Содержание  Главная (библиотека)
Предыдущий § Следущий

§ 2.4. КОММУТАЦИЯ

Уравнение тока коммутируемой секции. Секции обмотки, коллекторные пластины которых соприкасаются со щетками, при вращении якоря переходят из одной параллельной ветви в другую. При этом в секции меняется направление тока. Процессы, связанные с этим явлением, называются коммутацией.

До начала коммутации (рис. 2.22, а) через коллекторную пластину 1 к щетке подходит ток из двух параллельных ветвей: справа и слева. По секции проходит ток I, который равен току параллельной ветви I_а. Когда коллекторная пластина 2 вступает в контакт со щеткой (рис. 2.22, б), начинается коммутация секции, которая

замыкается накоротко щеткой через коллекторные пластины. Ток проходит в щетку по коллекторным пластинам 1 и 2. В течение всего времени коммутации сумма токов, проходящих в щетку по коллекторным пластинам 1 и 2, остается постоянной и равной 2I_а.

Вследствие поворота якоря площадь соприкосновения щетки с пластиной 1 уменьшается. В дальнейшем пластина 1 выходит из-

Рис. 2.22. Ток в коммутируемой секции: а — направление тока в секции до начала коммутации; б — направление тока во время коммутации; в — направление тока после коммутации; г — изменение тока в секции обмотки за время ее прохождения под двумя полюсами

под щетки, в результате чего контакт с ней прекращается (рис. 2.22, б) и коммутация секции заканчивается. В этот момент ток проходит в щетку только по коллекторной пластине 2 и ток I в секции опять равен I_а, как и до начала коммутации, но имеет обратное направление. Таким образом, за время коммутации Т_к направление тока в секции меняется на обратное, а его значение изменяется на 2I_а (рис. 2.22, г).

Для токов коммутируемой секции (рис. 2.22,б) согласно первому закону Кирхгофа можно написать следующие уравнения:

По сравнению с сопротивлением щёточного контакта активное сопротивление провода коммутируемой секции мало, поэтому при анализе им можно пренебречь. Сопротивление щеточного контакта под первой коллекторной пластиной обозначим r₁, под второй — r₂. Согласно второму закону Кирхгофа в соответствии с рис. 2.22, б для короткозамкнутой секции

где ΣЕ — сумма э. д. с, наведенных в коммутируемой секции.

В ΣЕ входят э. д. с. самоиндукции секции и э. д. с. вращения от внешнего поля, имеющего место в коммутационной зоне, в которой расположены проводники короткозамкнутой секции. Если ширина щетки больше ширины коллекторной пластины, то одновременно замыкаются накоротко несколько секций. В этом случае ΣE включает в себя э. д. с. взаимоиндукции, которая имеет место в результате взаимодействия соседних короткозамкнутых секций. Сумма э. д. с. самоиндукции а взаимоиндукции короткозамкнутой коммутируемой секции называется реактивной э. д. с.

Подставляя (2.14) в (2.15), получаем выражение для тока коммутируемой секции

В случае равномерного вращения якоря щетка с постоянной скоростью набегает на коллекторную пластину 2. Поэтому во время коммутации площадь S₂ соприкосновения щетки с пластиной 2 возрастает пропорционально времени t:

где b_щ — ширина щетки;

l_щ — длина щетки в осевом направлении машины. В то же время щетка сбегает с коллекторной пластины 1, при этом в начале коммутации (t = 0) площадь S₁ соприкосновения щетки с пластиной 1 имеет максимальное значение, а затем уменьшается, и при t = Т_к равна нулю. Таким образом,

Сопротивления щеточных контактов обратно пропорциональны площадям их соприкосновения с коллекторными пластинами, следовательно,

Следовательно, плотность тока под набегающим и сбегающим краями щетки пропорциональна тангенсам углов наклона α₂ и α₁. При линейной коммутации α₂ = α₁ (рис. 2.23, а), поэтому плотности тока одинаковы (Δ₂ = Δ₁). В результате коммутация обычно проходит без искрения.

Замедленная коммутация. Если в области, где расположены коммутируемые секции, нет магнитного потока, то э. д. с. вращения равна нулю, и ΣE представляет собой нескомпенсированную реактивную э. д. с. По закону Ленца реактивная э. д. с. создает в короткозамкнутой секции ток I_д, который замедляет процесс. В результате этого коммутация оказывается замедленной, ток I проходит через 0 при t > T_h/2 (рис. 2.23, б).

При замедленной коммутации α₁ > α₂ (рис. 2.23, б), поэтому согласно (2.18) плотность тока Δ₁ > Δ₂. Повышенная плотность тока Δ₁ на сбегающем крае щетки неблагоприятно влияет на коммутацию. Замедление процесса коммутации может вызывать искрение при разрыве цепи секции в момент, когда коллекторная пластина 1 отходит от щетки.

В случае, когда щетки стоят на геометрической нейтрали, коммутируемые секции вращаются в зоне потока поперечной реакции якоря. Если этот поток нескрмпенсирован, то индуктируемая им э. д. с. вращения усиливает ток I_д, и коммутация становится еще более замедленной.

Ускоренная коммутация. Для компенсации реактивной э. д. с. в областях, где расположены стороны коммутируемой секции, создают поток, направленный в противоположную сторону по отношению к потоку реакции якоря. В этом случае э. д. с. вращения направлена встречно реактивной э. д. с. и может ее скомпенсировать. При полной компенсации имеет место линейная коммутация. В случае перекомпенсации, т. е. когда э. д. с. вращения больше реактивной, добавочная составляющая тока I_д ускоряет процесс, и ток секции проходит 0 при t < T_h/2 (рис. 2.23, в). Такая коммутация называется ускоренной.

При ускоренной коммутации α₁ < α₂ (рис. 2.23, в), поэтому согласно (2.18) плотность тока Δ₁ < Δ₂.

При чрезмерной плотности тока Δ₂ на набегающем крае щетки может возникнуть искрение в момент замыкания секции, когда пластина 2 подходит к щетке.

На практике стремятся иметь такое значение потока в зоне расположения секций, чтобы коммутация была линейной или несколько ускоренной.

Причины искрения и способы улучшения коммутации. Процесс коммутации часто сопровождается искрением на коллекторе. Искрение может быть вызвано механическими причинами, которые имеют место из-за вибрации, изменения геометрической формы коллек-

тора (эллиптичности), плохой стяжки пластин, шероховатости его поверхности и из-за выступания слюдяных изолирующих прокладок над пластинами. Искрение также может возникать из-за неправильного подбора сорта щеток, неправильной их расстановки и слишком слабого нажатия на коллектор. Сильное искрение может перейти в круговой огонь на коллекторе, при этом возникает электрическая дуга, охватывающая коллектор частично или полностью по его цилиндрической поверхности.

Причины искрения могут быть также связаны с коммутацией. Для их устранения необходимо уменьшить или скомпенсировать реактивную э. д. с.

Уменьшить реактивную э. д. с. и вызванный ею ток можно следующими способами:

1)  число витков в секции следует брать наименьшим. Однако, это не всегда можно осуществить, так как при малом числе витков в секции увеличивается число последних, что ведет к необходимости иметь слишком много коллекторных пластин, в результате чего диаметр коллектора получается большим;

2)  для того чтобы одновременно коммутировало наименьшее число секций, следует выбирать ширину щетки близкой к ширине одной коллекторной пластины. Однако при этом коллектор используется плохо (слишком удлиняется), поэтому на практике ширину щетки обычно выбирают в 1,5—3 раза больше коллекторной пластины;

3)  следует выбирать низкую скорость вращения, однако это нежелательно, так как тихоходные машины имеют большой вес и габариты;

4)  из уравнения (2.16, а) следует, что для уменьшения добавочного тока I_д, вызванного э. д. с. короткозамкнутой коммутируемой секции, следует выбирать более жесткие щетки, имеющие повышенное сопротивление r₁ и r₂. Однако жесткие щетки ведут к повышению износа коллектора.

Таким образом, каждый из перечисленных способов может быть использован в ограниченной степени, иначе он вызовет нежелательные побочные явления.

Скомпенсировать реактивную э. д. с. можно так:

1) сдвигают щетки за физическую нейтраль в сторону вращения в генераторном режиме и против вращения в двигательном. Коммутируемые секции оказываются в зоне потока, индуктирующего в них э. д. с. вращения, направленную встречно реактивной э. д. с. При правильно подобранном угле сдвига имеет место компенсация реактивной э. д. с. Недостатком этого способа является его непригодность для реверсивных машин и необходимость с изменением нагрузки сдвигать щетки в новое положение. Поэтому в настоящее время этот способ не применяется. В микромашинах щетки всегда устанавливаются неподвижно на геометрической нейтрали;

2)  для создания требуёмого компенсирующего потока в области междуполюсного пространства, в которой располагаются коммутируемые секции, устанавливают дополнительные полюса. Для обеспечения автоматической компенсации реактивной э. д. с. и реакции якоря в зоне коммутации при изменении нагрузки машины поток дополнительных полюсов должен изменяться пропорционально току якоря. Поэтому обмотка дополнительных полюсов соединяется последовательно с обмоткой якоря (рис. 2.24). Установка дополнительных полюсов является основным средством, используемым для улучшения коммутации промышленных машин постоянного тока. Применение дополнительных полюсов в микромашинах весьма ограничено, так как их размещение встречает значительные трудности;

3)  дополнительные полюса компенсируют реакцию якоря только в междуполюсном пространстве, под полюсами реакция якоря остается нескомпенсированной и искажает поле, это приводит к резкой разнице между э. д. с, наведенной в соседних секциях обмотки, и к повышению разности потенциалов между пластинами коммутируемых секций, что может вызвать образование на коллекторе кругового огня. Для предотвращения этого применяют компенсационную обмотку.

Рис. 2.24. Расположение, полярность и соединение дополнительных полюсов.

Рис. 2.25. Размещение компенсационной обмотки в полюсных наконечниках

Компенсационная обмотка К (рис. 2.25) закладывается в пазы полюсных наконечников и соединяется последовательно с обмоткой

якоря. Создаваемая дополнительными полюсами м. д. с. и м. д. с. реакции якоря должны быть равны и направлены встречно.

Выполнение компенсационной обмотки требует большой дополнительной затраты меди, поэтому ее применяют лишь в специальных типах электрических машин и в машинах большой мощности, предназначенных для работы в тяжелых условиях.

В микромашинах обмотка якоря имеет относительно большое сопротивление, что несколько облегчает коммутацию. Кроме того, ввиду ограниченности места, размещение в микромашинах компенсационной обмотки и дополнительных полюсов встречает трудности и поэтому не применяется. Отсутствие компенсационной обмотки и дополнительных полюсов осложняет коммутацию, тем более, что микромашины часто работают при больших скоростях вращения. Для улучшения коммутации микромашин число витков в секции делают наименьшим и выбирают щетки с повышенным сопротивлением. Так как микромашины часто работают в условиях тряски и повышенной вибрации, то для улучшения коммутации увеличивают давление на щетки.

Радиопомехи. Искрение, возникающее при коммутации коллекторных машин, является интенсивным источником радиопомех. При искрении и дугообразовании создается непрерывный спектр высокочастотных колебаний, которые наводят помехи в радиоприемных и телевизионных устройствах.

Источником радиопомех может также явиться пульсация э. д. с., обусловленная действием коллектора. Для анализа кривую пульсации э. д. с. разлагают в гармонический ряд. Порядок гармоник и их амплитуды определяются числом пар полюсов и коллекторных пластин. По мере возрастания порядка гармоники ее амплитуда быстро убывает. Частота f основной гармоники обратно пропорциональна периоду Т_к коммутации, т. е.

где ω — скорость вращения якоря, рад/сек;

К — число коллекторных пластин машины.

Частоты гармоник, вызванных коллекторной пульсацией э. д. с, являются сравнительно небольшими, и обычно искрение под щетками является главным источником помех, которые в радиоприемной аппаратуре вызывают треск и непрерывный шум.

Уровень радиопомех не должен превосходить уровня, установленного стандартом (табл. 2.1).

Для уменьшения радиопомех применяют электрические фильтры, экранирование машины и симметрирование обмоток возбуждения, соединенных последовательно с якорем.

Наиболее простыми фильтрами являются конденсаторы (рис. 2.26, а), соединенные между проводами сети (конденсатор 1) или проводом и корпусом (конденсатор 2). Наиболее эффективными

ТАБЛИЦА 2.1

Нормы предельно допустимых радиопомех электротехнических устройств коммунального и бытового обслуживания

являются проходные конденсаторы 2, в которых один выводной конец присоединяется к корпусу, а другой проходит внутри конденсатора и является токоведущим проводником, соединенным последовательно с обмоткой якоря. Емкость конденсатора обычно составляет 0,1—1 мкф.

Наилучшие результаты дает применение Г-образных (рис. 2,26,б) и в особенности П-образных (рис. 2.27, в) режущих фильтров, которые пропускают постоянную составляющую напряжения и задерживают гармонические составляющие.

Рис. 2.26. Схема защиты от радиопомех: а — емкостной фильтр; б — Г-образный фильтр; в — П-образный фильтр

Рис. 2.27. Симметрирование последовательных обмоток возбуждения

Во время испытания при повышенном напряжении конденсаторы следует отключать, так как их испытательное напряжение обычно ниже, чем испытательное напряжение машины.

Роль поглощающего помехи экрана в электрической машине играет корпус, на который со стороны коллектора надевают защитный колпак. Иногда для улучшения экранирования вентиляционные отверстия в щитах закрывают густой медной или латунной сеткой, а выступающий конец вала замыкают на корпус специальной щеткой. Проводка выполняется экранированным проводом,

в некоторых случаях все проводники помещают в алюминиевую или медную панцирную оплетку. Экран провода или оплетки имеет надежное электрическое соединение с корпусом машины, который должен быть заземлен. Экранирование не защищает от гармоник, вызванных пульсацией э. д. с. якоря.

С целью увеличения внутреннего высокочастотного сопротивления со стороны внешних зажимов применяют симметрирование. Для этого обмотку возбуждения, соединенную последовательно с якорем, делят на две части, которые соединяют симметрично относительно коллектора (рис. 2.27).

ВОПРОСЫ

1.   Что представляет собой процесс коммутации? Из каких элементов состоит контур коммутируемой секции? На какую величину изменяется ток секции за время коммутации?

2.   Какое различие между ускоренной, линейной и замедленной коммутацией? В каком случае имеет место каждый из этих видов коммутации? Как при различных видах коммутации изменяется плотность тока на сбегающем и набегающем краях щетки?

3.   Почему при расположении щеток на геометрической нейтрали поток полюсов не индуктирует э. д. с. вращения в коммутируемой секции, а поток поперечной реакции якоря индуктирует? Как расположен по отношению полюсов виток коммутируемой секции?

4.   Какое назначение имеют дополнительные полюса? Почему обмотку якоря и дополнительные полюса соединяют последовательно? Почему сталь пакета дополнительного полюса должна быть ненасыщенной? Какую величину и направление должна иметь м. д. с. компенсационной обмотки?

5.   Что в электрической машине является источником радиопомех? Какие применяются меры для снижения уровня радиопомех?

Содержание  Главная (библиотека)
Предыдущий § Следущий