Какие причины вызывающие искрение возникают при замедленной коммутации

(dΣ i к /dt) п2 = Av а /w c — (dΣ i к /dt) п1 ,

Наибольшая скорость изменения тока в секциях одного паза происходит во время Т‘ п (рис. 8.35, а), когда коммутируют секции только одного паза.

Рис. 8.35. График изменения тока паза (а) и распределение тока между отдельными секциями паза (б) в процессе коммутации: 1—4 — токи в сторонах секций верхнего слоя паза; 5—8 — то же, нижнего слоя паза

Когда начинается процесс коммутации в секциях последующего третьего паза, скорость изменения тока снова замедляется. Токи между пазами, в которых находятся коммутируемые секции, распределяются соответственно коммутирующим ЭДС и количеству секций, находящихся в режиме коммутации. Распределение токов между короткозамкнутыми секциями одного паза определяется в основном их активными сопротивлениями, включая сопротивление щеточного контакта. Оно носит в значительной мере случайный характер (рис. 8.35, б), что объясняется нестабильностью щеточного контакта.

В рассматриваемом случае остаточный ток, возникающий при нарушениях коммутации,

Способы улучшения коммутации. Основным средством улучшения коммутации в современных машинах является применение добавочных полюсов, с помощью которых в коммутационной зоне создается магнитное поле, индуцирующее коммутирующую ЭДС е к.ср требуемой величины. Только в машинах малой мощности (менее 300 Вт) удается обойтись без добавочных полюсов.

Добавочные полюсы устанавливают между главными полюсами (рис. 8.36, а). Они создают в зоне коммутации магнитное поле с такой индукцией В к , чтобы при вращении якоря в коммутируемых секциях индуцировалась ЭДС е к.ср = — е р.ср . Обмотку добавочных полюсов включают последовательно в цепь якоря, а магнитную систему выполняют ненасыщенной.

Рис. 8.36. Схема расположения главных и добавочных полюсов (а) и кривая магнитного поля в машине (б) с добавочными полюсами: 1 — добавочные полюсы; 2 — обмотка добавочных полюсов; 3 — обмотка возбуждения; 4 — главные полюсы

Поэтому коммутирующая ЭДС е к.ср оказывается пропорциональной току якоря и его линейной скорости v a , которая, в свою очередь, пропорциональна частоте вращения:

Следовательно, ЭДС е к.ср изменяется по тому же закону, что и реактивная ЭДС:

е р.ср = (2i a /T к ) L рез = c 2 I a v a .

Поэтому, если осуществить взаимную компенсацию ЭДС е р.ср + е к.ср = 0 для какогото одного режима работы, то их компенсация автоматически обеспечивается и при других режимах. Полярность добавочных полюсов зависит от направления вращения и режима работы машины. В генераторном режиме полярность добавочного полюса должна быть такой же, как у следующего за ним по направлению вращения главного полюса; в двигательном режиме — как у предшествующего ему по направлению вращения главного полюса. На рис. 8.36,б показано результирующее магнитное поле в воздушном зазоре машины с добавочными полюсами.

Сердечники добавочных полюсов изготовляют обычно массивными из стальной поковки, хотя иногда применяют и шихтованные из листов электротехнической стали. Шихтованные сердечники используют в тех случаях, когда ток якоря содержит переменные составляющие (двигатели пульсирующего тока и т. п.) и требуется, чтобы ЭДС е к тоже содержала переменные составляющие, пропорциональные току якоря.

Значение индукции В к под добавочным полюсом обычно мало, так как мало и среднее значение коммутирующей ЭДС е к.ср = 3 ÷ 10 В. Однако МДС обмотки добавочных полюсов должна быть очень большой, так как она направлена против поперечной составляющей F aq = τА МДС реакции якоря. Поэтому обмотка каждого полюса должна иметь МДС

F доб = В к k δдоб δ доб /μ 0 + 0,5τА,

При расчете МДС добавочных полюсов обычно не учитывается возможность получения несколько ускоренной коммутации, так как требуемое ускорение достигается путем регулировки воздушного зазора при наладке машины.

Из-за значительной МДС F доб поток рассеяния добавочного полюса очень велик и превышает в 2 — 4 раза полезный поток, замыкающийся через якорь. Для уменьшения потока рассеяния, который может вызвать насыщение сердечника добавочного полюса, в крупных машинах кроме основного воздушного зазора δ доб1 делают второй зазор δ доб2 (рис. 8.37, а), устанавливая диамагнитные прокладки между сердечником полюса и ярмом. В этом случае

F доб = (В к1 k δдоб1 δ доб1 + В к2 δ доб2 )/μ 0 + 0,5τА,

При наличии компенсационной обмотки требуемая МДС добавочного полюса резко уменьшается, так как МДС компенсационной обмотки F к.о действует против МДС F aq реакции якоря:

F доб = (В к1 k δдоб1 + В к2 δ доб2 )/μ 0 + 0,5(τА — F к.о ).

Уменьшение требуемой МДС F доб позволяет сосредоточить витки обмотки добавочного полюса у якоря (рис. 8.37, б), что способствует снижению потоков рассеяния. Ширину наконечника добавочного полюса в малых машинах выбирают равной ширине зоны коммутации: b доб ≈ b з.к В крупных машинах с напряженной коммутацией ширину наконечника добавочного полюса выбирают относительно узкой: b доб = (0,3 ÷ 0,6)b з.к. При такой ширине добавочного полюса распределение индукции в зоне коммутации имеет вид, показанный на рис. 8.37, в, вследствие чего коммутирующая ЭДС в начале зоны коммутации и в конце значительно ниже среднего значения.

Рис. 8.37. Размещение катушек на добавочных полюсах (а, б) и распределение индукции В кв зоне коммутации (в): 1 — обмотка добавочных полюсов; 2 — добавочный полюс; 3 — диамагнитная прокладка; 4 — корпус (станина)

Рис.8.38. Сдвиг щеток с геометрической нейтрали (а) и кривая магнитного поля в машине без добавочных полюсов (б)

Это приводит к тому, что первая секция паза вступает в коммутацию, а последняя секция выходит из него со «ступенью малого. тока» (см. рис. 8.35, а), что благоприятно влияет на коммутацию, так как предотвращает разрыв тока при случайном нарушении контакта между пластиной и сбегающим краем щетки. Узкие добавочные полюсы требуют повышенной точности сборки машины и установки щеток, поэтому в машинах малой и средней мощности их не применяют.

В некоторых машинах небольшой мощности создание коммутирующей ЭДС осуществляют за счет сдвига щеток с геометрической нейтрали 0 — 0 на некоторый угол α за физи-ческую нейтраль 0′ — 0′ (рис. 8.38, а, б) так, чтобы коммутируемые секции оказались в зоне действия магнитного поля с индукцией — В рез требуемой величины и направления. В этом случае достигают безыскровой работы машины только для одного направления вращения и при одной определенной нагрузке. Изменять сдвиг щеток в зависимости от направления вращения и режима работы машины практически очень сложно.

Необходимость обеспечения удовлетворительной коммутации накладывает определенные ограничения на габаритные размеры и конструкцию машин постоянного тока. Практика электромашиностроения показывает, что можно достичь безыскровой коммутации лишь тогда, когда реактивная ЭДС в номинальном режиме не превышает некоторого предельного значения. Поэтому в крупных машинах и машинах, работающих при высоких частотах вращения, применяют одновитковые секции и делают неглубокие пазы (не более 4—6 см в наиболее мощных машинах) для уменьшения индуктивности секции. В ряде случаев для уменьшения реактивной ЭДС приходится ограничивать активную длину якоря и его окружную скорость. Все эти меры приводят либо к снижению мощности машины при заданных габаритах, либо к увеличению ее размеров и массы (при заданной мощности). Поэтому машины постоянного тока имеют меньшую мощность, чем машины переменного тока тех же габаритов; при мощности 100 — 1000 кВт это уменьшение составляет 20—25%. Попытки увеличить мощность, допустив увеличение степени искрения на коллекторе, приводят к резкому возрастанию эксплуатационных расходов. Условия коммутации ограничивают также предельную мощность, на которую можно построить машину постоянного тока (при заданной частоте вращения).

Чтобы уменьшить влияние технологических отклонений и вибраций щеток на качество коммутации, применяют обмотки с укороченным шагом и ступенчатые обмотки. В этих обмотках последняя секция паза одного слоя, заканчивая коммутацию, оказывается магнитно связанной с секцией другого слоя, кото­рая остается замкнутой щеткой. Вследствие этого под щеткой выделяется только часть электромагнитной энергии остаточного тока

W’ и = 0,5i 2 ост L р (1 — M с 2 /L с 2 ),

Поскольку технологические отклонения равновероятны в ту и другую стороны, недокомпенсация реактивной ЭДС е р.ср сменяется перекомпенсацией и поэтому накопления энергии W и не происходит. Коэффициент связи k св = M с /L с у секций с укороченным шагом достигает значения k св = 0,4 ÷ 0,6 (с учетом взаимной связи лобовых соединений), благодаря чему существенно уменьшается искрение под щетками. Однако при длительных нарушениях коммутации, когда погрешность Δ = [|е р.ср | — |е к.ср |]/|е р.ср | имеет один знак для трех — пяти пазов, последовательно заканчивающих коммутацию, взаимоиндуктивность указанных секций не имеет значения, так как коммутация секций одного паза не может улучшаться за счет коммутаций секций другого паза (если секции всех пазов коммутируют в одинаковых условиях). Преимуществом ступенчатых обмоток является также и то обстоятельство, что при их использовании происходит более равномерный износ коллектора, так как в пазу имеются две самостоятельные секции, а следовательно, и электромагнитная энергия, выделяющаяся при разрыве остаточного тока паза, распределяется на две коллекторные пластины (соответственно уменьшается их износ). Недостатком ступенчатых обмоток является сложность обеспечения «темной» коммутации, так как условия коммутации двух самостоятельных секций требуют в общем случае различного значения коммутирующей ЭДС. Таким образом, ступенчатые обмотки можно рекомендовать только при очень сложных условиях эксплуатации, характеризующихся работой с частыми нарушениями ком­мутации (толчкообразная нагрузка и т. п.).

Заметное улучшение коммутации происходит также из-за возникновения в проводниках обмотки якоря вихревых и контурных (в сложных обмотках) токов. Часть нескомпенсированной энергии коммутируемых секций выделяется в виде теплоты, создаваемой вихревыми токами, что должно быть учтено при расчете, путем уменьшения результирующей индуктивности секции.

Уменьшению искрения способствует увеличение длины коллектора, однако это ведет к увеличению габаритов и длины машины. Плотность тока под щетками не имеет существенного значения, однако не следует выбирать ее чрезмерной, так как при перегрузках возможен перегрев отдельных коллекторных пластин. Особенно опасно это явление для двигателей постоянного тока, работающих в условиях затяжных пусков (например, для тяговых двигателей электровозов, экскаваторов и т. п.). Во избежание перегрева отдельных пластин и возникновения деформации коллектора плотность тока под щетками при длительных перегрузках таких машин не должна превышать 20 А/см 2 .

На характер коммутации оказывает также влияние дифференциальный поток рассеяния, проходящий по коронкам зубцов, и поток главных полюсов. Дифференциальный поток рассеяния по коронкам зубцов Фz (рис. 8.39) замыкается через сердечник добавочного полюса. При вращении якоря изменяется положение середины паза с коммутируемыми секциями относительно сердечника (см. положения паза, показанные на рис. 8.39, а, б),

Рис. 8.39. Изменение дифференциального потока рассеяния, проходящего по коронкам зубов, при перемещении паза с коммутируемыми секциями: 1 — сердечник добавочного полюса; 2 — паз

что приводит к изменению потока Ф z и периодическому изменению индуктивности секции L c . Реактивная ЭДС при этом определяется выражением е р = — L c di/dt + idL c /dt и может существенно отличаться от средней ЭДС е р.ср . В результате возникает искрение под щетками. Для уменьшения дифференциального потока рассеяния целесообразно увеличивать зазор под добавочным полюсом. В машинах большой мощности этот зазор обычно делают равным 8—15 мм, соответственно увеличивая число витков обмотки добавочных полюсов. Иногда, для того чтобы уменьшить скорость изменения потока Ф z , на наконечники дополнительных полюсов устанавливают короткозамкнутые витки. Такой виток выполняют из меди или бронзы в виде фланца; он одновременно служит конструктивной деталью, крепящей катушку добавочного полюса. Однако, улучшая коммутацию в стационарных режимах, короткозамкнутые витки будут ухудшать коммутацию при резких изменениях тока якоря.

Влияние главных полюсов на процесс коммутации заключается в том, что поток Ф в , созданный обмоткой возбуждения, частично попадает в зону коммутации. При симметричной магнитной системе и чередующейся полярности главных полюсов, как это наблюдается обычно, результирующий поток в зоне коммутации не изменяется, т. е. сохраняется условие е р.ср + е к.ср = 0. Однако поле в зоне коммутации деформируется, усиливаясь, с одной стороны, и уменьшаясь, с другой. На рис. 8.40 показано распределение индукции В к в зоне коммутации: на рис. 8.40, а — созданной МДС F в главных полюсов; на рис. 8.40, б — результирующего магнитного поля, возникающего при совместном действии МДС F доб добавочных полюсов (оно показано на рис. 8.37, в) и МДС F в . Нарушение симметрии магнитного поля в зоне коммутации приводит к неблагоприятному характеру коммутации; при этом токосъем переносится на край щетки*.

* В генераторном и двигательном режимах чередование полярности главных и добавочных полюсов различно, чем и объясняется наблюдающаяся иногда разница в искрении щеток машины при генераторном и двигательном режимах.

Рис. 8.40. Распределение индукции В к в зоне коммутации

Еще большие расстройства коммутации могут возникнуть из-за нарушения магнитной симметрии машины, например, в результате технологических отклонений при установке щеткодержателей, главных или добавочных полюсов, когда изменяется поле в зоне коммутации. Чтобы уменьшить влияние поля главных полюсов на процесс коммутации, снижают значение полюсного перекрытия α = b i /τ так, чтобы соблюдалось условие (1 — α) τ ≥ 2,5b з.к . В машинах малой мощности, кроме того, увеличивают ширину наконечника добавочного полюса, который «экранирует» зону коммутации от потока главного полюса. В машинах с компенсационной обмоткой МДС главных полюсов меньше, а следовательно, влияние поля главных полюсов на процесс коммутации меньше. Это позволяет несколько увеличивать полюсную дугу, т. е. коэффициент полюсного перекрытия α i .

Особенно велико влияние поля главных полюсов на коммутацию в машинах с несимметричной магнитной системой и в машинах с расщепленными полюсами. При этом изменение потока возбуждения приводит к изменению результирующего потока в коммутационной зоне, а следовательно, и к изменению среднего значения коммутирующей ЭДС. Это обстоятельство затрудняет создание мощных машин с расщепленными полюсами (электромашинных усилителей и регулируемых одноякорных преобразователей).

Важную роль в процессе коммутации играют щетки, которые по своей физической природе являются нелинейными сопротивлениями. При быстром увеличении плотности тока под сбегающим краем щетки сопротивление щетки резко возрастает, что ведет к уменьшению остаточного тока или полному его устранению даже в том случае, когда коммутация является неидеальной. В электрических машинах большой и средней мощности применяют электрографитированные щетки с большим падением напряжения в скользящем контакте (2,4 — 3,5 В на пару щеток). Такие щетки получают в электропечах путем нагревания заготовок из угля и кокса до температуры 2000— 2500 °С, при этом они принимают структуру графита. На рис. 8.41 показаны типичные зависимости падения напряжения 2Δu щ в контакте «коллектор — щетка» от средней плотности тока Δ щ для электрографитированных (кривая 1)и угольно-графитных; (кривая 2) щеток, снятые при, медленном изменении тока.

Рис. 8.41. Вольт-амперные характеристики щеточного контакта

Соответствующим выбором марки щетки часто удается улучшить коммутацию машины. Основные правила, которыми руководствуются при выборе щеток, следующие:

1) для быстроходных машин постоянного тока применяют мягкие щетки со средним значением падения напряжения под ними (1,5-2,0 В);

2) для машин постоянного тока с затрудненной коммутацией используют твердые щетки с повышенным падением напряжения под ними (2,4 — 3,5 В);

3) для контактных колец применяют металлографитные щетки с малым падением напряжения (0,1—0,5 В). Технические данные наиболее часто используемых марок щеток и области их применения приведены в табл. 8.2. Подбор щеток обычно производится экспериментально.

При работе электрических машин в условиях повышенной вибрации и больших угловых частотах вращения коллектора (свыше 1500 об/мин) давление на щетку может быть повышено до 50 кПа. Плотность тока щетки должна выбираться в зависимости от частоты вращения коллектора и условий коммутации каждого конкретного типа электрической машины. Коэффициент трения щеток о коллектор принимается равным 0,25 для всех марок щеток.

Оценка коммутационной напряженности машины. Качество коммутации проверяется визуально или с помощью специальных приборов (индикаторов искрения) во время контрольных стендовых испытаний. Однако часто, чтобы составить прогноз работы машины в эксплуатации, необходимо оценить напряженность коммутации теоретически. Такая необходимость возникает как при проектировании машины, так и при выборе типа машины для определенного технологического процесса, характеризующегося величиной и частотой перегрузок, вибрациями машины, частотой пусков, реверсов и т. п.

Наиболее распространенным критерием напряженности коммутации является среднее значение реактивной ЭДС, так как искрение возникает из-за неполной ее компенсации. Однако вполне определенного допускаемого значения реактивной ЭДС установить не удается, и различные заводы и фирмы придерживаются своих норм, ограничивая значение этой ЭДС 3—10 В. Так, например, по рекомендациям завода «Электросила» в машинах большой мощности с петлевой и лягушачьей обмотками реактивная ЭДС при номинальной нагрузке не должна превышать 7—10 В (меньшие значения относятся к быстроходным машинам с п ≥ 3000 об/мин). При волновых обмотках, которые применяют в машинах с током до 400 А и в тихоходных машинах с большим числом полюсов, реактивная ЭДС не должна превышать 5 В. В машинах средней мощности с диаметром якоря до 30 см, в которых обычно применяют волновые обмотки с несколькими витками в секциях, значение е р.ср должно быть не более 2,5 — 3 В.

Другой критерий основан на определении электромагнитной энергии или мощности, выделяющейся под краем щетки при искрении в процессе коммутации. Электромагнитная энергия, выделяющаяся в возникающей дуге при разрыве остаточного тока i ост = 2i п Δ = 2u п i а Δ, составляет W и =0,5i 2 ост L с = 0,5(2u п i а Δ) 2 L с =2u п 2 i а 2 Δ 2 L с .

Соответствующая мощность, выделяющаяся под краем щетки при искрении и постоянно действующем расстройстве коммутации, P и = mW и где т — число разрывов остаточного тока в секунду.

Так как искрение возникает при коммутации тока в каждой последней секции паза, то каждый разрыв остаточного тока соответствует перемещению коллектора на u п коллекторных делений. Следовательно,

m = v к /(u п b к ) = Kv а /(u п πD а ).

При этом мощность

Величина Av a L c /w c = e р.п представляет собой реактивную ЭДС е р , вычисленную в предположении, что щетка перекрывает одну коллекторную пластину (по формуле 8.33а), поэтому P и = u п i a Δ2e р.п = i п Δ2 eр.п где i п = u п i a — полный ток во всех секциях, лежащих в каждом слое паза. Таким образом, при заданных технологий и условиях эксплуатации мощность, выделяющаяся под щеткой при искрении, зависит от полного тока паза 2i п и реактивной ЭДС, вычисленной в предположении, что b щ = t к . Для более полной оценки напряженности коммутации по величине мощности, выделяющейся под щеткой при искрении, необходимо учитывать коммутационные свойства щеток. При расстройстве коммутации и применении электрографитированных, графитных и угольно-графитных щеток искрение возникает равномерно по всей длине коллекторных пластин (при искрении коллекторные пластины обычно имеют по всей длине равномерный подгар с одного края), в результате чего происходит равномерная эрозия щеток и коллекторных пластин. Износ щетки зависит от удельной мощности, выделяющейся на единице длины края щетки:

При этом k щ = i п l р.п /l щ является показателем коммутационной напряженности машины. Обычно коммутация машины не вызывает затруднений, если k щ щ должно уточняться для каждого типа машины, исходя из особенностей технологии изготовления и условий эксплуатации. При этом должно учитываться демпфирующее действие вихревых токов в проводниках якоря, особенно заметное в машинах большой мощности. Проведенные исследования показывают, что если удельная мощность р и.уд , выделяющаяся под краем щетки, менее 1 Вт/см, то современные электрографитированные щетки уменьшают остаточный ток настолько, что искрение совершенно не наблюдается, т. е. для безыскровой коммутации необходимо, чтобы Δ 2 k щ ≤ 1 Вт/см. Из этого условия можно определить ориентировочное значение допустимой степени некомпенсации Δ пр ≈ ±1/√ k щ , или в %

Режимы, при которых Δ пр ≤ 1 ÷ 2 %, неизбежно сопровождаются искрением под щетками. Интенсивность износа коллекторных пластин должна определяться значением k к = (k щ /z)2р, так как искрение, повреждающее данную пластину, возникает при выходе пластины из-под каждого щеткодержателя, число которых обычно равно числу полюсов 2р, а число искрящих пластин равно числу пазов z. Рекомендуется, чтобы предельно допустимое значение k к не превышало 20—30 Вт/см (при этом не происходит чрезмерного износа коллектора).

Экспериментальная проверка коммутации и настройка добавочных полюсов. Машины постоянного тока при выпуске с завода проходят контрольные испытания, в которые входит и проверка качества коммутации (обычно визуальная). Головные образцы машин проходят более основательную проверку. коммутации, в процессе которой путем изменения воздушных зазоров в магнитной цепи добавочных полюсов устанавливают оптимальную величину коммутирующей ЭДС.

Рис. 8.42. Схема экспериментальной установки для определения зоны безыскровой работы (а) и примерный вид этой зоны (б, в): Я1 — якорь исследуемой машины: ОВ1 — ее обмотка возбуждения; ДП — ее обмотка добавочных полюсов; Я2 — якорь вспомогательного генератора; ОВ2 — его обмотка возбуждения

Основным методом проверки и наладки коммутации является экспериментальное определение зоны безыскровой работы (путем подпитки обмотки добавочных полюсов). Для этого в обмотку добавочных полюсов от специального генератора (рис. 8.42, а) подают дополнительный ток ΔI (ток подпитки), вследствие чего изменяется ее МДС F доб . При этом изменяются индукция В к в зоне коммутации и коммутирующая ЭДС е к.ср . При проведении опыта, постепенно увеличивая МДС добавочных полюсов, добиваются появления искрения под щетками и фиксируют ток подпитки +ΔI. Затем изменяют направление тока подпитки и повторяют опыт, добиваясь снова появления искрения под щетками при токе — ΔI. Этот опыт проводят при постоянной частоте вращения и и различных значениях тока якоря. По полученным данным строят зону безыскровой работы машины (см. заштрихованную зону на рис. 8.42,б). Обычно при построении зоны безыскровой работы значение тока подпитки ΔI выражают в процентах от номинального тока якоря. Ширина зоны безыскровой работы характеризует устойчивость коммутации машины при случайных отклонениях условий коммутации от оптимальных, что всегда имеется в эксплуатации. При номинальном режиме предельная допустимая неточность компенсации реактивной ЭДС примерно равна половине ширины зоны безыскровой работы.

Обычно добавочные полюсы настраивают так, чтобы середина зоны безыскровой работы соответствовала току подпитки, равному нулю. Этому режиму соответствует слегка ускоренная коммутация. Исключение составляют машины, работающие в широком диапазоне изменения частоты вращения. В этом случае также нужно настраивать добавочные полюсы по средней линии зоны безыскровой работы, но зону снимать при частоте вращения машины, близкой к максимальной (рис. 8.42, б). При такой настройке добавочных полюсов в области малых частот вращения машина недокоммутирована, т. е. поле в зоне коммутации слишком слабое (средняя линия аb зоны безыскровой работы на рис. 8.42, в лежит в области положительных значений тока подпитки ΔI).

Это объясняется тем, что при снижении частоты вращения уменьшается абсолютное значение реактивной ЭДС и увеличивается роль падения напряжения в переходном контакте между щеткой и коллектором, которое не зависит от частоты вращения. В результате резко расширяется область допустимой перекоммутации, т. е. можно было бы увеличить МДС добавочных полюсов. Несоответствие МДС добавочных полюсов оптимальному расположению зон безыскровой работы при малых частотах вращения не имеет практического значения, так как в рассматриваемых режимах машина менее нагружена в коммутационном отношении и имеет более устойчивую коммутацию, чем при большой частоте вращения*.

* Это не относится к электродвигателям с последовательным возбуждением, в которых коммутационная напряженность машины определяется условиями эксплуатации и при малых частотах вращения может быть большей из-за увеличения тока якоря.

§30. Коммутация

Под коммутацией в широком смысле слова понимают все явления и процессы, возникающие под щетками при работе коллекторных электрических машин. Если щетки искрят, то говорят, что машина имеет плохую коммутацию; если искрение отсутствует, то коммутацию называют хорошей. Качество коммутации в значительной степени определяет работоспособность машины и ее надежность в эксплуатации.

Причины искрения щеток. Искрение может вызываться большим количеством причин; обычно их разбивают на две группы: механические и электромагнитные. Механическими причинами являются биение коллектора, его эллиптичность, шероховатость, наличие выступающих коллекторных пластин и изоляционных прокладок, вибрация щеткодержателей и т. д. Все эти причины приводят к вибрации щеток, в связи с чем возможны кратковременный разрыв контакта между щеткой и коллектором и возникновение кратковременной электрической дуги. Особенно трудно обеспечить отсутствие вибрации щеток при больших окружных скоростях коллектора (50 м/с и выше).

Электромагнитные причины приводят к тому, что даже при идеальном состоянии щеточного контакта при выходе коллекторной пластины из-под щетки разрывается ток и возникает короткая электрическая дуга, повреждающая сбегающие части щетки и коллекторных пластин. Искрение, вызванное электромагнитными причинами, повреждает поверхность коллектора и, как следствие, приводит к вибрации щеток, т. е. способствует возникновению искрения из-за механических причин. Неустойчивость же щеточного контакта оказывает существенное влияние на электромагнитные процессы в секциях, переходящих из одной параллельной ветви обмотки якоря в другую. Поэтому, как правило, искрение щеток на коллекторе вызывается совместным действием многих причин.

Качество коммутации оценивается степенью искрения (классом коммутации) под сбегающим краем щетки, из-под которого выходят пластины коллектора при его вращении. Допускаемые степени искрения согласно Государственному стандарту приведены в табл. 3.

Физическая Сущность процесса коммутации. Как было установлено в § 28, щетки разделяют обмотку якоря на несколько параллельных ветвей. При вращении якоря каждая секция его обмотки переходит из одной параллельной ветви в другую, что сопровождается резким изменением направления тока в секции и замыканием этой секции накоротко щетками. Процесс переключения секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую и изменения направления в них тока называется процессом коммутации.

Предположим, что в какой-либо момент секция 1 (рис. 112, а) находится в нижней параллельной ветви, при этом ток ветви iя протекает по секции в направлении от ее начала Н к концу К (для простоты принимаем, что щетки скользят не по коллектору, а непосредственно по виткам обмотки якоря). Через некоторое время якорь повернется и секция 1 окажется в верхней параллельной ветви (рис. 112, б). При этом ток iя будет уже проходить по секции в обратном направлении, т. е. от ее конца К к началу Н.

Большую часть времени, соответствующего одному обороту якоря, ток секции равен току параллельной ветви iя. Однако поскольку секция, перемещаясь под полюсами, попадает то в одну, то в другую параллельную ветвь, направление тока в ней периодически меняется (рис. 112,в). Изменение направления тока в секции происходит за период времени, в течение которого соединенные с секцией коллекторные пластины соприкасаются со щеткой. Это время называется периодом коммутации Тк. Секция начинает коммутироваться в момент, когда коллекторные пластины, между которыми подключена секция, перекрываются набегающим краем щетки; заканчивается же процесс коммутации этой секции в момент выхода указанных коллекторных пластин из-под противоположного (сбегающего) края щетки.

Рис. 112. Переход секции обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую (а и б) и кривая изменения тока в секции (в)

Рассмотрим более подробно процесс коммутации в какой-либо секции обмотки якоря двухполюсной машины при различных положениях щетки относительно коллекторных пластин. При этом ради простоты будем считать, что ширина щетки равна ширине коллекторной пластины. В начальный момент коммутации (рис. 113, а) щетка перекрывает коллекторную пластину 1, и ток в обмотке якоря I_я = 2i_я, пройдя щетку и коллекторную пластину, разветвляется на две ветви, при этом по каждой параллельной ветви (правой и левой) протекают токи i_я. При вращении якоря коллекторные пластины сдвигаются относительно щетки, и через некоторое время щетка начинает перекрывать обе коллекторные пластины 1 и 2, замыкая накоротко коммутируемую секцию 1—4, обозначенную жирной линией (рис. 113,б). При этом через коммутируемую секцию будет протекать некоторый ток i, в обеих же параллельных ветвях будут проходить токи i_я. Поэтому через набегающую коллекторную пластину 1 будет проходить ток i₁=i_я+i, а через сбегающую пластину 2 — ток i₂ = i_я — i.

Рис. 113. Распределение тока в коммутируемой секции в различные моменты коммутации

В конце процесса коммутации (рис. 113, в) щетка сходит с коллекторной пластины У и перекрывает только одну пластину 2, при этом ток в коммутируемой секции будет направлен противоположно его направлению в начале коммутации.

Таким образом, в течение периода коммутации Т_к рассматриваемая секция 1—4 переходит из правой параллельной ветви в левую. В течение этого периода ток i в коммутируемой секции линейно изменяется от +i_я до -i_я, ток i₁ — от 2i_я до нуля, а ток i₂ — от нуля до 2i_я (рис. 114, а). Такая коммутация носит название прямолинейной, или идеальной.

Рассмотренный выше процесс коммутации не вызывает каких-либо неприятных последствий в машине. Для нее характерно:

сбегающая коллекторная пластина 2 выходит из-под края щетки без разрыва тока;

плотность тока под щетками в течение периода коммутации остается неизменной, так как по мере уменьшения тока i₁ пропорционально уменьшается перекрываемая щеткой площадь S₁ коллекторной пластины 1. Точно так же по мере увеличения тока i₂ пропорционально увеличивается перекрываемая щеткой площадь S₂ коллекторной пластины 2.

По этим причинам прямолинейная коммутация считается оптимальной. Если при расчете машины выбрать площадь щеток так, чтобы плотность тока под ними не превышала некоторую предельную для щеток данной марки, то данная машина будет работать без искрения.

Однако в действительных условиях работы машин постоянного тока процесс коммутации протекает более сложно. В современных машинах период коммутации Т_к весьма мал и составляет примерно 0,001—0,0001 с. Вследствие этого скорость изменения тока в коммутируемой секции очень велика и в ней индуцируется довольно большая э. д. с. самоиндукции e_L. Обычно в процессе коммутации участвует несколько секций, одновременно замыкаемых накоротко щетками. При этом в них возникает также и э. д. с. взаимоиндукции е_м. Сумма возникающих в каждой коммутируемой секции э. д. с.

Рис. 114. Зависимости изменения токов i, i1, i2 в коммутируемой секции во времени при прямолинейной (а), замедленной и ускоренной (б) коммутации

Рис. 115. Возникновение реактивной э.д.с. (а) и добавочного тока коммутации (б)

самоиндукции и взаимоиндукции носит название реактивной э. д. с: е_р = е_L + е_м (рис. 115, а). Эта э.д.с, действуя в замкнутой накоротко секции, сильно изменяет характер коммутации и вызывает добавочный ток коммутации i_к (рис. 115,б).
Согласно правилу Ленца э. д. с. самоиндукции и взаимоиндукции должны противодействовать вызывающей их причине, т. е. замедлять изменение тока i в коммутируемой секции. Так как этот ток в процессе коммутации стремится уменьшиться, а затем изменить свой знак, реактивная э. д. с. е_р должна противодействовать этому уменьшению; следовательно, она будет иметь направление, совпадающее с направлением тока i в коммутируемой секции в первую половину периода коммутации. Такое же направление имеет и добавочный ток коммутации i_к.
Циркулируя в цепи коммутируемой секции, замкнутой накоротко щеткой, ток iк уменьшает ток i₂ на набегающем крае щетки и увеличивает ток i₁ на сбегающем крае. В результате плотность тока под щетками становится неравномерной: пониженной на набегающем крае щетки и повышенной на сбегающем. Такая коммутация называется замедленной. Ток в коммутируемой секции в этом случае изменяется по кривой 1 или 2 (см. рис. 114, б).

Влияние коммутации на работу машины. При замедленной коммутации площадь S₁ соприкосновения пластины 1 (см. рис. 113) со щеткой уменьшается быстрее, чем ток i₁, вследствие чего увеличивается плотность тока под сбегающим краем щетки.

Рис. 116. Возникновение искрения под сбегающим краем при замедленной коммутации

В конце процесса коммутации эта плотность тока может достичь большого значения и вызвать искрение под щетками. В этом случае небольшая площадь электрического контакта между щеткой и сбегающей пластиной не может пропустить через себя значительный ток, и он начинает проходить помимо этого контакта. Практически при этом образуется искровой разряд (рис. 116, а) между щеткой и сбегающей коллекторной пластиной 1.

При большом значении реактивной э. д. с. е_р ток i₁ к моменту схода щетки со сбегающей пластины не успевает уменьшиться до нуля (кривая 2 на рис. 114, б). При этом через сбегающую пластину проходит остаточный ток i_ост, который разрывается щеткой. В этом случае запас электромагнитной энергии в цепи коммутируемой секции оказывается достаточным, чтобы ионизировать воздушный промежуток между щеткой и сбегающей коллекторной пластиной, поэтому между ними появляется довольно значительный дуговой разряд, т. е. интенсивное искрение (рис. 116,б). В результате длительного искрения неизбежен преждевременный износ коллектора и щеток. Коллектор загрязняется, чернеет и становится непригодным к работе. Необходимо периодически выполнять его очистку. При сильном искрении разрушаются щетки и поверхность коллектора, которую приходится подвергать обточке. При неблагоприятных условиях (в машинах с сильным искажением магнитного поля от действия реакции якоря) дуга будет переходить от пластины к пластине, что приведет к возникновению кругового огня.

Чем больше мощность электрической машины и чем выше частота вращения якоря, тем большая реактивная э. д. с. индуцируется в коммутируемых секциях и тем неблагоприятнее протекает процесс коммутации.

На протекание процесса коммутации оказывает также вредное влияние сдвиг физической нейтрали относительно геометрической, возникающий под действием реакции якоря. Обычно щетки устанавливают под серединами полюсов так, чтобы замыкаемые ими коллекторные пластины были соединены с секциями обмотки якоря, расположенными на геометрической нейтрали. В этом месте не действует магнитный поток, созданный обмоткой возбуждения машины, и при холостом ходе в указанных секциях не индуцируется никакой э. д. с. Однако при нагрузке из-за сдвига физической нетрали относительно геометрической расположенные на геометрической нейтрали коммутируемые секции оказываются в зоне действия магнитного потока якоря Ф_я (см. рис. 105, б), поэтому при вращении якоря в них так же, как и в остальных секциях обмотки якоря, будут индуцироваться э. д. с, называемые э. д. с. вращения. Э. д. с. вращения, созданная потоком якоря, ухудшает коммутацию, так как совпадает по направлению с реактивной э. д. с. е_р.

Способы улучшения коммутации. Основной причиной искрения в машинах постоянного тока является разрыв щетками остаточного тока, созданного в коммутируемой секции реактивной э. д. с. и э. д. с. вращения от действия потока якоря. Следовательно, улучшение коммутации может быть осуществлено тремя путями:

1) уменьшением реактивной э. д. с;

2) компенсацией реактивной э. д. с. и э. д. с. вращения от потока якоря некоторой добавочной э. д. с, называемой коммутирующей; эта э. д. с. может быть индуцирована при помощи какого-либо дополнительного внешнего (коммутирующего) магнитного поля;

3) уменьшением тока коммутации i_к путем увеличения сопротивления цепи коммутируемой секции.

Рассмотрим более подробно эти способы.

Уменьшение реактивной э. д. с. Это достигается путем уменьшения индуктивности секции различными конструктивными мерами. Индуктивность секции стараются сделать возможно меньшей, уменьшая число витков. Поэтому в тяговых двигателях и тепловозных генераторах секции делают одновитковыми. Пазы якоря стараются также делать открытыми и не очень глубокими (глубина их не превышает 4,5—5,5 см даже у самых крупных машин).

На значение индуктивности оказывает влияние положение стороны секции в пазу; индуктивность верхнего слоя всегда меньше индуктивности нижнего слоя. Чтобы индуктивности всех секций были примерно одинаковыми, одну сторону каждой секции располагают в верхнем слое, а другую — в нижнем.

Определенное значение для коммутации имеет и ширина щетки. Чем шире щетка, тем больше число коллекторных пластин перекрывает она одновременно и тем больше коммутируется одновременно секций. Поэтому уменьшение ширины щетки обеспечивает уменьшение реактивной э. д. с. Практика тягового электромашиностроения выработала наиболее рациональное соотношение между шириной щетки и шириной коллекторной пластины; обычно в тяговых двигателях и генераторах щетка перекрывает 3,5—4,5 коллекторных пластины.

Однако в крупных машинах все рассмотренные конструктивные меры не могут снизить индуктивность секций и реактивную э. д. с. до допустимых значений. Поэтому в таких машинах приходится уменьшать длину, окружную скорость и суммарный ток проводников, лежащих в пазах якоря, а для получения необходимой мощности машины увеличивать диаметр якоря, что приводит к увеличению габаритных размеров и массы машины. По этим причинам машины постоянного тока имеют примерно на 20—25 % меньшую мощность, чем машины переменного тока при тех же габаритных размерах и частоте вращения.

Поскольку конструктивные меры уменьшения реактивной э. д. с. влекут за собой увеличение габаритных размеров и массы, этими способами добиваются лишь снижения реактивной э. д. с. при номинальной нагрузке до уровня 3—5 В. При такой реактивной э. д. с. обычно удается наладить коммутацию, применив добавочные полюсы.

Создание в коротко замкну той секции коммутирующей э. д. с. В машинах мощностью свыше 1 —1,5 кВт для создания коммутирующего поля с целью компенсации реактивной э. д. с. и э. д. с. вращения от потока якоря применяют добавочные полюсы. Они расположены между главными полюсами на геометрической нейтрали машины (см. рис. 111, а), т. е. там же, где находятся коммутируемые секции, замыкаемые накоротко щетками. Ширину этих полюсов выбирают небольшой (рис. 117, а), чтобы созданное ими магнитное поле действовало только в зоне, где происходит процесс коммутации (коммутационной зоне). Магнитный поток добавочных полюсов направлен против потока якоря в коммутационной зоне и компенсирует его; в этом случае в коммутируемых секциях не будет индуцироваться э. д. с. вращения. Кроме того, поток добавочных полюсов индуцирует в коммутируемых секциях коммутирующую э. д. с. е_к, направленную против реактивной э. д. с. е_р (рис. 117, б). Добавочные полюсы рассчитывают так, чтобы коммутирующая э. д. с. е_к была приблизительно равна реактивной э. д. с. е_р. В этом случае имеют место рассмотренные выше условия идеальной коммутации, обеспечивающие безыскровую работу машин. Полярность каждого добавочного полюса в генераторах должна быть такой же, как у следующего по направлению вращения главного полюса, а в двигателях — как у предшествующего главного полюса. Если коммутирующая э. д. с. е_к будет больше реактивной э. д. с. е_р, то имеет место ускоренная коммутация, при этом ток в коммутируемой секции изменяется по кривой 3 (см. рис. 114,б). При небольшом преобладании э. д. с. е_к коммутация протекает благоприятно, плотность тока под сбегающей пластиной становится малой (образуется так называемая «ступень малого тока») и сход этой пластины из-под щетки происходит без искрения. Однако если ек значительно превосходит е_р, то искрение возникает под набегающим краем щетки. Осуществить точную компенсацию реактивной э. д. с. коммутирующей невозможно из-за технологических неточностей

Рис. 117. Электромагнитная схема машины с добавочными полюсами (а) и индуцирование в короткозамкнутых секциях коммутирующей э.д.с. (б): 1, 3 — добавочный и главный полюсы; 2 — обмотка добавочного полюса; 4 — якорь; 5 – коммутируемые секции; 6 — щетка; 7 — коллектор

Рис. 118. Схема включения обмоток якоря, возбуждения, добавочных полюсов и компенсационной в машине постоянного тока (а) и зависимости э.д.с. ер и ек от тока якоря Iя (б): Я — обмотка якоря; ОВ — обмотка возбуждения; ОДП — обмотка добавочных полюсов; КО — компенсационная обмотка

ностей при изготовлении машины (неточное расположение главных и добавочных полюсов, щеток на коллекторе, неодинаковая толщина коллекторных пластин и изоляционных прокладок, несимметричное расположение пластин на коллекторе и пр.) и нестабильного характера щеточного контакта. Однако практика показывает, что если нескомпенсированная э.д.с. ?е = е_р — е_к не превышает 0,8—1,0 В, то коммутация протекает удовлетворительно.

При изменении нагрузки машины изменяется ток, протекающий по обмотке якоря, а следовательно, и реактивная э. д. с. е_р в коммутируемой секции. Для того чтобы поле добавочных полюсов автоматически компенсировало э. д. с. е_р при различных нагрузках, обмотку добавочных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря (рис. 118, а), а их магнитную цепь делают ненасыщенной. Поэтому создаваемое этими полюсами коммутирующее магнитное поле, а следовательно, и коммутирующая э. д. с. е_к будут изменяться пропорционально току в обмотке якоря, т. е. так же, как и реактивная э. д. с.

Рассмотренные выше условия имеют место при изменении нагрузки машины от холостого хода до несколько большей ее номинальной. Однако при сильных перегрузках компенсация реактивной э. д. с. е_р нарушается, так как при больших токах в обмотке якоря начинает сказываться насыщение магнитной цепи добавочных полюсов. В этом случае реактивная э. д. с. будет возрастать пропорционально току, рост же коммутирующей э. д. с. е_к из-за насыщения будет более замедленным (рис. 118, б), вследствие чего в коммутируемых секциях появится некоторая нескомпенсированная э. д. с. ?_е =e_р-е_к, вызывающая искрение под щетками.

Чтобы увеличить предельную нагрузку, при которой происходит насыщение магнитной цепи добавочных полюсов, поперечное сечение их сердечников делают достаточно большим, а воздушный зазор под добавочными полюсами устраивают значительно большим, чем воздушный зазор под главными полюсами (рис. 119, а). В машинах

Рис. 119. Магнитная цепь добавочных полюсов в машинах большой мощности (а и б) и схема магнитных потоков, проходящих через добавочный полюс (в): 1 — остов; 2 — обмотка добавочного полюса; 3 — дополнительный воздушный зазор (немагнитная прокладка); 4 — сердечник добавочного полюса; 5 — основной воздушный зазор; 6 — якорь; 7 — главный полюс; 8 — междуполюсное пространство; 9 — коммутационная зона

большой и средней мощности при конструировании магнитной цепи добавочных полюсов приходится принимать специальные меры для уменьшения магнитного потока рассеяния Ф_? добавочного полюса, который проходит через междуполюсное пространство помимо якоря (рис. 119, в). Этот поток превышает в 2—4 раза полезный поток добавочного полюса Ф_дп, проходящий через коммутационную зону. Для уменьшения потока рассеяния, который может вызвать насыщение сердечников добавочных полюсов, обмотку добавочного полюса размещают ближе к якорю и делят воздушный зазор на две части, устанавливая немагнитные прокладки 3 между остовом и торцами сердечников добавочных полюсов (рис. 119, б). Дополнительный воздушный зазор у остова повышает магнитное сопротивление для потока рассеяния, что обеспечивает уменьшение этого потока. Кроме того, такой зазор улучшает коммутацию при переходных режимах.

Увеличение сопротивления цепи коммутируемой секции. Щетки по своей физической природе являются нелинейными сопротивлениями. При быстром увеличении плотности тока под сбегающим краем щетки сопротивление ее резко возрастает, что ведет к уменьшению остаточного тока или к полному его устранению даже в случае, когда коммутация является неидеальной. Коммутирующие свойства щеток характеризуются падением напряжения 2?u_щ в контактном слое пары щеток, одна из которых проводит, а другая отводит ток. Наилучшие коммутирующие свойства имеют электрографитированные щетки, для них 2?u_щ ? 2,4—2,6 В. Стремление к улучшению коммутации — основная причина перехода от медных щеток, первоначально применявшихся в электромашиностроении, к электрографитированным.

При прохождении тока между щеткой и коллектором происходят сложные электролитические процессы. Вследствие этого поверхность коллектора покрывается политурой — тонкой пленкой светло или темно-коричневого цвета, содержащей, главным образом, окислы меди и углерод. Наличие политуры благотворно сказывается на работе щеток; коэффициент трения уменьшается и возрастает переходное сопротивление контакта между щеткой и коллектором. Процесс появления политуры при обычных условиях длится от 2 до 10 ч. При очень больших скоростях перемещения щетки по коллектору (свыше 50—60 м/с) может происходить частичное разрушение политуры.

Улучшение условий коммутации можно обеспечить при применении разрезных щеток (см. рис. 87,б). В этом случае удлиняется путь, по которому проходит добавочный ток коммутации i_k, и увеличивается сопротивление цепи коммутируемой секции. Следовательно, уменьшается ток i_k.

Особенности коммутации при переходных режимах. Тяговые двигатели электроподвижного состава нередко работают при переходных режимах, вызываемых резкими колебаниями напряжения в сети, нарушением электрического контакта между токоприемником и контактной сетью (отрыв токоприемника от контактного провода), нарушением сцепления между колесными парами и рельсами (бок-сование, юз и восстановление нормального сцепления) и переключениями электрических цепей в процессе управления локомотивами.

При прекращении питания двигателя (отрыв токоприемника
от контактного провода) и последующем его восстановлении происходит процесс изменения тока якоря I_я и магнитного потока Ф главных полюсов. Магнитный поток Ф достигает первоначального значения только через некоторое время ? t, так как в массивном остове машины индуцируются вихревые токи, которые согласно правилу Ленца противодействуют изменению потока. Медленное восстановление магнитного потока главных полюсов Ф, а следовательно, и э. д. с. двигателя Е приводит к резкому возрастанию тока I_я до значения I_мах, примерно в 2—3 раза большего его значения до прекращения питания. В результате происходит нарушение нормальной коммутации машины и соответствующее увеличение потока якоря, сопровождающееся возрастанием напряжения между смежными коллекторными пластинами, что может привести к возникновению кругового огня.

Возникновение вихревых токов в массивном остове машины и сердечниках добавочных полюсов приводит к нарушению коммутации также и потому, что они задерживают изменение магнитного потока добавочных полюсов, который должен быстро следовать за изменением реактивной э. д. с, т. е. тока в обмотке якоря. В результате нарушается условие компенсации реактивной э. д. с. е_р — е_к = 0 и возникает нескомпенсированная э. д. с. ?е = е_р— е_к, вызывающая искрение под щетками. Введение в магнитную цепь добавочных полюсов второго воздушного зазора у остова (см. рис. 119,б) ослабляет этот задерживающий эффект и способствует более быстрому изменению коммутирующей э. д. с. е_к в соответствии с изменением е_р.