Тема 1.7. Коммутация обмотки якоря машин постоянного тока

Ранее было показано, что при вращении ротора машины коллекторные пластины поочередно вступают в соприкосновение со щетками, а секции обмотки якоря поочередно переходят из одной параллельной ветви в другую, предварительно замыкаясь накоротко щетками. При этом ток в секциях обмотки якоря изменяет свое направление. Процесс изменения тока в секциях обмотки якоря при переходе секции из одной параллельной ветви в другую называют коммутацией тока обмотки якоря.

На рис. 1.16 представлен график изменения тока в секции при переходе ее из одной параллельной ветви в другую. Время, в течение которого секция остается короткозамкнутой, а ток в секции изменяется от + ia до - ia, называется периодом коммутации Тк. Практически период коммутации длится сотые или тысячные доли секунды. Для случая, когда ширина щетки равна ширине коллекторной пластины, период коммутации равен времени прохождения щеткой одной коллекторной пластины.

Рис. 1.16. График изменения тока секции обмотки якоря.

Т – время передвижения секции между щетками различной полярности.

Предположим, что машина работает в генераторном режиме, якорь машины имеет простую петлевую обмотку с одновитковыми секциями. Пусть в некоторый момент времени одна из положительных щеток машины соединена с коллекторной пластиной 1 (рис. 1.17, а). При этом согласно условиям построения обмотки все секции, расположенные слева от щетки, будут обтекаться током одной параллельной ветви, а все секции, расположенные справа от щетки, —током другой параллельной ветви. В месте подключения этих ветвей к коллекторной пластине 1 и щетке токи складывают и поступают к потребителю. Если ток в каждой параллельной цепи равен ia, то ток, проходящий через щетку,

i₁ = ia + ia = 2ia.

Распределение токов по ветвям обмотки в момент соединения с коллекторной пластиной 2 показано на рис. 1.17, б.

Сравнивая рис. 1.17, а и 1.17, б, заметим, что за время перехода щетки с пластины 1 на пластину 2 ток в секции, присоединенной к ним, изменил направление. Если в момент, приведенный на рис. 1.17, а, этот ток положителен и равен + ia, то в момент, соответствующий рис. 1.17, б, он имеет противоположное направление и равен - ia Ток, проходящий через щетку,

i₂ = ia + ia = 2ia.

Рис. 1.17. Положение щетки пластин коллектора и направление токов в секциях обмотки:

а–в начале коммутации; б–в конце коммутации; в–в процессе коммутации.НК–набегающий слой щетки; СК–сбегающий слой щетки.

В момент, когда щетка займет промежуточное по сравнению с рис. 1.17, а, б положение, секция, присоединенная к пластинам 1,2, будет накоротко замкнута щеткой, как указано на рис. 1.17, в. Представим себе момент, когда щетка своим набегающим краем только что соединилась с коллекторной пластиной 2. При этом ток 2ia проходящий через щетку, равен сумме токов i₁и i₂:

2ia = i₁+ i₂

Очевидно, что

i₁ > i₂; i₂ = ia-i; i₁= ia+i

где i — ток в короткозамкнутой секции.

Представленный на рис. 1.17, в короткозамкнутый контур состоит из секции, двух коллекторных пластин и щетки. Будем полагать, что ЭДС, действующая в контуре, равна нулю, а сопротивления секции, пластин и щетки настолько меньше сопротивления щеточного контакта (между щеткой и коллектором), что ими можно пренебречь. Тогда, применив второй закон Кирхгофа к короткозамкнутому контуру, составим уравнение

i₁r₁ – i₂r₂= 0

где r₁ — сопротивление щеточного контакта на площади соприкосновения щетки S_l которая пропорциональна размеру б₁; r₂ — то же на площади S₂, которая пропорциональна размеру б₂.

Отсюда

i₁r₁= i₂r₂; i₁/ i₂= r₂/ r₁

Поскольку

Если время коммутации Т_к, а расстояние, соответствующее размеру b₂, щетка проходит за время t от начала процесса коммутации, то расстояние b₁: щетка пройдет за время Т_к – t (т. е. b₂ ≡ t; , b₁≡ Т_к – t)

Тогда

Решая данное уравнение получим

Ток в короткозамкнутой секции равен

На основании этих формул можно построить график изменения токов i₁ и i₂ в зависимости от времени (рис. 1.18).

Из графика видно, что ток i в короткозамкнутой секции, а также токи i₁ и i₂под сбегающим и набегающим краями (площадями) щетки изменяются во времени по закону прямой линии. Поэтому данный процесс коммутации называют прямолинейной коммутацией.

Прямолинейная коммутация соответствует так называемой безыскровой коммутации. В этом случае по мере передвижения щетки от коллекторной пластины 1 к пластине 2 (см. рис. 1.17.6) ток i₁ уменьшается, а ток i₂ увеличивается пропорционально возрастанию площади соприкосновения щетки с пластиной 2 и уменьшению площади соприкосновения с пластиной 1, т. е. плотность тока щетки сохраняется постоянной.

В момент набегания щетки на коллекторную пластину 2 ток под набегающим краем щетки равен нулю, точно так же в момент сбегания щетки с пластины 1 ток под сбегающим краем щетки равен нулю. Следовательно, как включение электрической цепи (набегание на пластину), так и выключение ее (сбегание с пластины) при помощи щетки осуществляется без тока, а значит, и без искрообразования.

Однако на практике прямолинейной коммутации достичь не удается. Она получается обычно замедленной или ускоренной.

Замедленной называется такая коммутация, при которой ток в короткозамкнутой секции становится равным нулю за время t > T_K/2.

Ускоренной называется такая коммутация, при которой ток в короткозамкнутой секции становится равным нулю за время t < Тк/2 (рис. 1.19). Это объясняется тем, что в короткозамкнутой секции индуцируется ряд ЭДС, в число которых входят: ЭДС самоиндукции e_L, ЭДС взаимоиндукции (если одновременно коммутируют несколько секций, расположенных в общих пазах) е_м, ЭДС вращения е_в и др.

В практике стараются достичь если не прямолинейной, то несколько ускоренной индукции.

Электромагнитные процессы, которые происходят при коммутации тока в секциях обмотки якоря, практически всегда являются причиной некоторого искрения щеток. Кроме того, искрение щеток машины может быть вызвано причинами механического и потенциального характера.

Причины механического характера связаны с состоянием коллектора и щеточного аппарата. Неправильная форма коллектора, выступающая изоляция между коллекторными пластинами, неправильное положение щеткодержателя, недостаточное нажатие щеток и т. п. вызывают вибрацию щеток и искрение.

Причины потенциального характера обусловлены искажением и увеличением магнитной индукции результирующего магнитного поля в воздушном зазоре машины под действием поперечной реакции якоря. Как следствие этого, увеличивается напряжение между коллекторными пластинами и может возникнуть явление пробоя. Причины искрения щеток механического характера устраняют соответствующим ремонтом, а причины потенциального характера — применением компенсационных обмоток.

С целью уменьшения искрения щеток, связанных с электромагнитным процессом коммутации, и обеспечения ускоренной коммутации судовые машины постоянного тока снабжают дополнительными полюсами (иногда эти полюса называют коммутационными). Число дополнительных полюсов в машине обычно равно числу главных полюсов (рис. 1.20). Они размещаются между главными полюсами так, что их осевые линии совпадают с нейтральной линией и осями щеток. Дополнительные полюса предназначены для создания магнитного поля в зоне коммутации. Магнитное поле компенсирует поле поперечной реакции якоря в этой зоне и индуцирует в коммутирующих секциях ЭДС вращения, направленную встречно ЭДС самоиндукции, в результате чего получается прямолинейная или несколько ускоренная коммутация. Кривая РП, представленная на рис. 1.20, при этом видоизменяется по сравнению с аналогичной кривой рис. 1.12.

Обмотка дополнительных полюсов включается последовательно с обмоткой якоря (и компенсационной обмоткой, если она имеется). Этим обеспечивается автоматичность действия дополнительных полюсов по компенсации поля реакции якоря в зоне коммутации в зависимости от изменения нагрузки (тока) машины.

Для улучшения коммутации в машинах малой мощности вместо установки дополнительных полюсов иногда прибегают к сдвигу щеток с геометрической нейтрали в сторону физической нейтрали (для генератора — по направлению вращения), устанавливая их несколько дальше физической нейтрали. Тогда щетки оказываются расположенными в зоне, где внешнее поле машины индуцирует ЭДС, направленную встречно ЭДС самоиндукции (см. рис. 1.13), и коммутация становится ускоренной. Однако удовлетворительная компенсация ЭДС самоиндукции в данном случае достигается только при определенной нагрузке. Кроме того, при сдвиге щеток с геометрической нейтрали возникает продольная размагничивающая реакция якоря, которая в сильной степени уменьшает основное поле машины и ЭДС, наведенную в обмотке якоря, что снижает полезную мощность машины.

Рис 1.20. Расположение и полярность главных и дополнительных полюсов.

Отрицательным внешним проявлением процесса коммутации является не только искрообразование, но и создание электромагнитных колебаний повышенных частот, которые создают помехи радиоприему.

Чтобы снизить уровень этих помех до заданных пределов, зажимы обмоток шунтируют конденсаторами.

Дата добавления: 2014-04-17; просмотров: 482; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!