Способы улучшения коммутации

Классическая теория коммутации предполагает равномерное распределение сопротивления щеточного контакта по всей длине щетки. Но исследования процессов коммутации дачи противоположную картину — токи под щеткой распределяются резко неравномерно. Из-за неравномерности механического контакта соприкосновение щетки с коллекторной пластиной происходит в отдельных точках. Плотность тока и температура в этих точках значительны. В этих точках создастся ионная проводимость, ч то и обеспечивает благоприятные условия для контакта щетки с коллектором.

Количество и местоположение точечных контактов непрерывно изменяются, так как щетка перекрывает коллекторную пластину в тысячные доли секунды и состояние контакта за это время изменяется. В этих условиях возникновение контактов по всей длине щетки равновероятно и принятое в классической теории равномерное распределение тока под щеткой остается справедливым, если считать, что контакт между щеткой и коллектором осуществляется за счет ионной проводимости.

На коммутацию в первую очередь влияют состояние поверхности коллектора и щеток и правильный выбор материала коллекторных пластин и щеток. Коллекторные пластины выполняются из меди, а в машинах, работающих при тяжелых условиях коммутации, — из меди с присадкой кадмия. Щетки изготовляются путем прессования из угольных и графитных порошков. Щетки делятся на четыре группы: угольно-графитные, графитные, электрографитные и металлографитные. Наибольшее применение находят электрографитные щетки марок ЭГ4, ЭГ8, ЭГ14, ЭГ61, ЭГ74, которые допускают плотность тока под щеткой до 150 А/см² и линейную скорость 60 м/с. Эти щетки применяют для двигателей и генераторов со средними и затрудненными условиями коммутации.

При правильном выборе марки щеток и правильной эксплуатации машины постоянного тока в результате электролиза на коллекторе образуется политура, состоящая из пленки оксидов меди. Наличие политуры на коллекторе является свидетельством хорошей коммутации машины.

На комму тацию значительное влияние оказывают механические причины — биение коллектора, плохая обработка, выступание слюды, вибрации щеток и щеткодержателей. Механические причины особенно сильно влияют на коммутацию быстроходных машин.

Условия эксплуатации машины постоянного тока — загрязнение коллектора, влажность, атмосферное давление, наличие в окружающем воздухе химических веществ — также значительно влияют на коммутацию.

Коммутация ухудшается при уменьшении атмосферного давления. На самолетах применяются специальные высотные щетки. При работе щеток в керосине в погружных машинах постоянного тока обеспечивается удовлетворительная коммутация. Однако коммутация в других жидкостях и газах требует тщательных исследований.

Одной из причин плохой коммутации — возникновения искрения на коллекторе — является потенциальное искрение, которое связано с возникновением больших напряжений между коллекторными пластинами.

При расчете машин постоянного тока число коллекторных пластин выбирают из условия, чтобы среднее напряжение между коллекторными пластинами не превышало 15—20 В.

При холостом ходе напряжение между пластинами коллектора определяется выражением.

Рис. 5.39. Потенциальная диаграмма коллектора.

При нагрузке поперечная реакция якоря искажает поле в воздушном зазоре (см. рис. 5.29) и напряжение на коллекторе распределяется неравномерно (рис. 5.39). Потенциальные характеристики на коллекторе снимаются с помощью вольтметра, когда один измерительный конец вольтметра присоединен к щетке, а второй — скользит по коллектору. На рис. 5.39 штриховая кривая показывает распределение напряжения при холостом ходе, а сплошная — при нагрузке. При этом AU' > AU.

Из-за больших значений grad U может быть пробой изоляционных промежутков между отдельными пластинами, что, в свою очередь, может повлечь пробой других пластин и появление кругового огня на коллекторе, когда дуга возникнет между щетками. Круговой огонь обычно приводит к оплавлению коллектора и выходу из строя машины.

Распределение поля в воздушном зазоре влияет па коммутацию. Опрокидывание поля из-за реакции якоря может привести к расстройству коммутации.

Компенсационная обмотка компенсирует поле поперечной реакции якоря, устраняет искажение поля в воздушном зазоре и сохраняет распределение напряжения на коллекторе таким же, что и при холостом ходе.

Как было показано в параграфе 5.7, ток в коммутируемой секции определяется выражением (5.49). Если г_д = 0, коммутация прямолинейная и в момент схода щетки с коллекторной пластины ток коммутации равен нулю. Чтобы коммутация была без искрения — удовлетворительная коммутация, надо стремиться снизить добавочный ток:

где Не — сумма ЭДС в коммутируемой секции; Hr — сумма сопротивления контура коммутируемой секции.

Чтобы снизить /_д, надо уменьшить Ze либо увеличить Zr. Улучшение коммутации практически достигается путем правильного подбора щеток. Для улучшения коммутации желательно выбирать щетки с высоким активным сопротивлением, но увеличение сопротивления щеток приводит к увеличению потерь и нагреву щеток, что может ухудшить коммутацию. При расчете коммутации необходимо правильно удовлетворить противоречивые требования.

При проектировании щетки подбирают согласно ГОСТ 52 157–2003, в котором указаны преимущественные применения той или иной марки щеток, переходное падение напряжения, плотность тока под щеткой, допустимая скорость и давление пружины на щетку. С учетом накопленного опыта эксплуатации щеток и правильного расчета машины можно обеспечить удовлетворительную коммутацию для большинства тяжелых условий применения машин постоянного тока.

Рис. 5.40. Слоеная щетка Для увеличения сопротивления коммутируемого контура иногда применяют слоеные щетки, разделенные на несколько слоев тонкими прокладками (рис. 5.40). Включение резисторов или вентилей в коммутируемую секцию приводит к улучшению коммутации, но из-за усложнения изготовления машины и увеличения потерь они применяются редко.

Уменьшение Ze достигается несколькими путями. В основном это обеспечивается снижением реактивной ЭДС е_р и введением ЭДС, компенсирующей реактивную ЭДС. Реактивная ЭДС (5.56)—(5.59) снижается за счет правильного выбора числа витков в секции и конфигурации паза. Для уменьшения е_р надо стремиться к минимальному числу витков в секции и к большему раскрытию паза, по возможности применяя открытые пазы, так как при этом уменьшается индуктивность секции L_Q. При правильном выборе геометрии паза в машинах с полузакрытым пазом можно снизить е_р и не применять добавочные полюсы.

При проектировании реактивная ЭДС рассчитывается по формуле.

где w_c — число витков в секции; /₈ — длина якоря, м; А — линейная нагрузка, А/м; v_(l — окружная скорость, м/с; А., — удельная магнитная проводимость пазового рассеяния.

Для улучшения коммутации надо снижать линейную нагрузку и индуктивность коммутируемой секции.

Значение реактивной ЭДС является косвенной оценкой коммутации машины. Максимальная реактивная ЭДС для машин небольшой мощности допускается до 2,5—3 В. В крупных машинах с компенсационной обмоткой максимальная реактивная ЭДС может достигать 12 В.

Чтобы снизить е_р, можно увеличить Т_к нс за счет ширины щетки, а за счет увеличения числа щеток и смещения их па щеточных пальцах так, чтобы они перекрывали такую же поверхность, что и щетки большей ширины.

Важное значение имеют ток в параллельной ветви машины, который для обеспечения удовлетворительной коммутации выбирается в пределах 250—350 А, число коллекторных пластин и линейная скорость на коллекторе, которая зависит от диаметра коллектора и частоты вращения. Главным средством улучшения коммутации машин постоянного тока является применение дополнительных или добавочных полюсов, которые в зоне коммутации создают внешнее поле, компенсирующее реактивную ЭДС.

Добавочные полюсы устанавливаются в зоне коммутации между главными полюсами. Обмотки добавочных полюсов соединяются последовательно с обмоткой якоря, поэтому МДС обмоток добавочных полюсов следит за изменением тока в якоре в установившихся и переходных процессах.

Чтобы скомпенсировать е_р, необходимо в зоне коммутации скомпенсировать поле реакции якоря и создать поле, при вращении в котором в коммутируемой секции наведется ЭДС вращения, равная и противоположно направленная е_р (тогда е_в + е_р = 0), или получить е_в, несколько большую е_р. При этих условиях в машине будет прямолинейная или ускоренная коммутация.

Электродвижущая сила вращения определяется из формулы (5.62): В_к — /_я. Тогда е_в ~ 1,_ли_а. Индукция под добавочными полюсами меньше, чем под главными, и равна 0,5—0,25 Тл. Благодаря тому что В_к небольшая, магнитная цепь добавочных полюсов не насыщена, что обеспечивает линейную зависимость между е_в и током нагрузки. Следует иметь в виду, что и е_р линейно зависит от тока нагрузки. Поэтому обеспечивается компенсация е_р во всех режимах работы машины постоянного тока.

Добавочные полюсы должны иметь определенный порядок следования по отношению к главным полюсам. На.

Рис. 5.41. Расположение главных и добавочных полюсов.

Рис. 5.42. Смещение щеток с геометрической нейтрали:

ГН — геометрическая нейтраль; ФН — физическая нейтраль рис. 5.41 показано расположение главных и добавочных полюсов в генераторном Г и двигательном Д режимах.

Все машины постоянного тока мощностью выше 1 кВт для обеспечения удовлетворительной коммутации выпускаются с добавочными полюсами.

В машинах небольшой мощности скомпенсировать реактивную ЭДС можно путем смещения щеток с геометрической нейтрали. Поперечная реакция якоря искажает поле в машине (рис. 5.42), и в зоне коммутации на геометрической нейтрали появляется поле. Если щетки оставить на геометрической нейтрали, то ЭДС вращения, наводимая от этого поля, будет совпадать с е_р и в машине будет замедленная коммутация с неблагоприятными условиями, когда в коммутируемой секции реактивная ЭДС и ЭДС вращения складываются.

Для того чтобы е_р и е_н вычитались, надо щетки сдвинуть за физическую нейтраль, где поле меняет свой знак. В генераторном режиме щетки смещаются на одну-две коллекторные пластины по направлению вращения, а в двигательном режиме — против направления вращения. Этот способ улучшения коммутации имеет недостаток, связанный с тем, что е_р компенсируется в одном режиме. Автоматической настройки при изменении нагрузки, которая есть в машинах с добавочными полюсами, при сдвиге щеток с нейтрали нет.

Рассмотренные основные способы улучшения коммутации не исчерпывают возможностей влияния на сложные быстропротекающие процессы коммутации.

По ГОСТу 183—74 коммутация по степени искрения делится на пять классов: 1 — отсутствие искрения (темная коммутация); 1 */4 — слабое точечное искрение под небольшой частью щетки; 1 ^x/i — слабое искрение под большей частью щетки; 2 — искрение под всем краем щетки; 3 — значительное искрение под всем краем щетки с крупными и вылетающими искрами. Степень искрения определяется визуально.

Степень искрения 3 приводит к значительному почернению коллектора, не устраняемому протиранием поверхности коллектора бензином. Такое искрение приводит к подгару и разрушению щеток. Работа машины при степени искрения 3 недопустима.

Степень искрения 2 допускается только при кратковременных режимах работы и при перегрузках. При таком искрении появляются следы почернения на коллекторе, нс устраняемые протиранием бензином.

При степени искрения 1 '/г появляются следы почернения на коллекторе, которые легко устраняются путем протирания поверхности коллектора бензином.

При степени искрения 1 и 1 ^х/а длительная работа машины не приводит к почернению коллектора и появлению нагара на щетках. При настройке коммутации при длительном режиме работы машины необходимо обеспечить эти две степени искрения.

Обеспечить удовлетворительную коммутацию в процессе проектирования машины не всегда удается, поэтому после изготовления опытных образцов проводится экспериментальная настройка коммутации. Основной метод настройки коммутации — метод подпитки добавочных полюсов и снятия потенциальных кривых под щетками.

Подпитка добавочных полюсов осуществляется по схеме рис. 5.43. Па рисунке Я1 — якорь машины, в которой осуществляется настройка коммутации, ДП — добавочные полюсы, Я2 — якорь вспомогательного генератора, обеспечивающего.

Рис. 5.43. Настройка коммутации по схеме подпитки добавочных полюсов.

подпитку добавочных полюсов, ОВ1 — обмотка возбуждения исследуемой машины, ОВ2 — обмотка возбуждения вспомогательного генератора.

При подпитке через обмотку добавочных полюсов проходит дополнительный ток подпитки А/, который вычитается из тока якоря /_я или складывается с ним. Изменяя ток подпитки Л/, добиваются при разных нагрузках степени искрения 1 или 1%.

Кривые, характеризующие степень подпитки, позволяют установить необходимую степень усиления или ослабления действия добавочных полюсов. Действие добавочных полюсов можно регулировать путем изменения числа витков или воздушного зазора, размеры которого можно изменять при помощи ферромагнитных прокладок, вставляемых между станиной и добавочным полюсом.

Последний способ применяется чаще, так как обычно число витков добавочных полюсов небольшое и изменение их числа дает резкое изменение МДС обмотки добавочных полюсов.

Кривые, характеризующие степень подпитки, снимаются после устранения механических причин искрения, при хорошей приработке щеток в течение нескольких часов работы под нагрузкой.

При снятии потенциальных кривых под щеткой измеряется падение напряжения Д{7_Щ между щеткой и коллектором (рис. 5.44). При этом один конец вольтметра передвигается по коллектору работающей при нагрузке машины.

Вид потенциальных кривых позволяет судить о характере коммутации при движении коллектора в направлении, указанном стрелкой на рис. 5.44. Кривая 1 свидетельствует.

Рис. 5.44. Снятие потенциальных кривых под щеткой о прямолинейной коммутации, кривая 2 — о замедленной (перегружен сбегающий край щетки), кривая 3 — об ускоренной коммутации (перегружен набегающий край щетки). Определив характер коммутации по потенциальным кривым щеток, можно провести настройку коммутации, меняя МДС дополнительных полюсов.

При настройке коммутации следует стремиться к несколь;

Рис. 5.45. Включение фильтров на выходе машины для устранения радиопомех ко ускоренной коммутации, так как при вращении коллектора возникают механические усилия, приподнимающие сбегающий край щетки и прижимающие набегающий. Поэтому целесообразно немного разгрузить сбегающий край щетки и уйти от прямолинейной коммутации.

Коммутация создает электромагнитные колебания высокой частоты (1—3 кГц), в результате чего возникают радиопомехи. Для устранения радиопомех, особенно при плохой коммутации, в цепь якоря машины постоянного тока включаются фильтры (рис. 5.45). При этом используются индуктивности машины, а конденсаторы помещаются в коробке выводов.

Геометрия машины постоянного тока, надежность и области применения во многом определяются коммутацией. Поэтому развитие теории коммутации, совершенствование коллекторного узла имеют важное значение для расширения области применения машин постоянного тока.