу коммутации становится большой. Размыкание контура короткозамкнутой секции сбегающим краем щетки при этом аналогично выключению или разрыву цепи тока с r и L при помощи рубильника.

По изложенным причинам при замедленной коммутации возникают благоприятные условия для искрения под сбегающим краем щетки.

Рисунок 5. Замедленная (а) и ускоренная (б) коммутация

Этому способствует также то обстоятельство, что контакт на краях щетки менее устойчив (из-за наличия зазора между щеткодержателем и щеткой, последняя качается, и края щетки стираются больше и так далее).

Источник