Коммутация в машинах постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

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.

Рис. 1.13

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 BП - индукция поперечного поля. Обе ЭДС вызывают ток коммутации iК, 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 еL и  зависит значение и направление тока iК. Кроме того, по коммутируемой секции протекает часть тока якоря.

Если еL и  направлены навстречу друг другу и равны, то еL +  = 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 еL +  ? 0. В этом случае ток iК 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. На предыдущем листе 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:

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

Ш 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);

Ш 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 еL +  = 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.

Причины искрения щеток. Искрение может вызываться большим количеством причин, которые обычно разбивают на две группы - механические и электромагнитные.

Механические причины следующие: биение коллектора, его эллиптичность, шероховатость рабочей поверхности коллектора, наличие выступающих коллекторных пластин и изоляционных прокладок, вибрация щеткодержателей и т. п. Эти причины приводят к вибрации щеток, в связи с чем возможен кратковременный разрыв контакта между щеткой и коллекторными пластинами и возникновение кратковременной электрической дуги. Особенно трудно обеспечить устойчивую работу щеток при больших окружных скоростях коллектора - примерно 50 м/с и выше, что связано с особыми свойствами щеточного контакта.

Электромагнитные причины приводят к тому, что даже в случае идеального состояния щеточного контакта при выходе коллекторной пластины из-под щетки происходит разрыв электрической цепи, по которой проходит ток, и возникает короткая электрическая дуга, повреждающая сбегающие части щетки и коллекторных пластин. Искрение, вызванное электромагнитными причинами, повреждает поверхность коллектора и приводит к вибрации щеток, т. е. способствует возникновению искрения по механическим причинам. Неустойчивость щеточного контакта, обусловленная механическими причинами, существенно влияет на электромагнитные процессы, происходящие в коммутируемых секциях. Поэтому, как правило, искрение щеток на коллекторе - это результат совместного действия многих причин.

Затраты на ремонт и эксплуатацию коллекторных машин (замену щеток, проточку коллекторов, устранение последствий кругового огня и т. п.) очень велики, и в некоторых машинах за один год составляют около 1/з стоимости машины. Поэтому мероприятия, проводимые по уменьшению интенсивности искрения щеток, могут дать существенный технико-экономический эффект.

Качество коммутации оценивается степенью искрения (классом коммутации) под сбегающим краем щетки, из-под которого выходят пластины коллектора при его вращении. Степени искрения и их характеристики, согласно ГОСТу, приведены в табл. 10.1

Как видно из табл. 10.1, при длительной работе машины допускается слабое искрение под щетками. Однако требования ГОСТа проверяются только при контроле качества коммутации электрических машин, выпускаемых с завода. В эксплуатации может наблюдаться искрение значительно большей интенсивности, поскольку машина работает в форсированных режимах (при перегрузках или повышенной частоте вращения). Повышенное искрение щеток могут вызывать и другие особенности эксплуатации; вибрация и удары машины, работа на высоте более 1000 м над уровнем моря, работа в запыленных помещениях или в агрессивной среде и т. п. Поэтому технические требования, предъявляемые к разработке машин постоянного тока, должны учитывать условия их будущей эксплуатации.

Основное уравнение коммутации. При вращении якоря секции его обмотки переходят из одной параллельной ветви в другую, вследствие чего направление тока в них изменяется (рис. 10.28). Большую часть времени ток секции равен току параллельной ветви ia = Ia/(2a). Изменение направления тока в секции происходит за время Тк, в течение которого соединенные с секцией коллекторные пластины соприкасаются со щеткой. Это время, в течение которого секция оказывается замкнутой накоротко щеткой, называют периодом коммутации, а секции, в которых изменяется ток,- коммутируемыми. Период коммутации

TK = bщ/vK  (10.14)

где Ьщ - ширина щетки; нк - окружная скорость коллектора. В современных машинах Гк = 0,001...0,0001 с, вследствие чего средняя скорость изменения тока в секции (di/dt)cp = =2ia/TK очень велика. Следовательно, в секции может индуцироваться большая ЭДС само- и взаимоиндукции, называемая реактивной ЭДС:

ep=-Lрезdi/dt, (10.15)

Рис. 10.28. Схема распределения тока в параллельных ветвях обмотки якоря (а) и график изменения тока в секции (б)

Рис. 10.29. Схемы распределения тока в коммутируемой секции в различные моменты времени

где Lpe3 - результирующая индуктивность секции, определяющая значение реактивной ЭДС. Название «реактивная» обусловлено тем, что, согласно правилу Ленца, эта ЭДС препятствует изменению тока - замедляет его. Кроме реактивной ЭДС в коммутируемой секции индуцируется также ЭДС вращения ек, создаваемая внешним магнитным полем и называемая коммутирующей:

eK = 2BIavawc,  (10.16)

где Вк - индукция в воздушном зазоре в зонах, где перемещаются коммутируемые секции.

Индукция Вк может создаваться магнитодвижущими силами главных полюсов, реакции якоря и добавочных полюсов, которые устанавливают в машинах постоянного тока для улучшения процесса коммутации.

Установим закон изменения тока в секции в период коммутации, полагая для простоты, что ширина щетки равна ширине коллекторной пластины. Рассмотрим три основных этапа коммутации. В первый момент времени (рис. 10.29, а) ток i в коммутируемой секции, присоединенной к пластинам 7 и 2, равен ia и направлен от пластины 2 к пластине 7. Ток щетки 2ia проходит через пластину 7, т.е. i1 = 2ia и i2 = 0.B промежуточном положении (рис. 10.29, б) одна часть тока щетки 2ia проходит через пластину 7, а другая часть - через пластину 2, причем il-\-i2 = 2ia. К концу периода коммутации (рис. 10.29, в) пластина 7 выходит из-под щетки, и ток, проходящий через нее, становится равным нулю. При этом ток щетки 2ia проходит через пластину 2, т. е. i2 = 2ia и i1 = 0 а ток i в коммутируемой секции изменяет свое направление по сравнению с током в начальный момент коммутации.

Для контура коммутируемой секции, замкнутой щеткой (см. рис. 10.28, б), можно составить уравнение

ер + ек = i1R1 + iRс-i2Л2, (10.17)

где il и i2 - мгновенные значения токов, проходящих через пластины 1 и 2; i-ток в коммутируемой секции; Rx и R2 - сопротивления переходного контакта между щеткой и коллекторными пластинами: сбегающей 1 и набегающей 2; Rc - сопротивление секции.

Поскольку сопротивление секции всегда значительно меньше сопротивлений щеточного контакта, влияние сопротивления на процесс коммутации весьма незначительно и им можно пренебречь. Тогда вместо (10.17) получим

(10.18)

Это уравнение называют основным уравнением коммутации. Оно является нелинейным дифференциальным уравнением с переменными коэффициентами, так как ЭДС ер пропорциональна di/dt, ЭДС ек является функцией индукции Вк; сопротивления R1 и R2 являются функциями времени, а также плотности тока в щеточном контакте и скорости ее изменения, т. е. зависят от тока i и его производной по времени. Аналитическое решение (10.18) можно получить при различных упрощающих предположениях.

Коммутация при ширине щетки, равной ширине коллекторной пластины. В первом приближении можно пренебречь различием в падениях напряжения под набегающим и сбегающим краями щеток и положить i1R1 - i2R2 = 0, так как при удовлетворительной коммутации указанная разность не превышает 0,5 В, в то время как обычно ек > 3...4 В, а в отдельных случаях достигает 8...10 В. При таком допущении основное уравнение коммутации принимает вид

(10.19)

Подставляя в него значение реактивной ЭДС e = -Lpe3di/dt и решая его относительно i, получаем

 (10.20)

Следовательно, значение, величина и характер изменения тока i в коммутируемой секции в основном определяются коммутирующей ЭДС.

Условием безыскровой коммутации является выход сбегающей коллекторной пластины из-под щетки без разрыва тока, для чего необходимо, чтобы i1t = T =0 или it=Tк=- ia. Согласно теореме о среднем из (10.20) имеем

i1=TK = (eк.ср/Lpe3)TK + C. (10.20а)

Постоянную интегрирования С найдем из начальных условий. Так как в  начальный момент коммутации при t = 0 ток it = 0 = ia, то, согласно (10.20), получим C = ia. Положив it=T =-ia, найдем условие безыскровой коммутации:

i,=тк=-ia =ia+(ек.ср/Lрез)Tк, (10.21)

коммутация машина электрический

откуда

ек.ср= -(2ia/TK)Lpe3= -eP.CP. (10.22)

Рис. 10.30. График изменения тока в коммутируемой секции при идеальной прямолинейной коммутации

Размещено на Allbest.ru