2.10. Коммутация обмотки якоря машин постоянного тока

Обмотка якоря машин постоянного тока представляет собой совокупность секций, определенным образом уложенных в пазы барабана якоря и подключенных к коллекторным пластинам (рис. 2.27). Задача щеточно-коллекторного устройства заключается в переключении секций обмотки таким образом, чтобы полярность выходного напряжения и направление тока активных сторон секций, находящихся в любой момент времени под полюсами, были бы неизменными.

Рис. 2.27

Процесс переключения обмотки называют коммутацией. Проще всего различные фазы переключения секций показать на примере переключения секций простой петлевой обмотки.

На рис. 2.27 изображены различные фазы коммутации 2-й секции. Пусть якорь с обмоткой перемещается относительно неподвижной щетки слева направо. Тогда в какой-то момент времени щетка будет касаться коллекторной пластины 3, к которой подключена правая сторона секции 2. Секция 2 на рисунке выделена жирной линией. Направление тока в активных сторонах секции показано стрелками. Сила тока секции равна половине тока якоря. По проводникам секции ток циркулирует по часовой стрелке (рис. 2.27,а).

При перемещении якоря вправо щетка переходит с третьей коллекторной пластины на вторую. Ток второй секции уменьшается. В том случае, когда щетка в равной степени перекрывает вторую и третью пластины, ток секции 2 будет равен нулю в том случае, если нет никаких дополнительных факторов, влияющих на распределение этого тока (см. рис. 2.27). В такой ситуации говорят, что секция 2 коротко замкнута. При дальнейшем перемещении якоря относительно щетки будет иметь место такое положение якоря, когда щетка будет касаться лишь второй коллекторной пластины (см. рис. 2.27, в). В этом положении во второй секции будет протекать ток, равный половине тока якоря, но его направление будет противоположным току, который протекал в секции в том случае, когда щетка касалась третьей коллекторной пластины (см. рис. 2.27, в). Таким образом, в процессе коммутации ток секции изменяется от значения 0,5I_я до значения  0,5I_я. График изменения тока секции для рассматриваемого случая линеен и представлен на рис. 2.28.

Рис. 2.28

В реальных же условиях переходный процесс, происходящий в секции, гораздо сложнее, так как закон изменения тока определяется не только соотношением сопротивлений переходов щетка – третья пластина и щетка – вторая пластина, но и величиной электродвижущих сил, наводимых во второй секции.

В первую очередь речь идет об ЭДС самоиндукции, наводимой изменением тока в самой секции, так как секция представляет собой катушку с индуктивностью L. Тогда величина ЭДС самоиндукции определяется с помощью уравнения

,

где i – ток секции в данный момент времени;

Рис. 2.29

L – индуктивность секции.

В соответствии с законами, описывающими переходные процессы в катушках индуктивности, ток секции уже не будет изменяться по линейному закону. Примерный график изменения тока секции во времени представлен на рис. 2.29.

В том случае, когда в процессе коммутации магнитный поток поля главных полюсов, сцепленный с витками секции, не будет равен нулю, в секции будет иметь место дополнительная ЭДС, наведенная изменением этого потока в данный момент времени

,

где – магнитный поток, сцепленный с секцией;

W – количество витков секции.

Неравенство нулю электродвижущей силы коммутируемой секции приводит к неблагоприятным условиям переключения и к усиленному искрению на коллекторе, поэтому проектировщики электрических машин постоянного тока добиваются уменьшения суммарной ЭДС секции. Уменьшения суммарной ЭДС секции мож­но добиться следующими методами:

а) уменьшением индуктивности отдельной секции. При определенном количестве витков обмотки якоря для уменьшения L_с необходимо увеличить количество секций, уменьшая количество витков, приходящихся на одну секцию. Соответствующим образом увеличится и количество коллекторных пластин;

б) уменьшением магнитного потока, сцепленного с секцией в момент коммутации. Этого можно добиться путем выбора такого положения щеток относительно коллектора, при котором коммутация секции осуществлялась бы при минимальном потоке, сцепленном с секцией в момент коммутации. Это будет тогда, когда щетки будут находиться на магнитной нейтрали (см. рис. 2.24, б);

в) созданием дополнительного магнитного потока машины, сцепленного только с коммутируемой секцией и который наводил бы в секции такую ЭДС, которая компенсировала бы электро­движущие силы, наведенные в секции самоиндукцией и основным магнитным потоком из-за искажения магнитного поля машины, вызванного реакцией якоря. Магнитный поток обмотки якоря пропорционален току, поэтому для компенсации влияния этого потока на секцию в машинах средней и большой мощности на статоре между главными полюсами монтируют дополнительные полюсы. Обмотка дополнительных полюсов содержит малое количество витков и включается последовательно с обмоткой якоря таким образом, чтобы магнитный поток этих полюсов был бы направлен навстречу магнитному потоку обмотки якоря. Количество витков обмотки дополнительных полюсов рассчитывается из условия получения минимальной ЭДС коммутируемой секции.

Конструкция большинства машин постоянного тока средней и большой мощности предусматривает возможность изменения положения щеток относительно главных полюсов в некоторых пределах для получения минимального искрения на коллекторе в процессе эксплуатации.

Искрение на коллекторе зависит не только от вышеописанных явлений, но и от состояния коллектора и щеток. Коллекторные пластины из-за искрения разрушаются, покрываются угольной пылью, что увеличивает переходное сопротивление щётка – коллектор. Из-за искрения неравномерно изнашиваются и щётки. Поэтому одной из основных задач технического обслуживания машин постоянного тока является задача содержания щеточно-коллектор­ного устройства в хорошем состоянии и правильного выбора положения щеток относительно главных полюсов машины.

Г л а в а 3