9. Машины постоянного тока

Провалы индукции в межполюсной зоне возникают вследствие резкого увеличения магнитного сопротивления этих участков под полюсом.

R	=	l	=	2δ	.	(9.48)
		μ0S
μ				μ0S

Кривая результирующей индукции в зазоре машины Bδрез сильно искажена (рис. 9.13, в), причем искажение увеличивается с ростом нагрузки.

Искажение поля машины приводит к неравномерному распределению напряжения по коллектору (к увеличению напряжения между одними соседними пластинами и уменьшению между другими), что способствует появлению кругового огня по коллектору, крайне опасного для сохранности машины.

9.4. Напряжение между коллекторными пластинами и компенсационная обмотка

При холостом ходе машины среднее напряжение между соседними пластинами в случае, например, применения простой петлевой обмотки

Uкср = 2Bδсрwсlδυ,

(9.49)

где wc – число витков секции, lδ – активная длина воздушного зазора, υ – скорость перемещения проводника.

При нагрузке максимальная индукция под одним из краев полюса (рис. 9.13) достигает некоторого значения Bδ max и

Uкmax = 2 Bδmax wсlδυ.

(9.50)

При расчете машин постоянного тока число коллекторных пластинК выбирают таким, чтобы среднее напряжение между соседними коллекторными пластинами

	Uкср =	2pUн	(9.51)
		К

не превышало 18–20 В.

391

9. Машины постоянного тока

N S

1

Fях

Fях + Fко

Fко

Рис. 9.14. Расположение компенсационной обмотки и диаграмма МДС

Согласно (9.50) и (9.51)
Uкmax =	2 pUн =	Bδmax .	(9.52)
	K	Bδср

Предельное значение Uк max ограничивается возможностью возникновения электрической дуги между смежными пластинами. Поэтому обычно требуется, чтобы Uк max ≤ 30–50 В.

Недопустимое повышение Uк max может произойти либо вследствие увеличения Bδmax под воздействием реакции якоря, либо вследствие уменьшения Bδ при регулировании скорости значительным уменьшением потока. Искажение кривой поля тем значительнее, чем меньше воздушный зазор. Эффективным средством борьбы с искажением кривой поля и увеличением напряжения между коллекторными пластинами является применение компенсационной обмотки (КО).

Компенсационная обмотка (рис. 9.14) размещается в пазах, выштампованных в полюсных наконечниках, и соединена с обмоткой якоря так, чтобы направления токов в этой обмотке и обмотке якоря в пределах каждого полюсного деления были бы противоположными.

Последовательное соединение компенсационной обмотки с обмоткой якоря обеспечивает полную компенсацию поперечной реакции якоря в пределах полюсного наконечника(сплошная линия на рис. 9.14). В межполюсном пространстве нескомпенсированная МДС якорной обмотки Fя компенсируется добавочными полюсами.

392

9. Машины постоянного тока

Установка компенсационной обмотки усложняет и удорожает конструкцию машины, поэтому применяют ее в мощных и быстроходных машинах, работающих при значительных перегрузках.

9.5. Коммутация

Коммутация представляет совокупность явлений, связанных с изменением тока в проводниках обмотки якоря при прохождении через зону, где они замыкаются накоротко щетками, наложенными на коллектор. Коммутация считается хорошей, когда процесс изменения тока в секциях не сопровождается искрообразованием между коллектором и щетками, а поверхность коллектора остается чистой, неповрежденной при длительной работе машины. Неудовлетворительная коммутация с искрообразованием на щетках приводит к порче коллектора и преждевременному выходу машины из строя.

Природа щеточного контакта. Явления в щеточном контакте оказывают большое влияние на коммутацию и исправную работу машины.

Передача тока от щетки к коллектору может осуществляться следующим образом:

•непосредственный механический контакт, который происходит вследствие неровностей поверхностей в отдельных точках и сопровождается повышенными плотностями тока;

•пылевидный контакт, возникающий через обязательно присутствующие частицы меди и угольной пыли; продолжительность контакта невелика;

•ионная проводимость, возникающей когда большие плотности тока в отдельных точках поверхности коллектора нагревают эту поверхность до красного и белого каления и вызывают появление ионов и термическую эмиссию.

Присутствующая в воздухе влага и наличие в ней окислов обусловливают явление электролиза при прохождении тока через слой щеточного контакта. В результате электролиза на коллекторе образуется блестящая

пленка окислов меди − политура. Политура увеличивает переходное сопротивление щеточного контакта, уменьшает ток короткозамкнутой секции и улучшает коммутацию.

Важно, чтобы коммутация происходила без значительного искрения у контактных поверхностей щеток, так как сильное искрение портит поверхность коллектора и щеток и делает длительную работу машины невозможной.

Причиныискренияподразделяютнамеханическиеиэлектромагнитные.

393

9. Машины постоянного тока

Механические причины связаны с нарушением контакта между щетками и коллектором: неровность поверхности коллектора, плохая пришлифовка щеток, выступание отдельных пластин или слюды между ними, вибрация щеток и т. д.

Электромагнитные причины искрения на щетках связаны с характером протекания электромагнитных процессов в коммутируемых секциях: повышенное напряжение между коллекторными пластинами, высокие напряжения и плотности тока в момент разрыва контура между щеткой и коллекторной пластиной, а также ряд других причин, которые будут выяснены в дальнейшем.

Качество коммутации оценивают степенью искрения под сбегающим краем щетки. Степени искрения 1,1 14, 1 12 допускаются при любых ре-

жимах работы. Класс 2 допустим только при кратковременных толчках нагрузки и перегрузке. Класс 3 является аварийным при обычной работе машины.

Процесс коммутации. Полное время коммутации, соответствующее времени прохождения секции через короткое замыкание, называется периодом коммутации. При окружной скорости коллектора υк и ширине щетки bщ период коммутации

T	=	bщ	.	(9.53)
к		υ
		к

В короткозамкнутой секции возникает переходный электромагнитный процесс, связанный с изменением в ней тока от значения+iя до значения – iя (рис. 9.15, а, б, в). Характер изменения тока i в процессе коммутации может быть различным в зависимости от величин и направлений наводимых в короткозамкнутой секции ЭДС.

Электродвижущая сила самоиндукции, наводимая в секции,

еL = −L di	,	(9.54)
dt

где L – индуктивность секции.

В этой секции наводятся также ЭДС взаимоиндукции, обусловленные одновременными процессами коммутации в соседних магнитосвязанных с нею секциях

e = −M di ,

(9.55)

Μ dt

где М − взаимоиндуктивность между витками разных секций, расположенных в одном пазу.

394

9. Машины постоянного тока

υя

υя

υя

iя = i

iя

iя

iя

i

iя

iя

i iя = i

iя

iя

iя

υ

i1

i 2= 0

υ

i1

i 2

υ

i1= 0

i 2

к

1

2

к

1

2

к

1

2

2 iя

Сбегающий

2 iя

Набегающий

2 iя

край щетки

край щетки

а

б

в

Рис. 9.15. Последовательные моменты коммутации секций

Поле реакции якоря и внешнее поле индуктора, действуя совместно, образуют в зоне коммутируемых секций результирующее (коммутирующее) поле. Индуктируемая этим полем в коммутируемой секции ЭДС называется коммутирующей и определяется формулой

eк = 2 Bкwс lδυ,

(9.56)

где Вк − индукция коммутирующего поля; lδ и υ – длина и скорость вращения коммутирующего проводника.

В зависимости от направления внешнего поля ЭДС eк может действовать согласно с ЭДС eL, ухудшая коммутацию, а может − встречно, улучшая ее.

Если поток главных полюсов изменяется во времени, то в коммутируемой секции индуктируется ЭДС трансформации (пульсации):

eтр = −w dΦδ .	(9.57)
dt

В машинах постоянного тока она появляется только в переходных режимах (например, при изменении скорости машины).

ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции объединяют общим названием реактивной ЭДС

eр = eL +eM .

(9.58)

395

9. Машины постоянного тока

Если просуммировать все ЭДС, действующие в короткозамкнутой секции, обозначить через rc сопротивление секции и через rп сопротивление проводников, соединяющих секцию с коллектором, то согласно рис. 9.15, б можно написать следующее уравнение Кирхгофа для коммутируемой секции:

∑e = eL +eΜ + eк + eтр =

=(rс + 2rп + rщ2 + rщ1 )i −(rщ2 −rщ1 )iя. (9.59)

Здесь rщ1 и rщ2 – изменяющиеся в процессе коммутации переходные сопротивления между коллекторными пластинами и щеткой.

Из (9.59) получим

i =		rщ2 − rщ1			iЯ +			∑e		.	(9.60)
	r	+ 2r	+ r	+ r		r	+ 2r	+ r	+ r
	с	п	щ	щ1 2 с			п	щ	щ1 2

Первый член этого выражения представляет основной ток коммутации секции, а второй − добавочный ток коммутации.

Знаменатели в выражении (9.60) определяют сопротивление короткозамкнутого контура коммутируемой секции. Добавочный ток коммутации поэтому можно рассматривать как ток короткого замыкания секции, определяемый ЭДС ∑е.

Пусть ЭДС етр = еМ = 0, ек = –еL и, следовательно, ∑е = 0. В секции существует только основной ток коммутации. Поскольку сопротивления rc и rп несоизмеримо меньше rщ1 и rщ2, то изменение тока определяется только изменением rщ1 и rщ2, вследствие чего этот случай называют коммутацией сопротивлением. При этом

	i =	rщ2	− rщ1	iя.	(9.61)
		rщ2	+ rщ1

Сопротивления rщ1 и rщ2 обратно пропорциональны сечениям контактных частей щеток:

rщ2

=

Sщ1

,

(9.62)

r

S

щ2

щ1

Sщ

bщlщ

υT

T

r

= r

= r

= r

к

= r

к .

(9.63)

l

щ2

щ S

щ2

щ b

щ2

щ

υt

щ t

щ2

396

9. Машины постоянного тока

Аналогично

r

= r

Sщ

= r

bщlщ

= r

υT

= r

T

,

к

к

−t)

−t

щ1

щ S

щ1

щ b l

щ υ(T

щ T

щ1 щ1

к

к

так как ширина щетки bщ = υT, а длина lщ1 = lщ2 = lщ.

Подставив (9.62) и (9.63) в (9.64), получим

	i1	= iя +i			= Tк −t	,
	i
		i	я	−i	t
	2

(9.64)

(9.65)

где i1, i2 – токи по соединительным проводникам, согласно принятому (рис. 9.15, б) направлению тока коммутируемой секции. Решение (9.65) даетзакон изменения тока в коммутирующей секции:

			2t
		−T			(9.66)
	i = iя 1			.
			к

Полученное уравнение (9.66) есть уравнение прямой. Следовательно, при eтр = eM = 0, eк = −eL = 0, rп = rс = 0 в коммутирующей секции ток изменяется пропорционально времени коммутации t (рис. 9.16). Такую коммутацию называют прямолинейной.

Это идеальный случай коммутации характерен тем, что в коммутирующей секции никакого добавочного тока коммутации не возникает и в

любой момент времени плотности то-	+iЯ
ка под обеими частями щеток одина-
ковы. Причин к искрообразованию
							i2
нет, поскольку ни одна часть щеток не
				ii
перегружается током.
				1
Так как сопротивления rc и rп не							i1
равны нулю, а сопротивления щеточ-										−iЯ
ных контактов нелинейны, то прямо-
				t				T −t
линейная коммутация уступает место
криволинейной (пунктирная линия на								T
рис. 9.16).
При ∑e ≠ 0 на основной ток				Рис. 9.16. Прямолинейная
коммутации накладывается добавоч-							коммутация
ный ток
iкд = ∑e/rк,							(9.67)

397

9. Машины постоянного тока

где в соответствии с равенствами (9.64), (9.65)

		T 2			(9.68)
			к
rк = rс + 2 rп +				rщ.
	(T		−t)t
	к

Зависимость сопротивления времени изображена на pис. 9.17,

+iя

i

0

t

а

−iя

Rщ

б 0	Rщ= 4rщ	t
	eL > eк
0		t
в

eL < eк

+iЯ

2

1

0	t
г t =Тк 2	3

T к

Рис. 9.17. Коммутация: 1 – прямолинейная, 2 – замедленная и 3 – ускоренная

короткозамкнутого контура секции от б. Если предположить, что ∑e по абсолютной величине постоянна, то характер зависимости iкд от t при ∑e > 0 и ∑e < 0 имеет вид, изображенный на рис. 9.17, в. При ∑e > 0 ток iкд складывается с основным током коммутации. Получается замедленная коммутация (рис. 9.17, г, кривая 2), при которой изменение тока в начале коммутации происходит медленно и ускоряется к концу.

Величина тока i1 на сбегающем крае щетки в этом случае сохраняется большой вплоть до конца коммутации, вследствие чего и плотность тока jщ1 под этим краем щетки к концу коммутации становится большой. При замедленной коммутации возникают благоприятные условия для искрения под сбегающим краем щетки.

При ∑e < 0 ток iкд имеет обратный знак, и характер изменения токов соответствует кривой 3 на рис. 9.17, г. В этом случае токи i, i1 и i2 изменяются быстро в начале коммутации. Такая коммутация называется ускоренной. Ток i2 и плотность тока jщ2 на набегающем краю щетки уже в начале коммутации становятся большими. При этом существует некоторая тенденция к искрению под набегающим краем щетки. В конце процесса коммутации ток i1 и плотность тока jщ1 на сбегающем краю щетки малы или равны нулю.

398

9. Машины постоянного тока

N

Fяq

N

Г

Д

S

S

Fдп

Рис. 9.18. Действие добавочных полюсов

Таким образом, замедленная коммутация является неблагоприятной

инежелательной, а слегка ускоренная − благоприятной. На практике стремятся достичь именно такой коммутации.

Для создания хороших условий коммутации необходимо прежде всего обеспечить надлежащее состояние коллектора и щеточного аппарата, чтобы устранить механические причины искрения.

Рассмотрим способы обеспечения необходимых электромагнитных условий коммутации, ограничивающих добавочный ток коммутации, что по (9.60) возможно уменьшением ЭДС или увеличением сопротивления цепи коммутируемой секции. Эти способы сводятся к созданию коммутирующей ЭДС с помощью добавочных полюсов или сдвига щеток с геометрической нейтрали, уменьшению реактивной ЭДС (ЭДС самоиндукции

ивзаимоиндукции), увеличению сопротивления щеточных контактов. Основным способом улучшения коммутации в современных маши-

нах постоянного тока является создание коммутирующего магнитного поля спомощьюдобавочныхполюсов.

Добавочные полюсы устанавливают между главными полюсами (рис. 9.18) и крепят болтами к ярму индуктора. МДС добавочных полюсов Fдп должна быть направлена против МДС реакции якоря Fяq, чтобы скомпенсировать ее и создать коммутирующее поле Вк для компенсации реактивной ЭДС еr. При отсутствии компенсационной обмотки Fдп > Fяq, а при наличии ее Fдп + Fко > Fяq. В последнем случае требуемая величина Fдп меньше, так как основная доля реакции якоря компенсируется компенсационной обмоткой.

Обмотки добавочных полюсов включают так, чтобы за главным полюсом данной полярности по направлению вращения якоря в режиме ге-

399

9. Машины постоянного тока

нератора следовал добавочный полюс противоположной полярности, а в режиме двигателя – добавочный полюс той же полярности.

Так как величины Fяq и еr пропорциональны току якоря, то для их компенсации Fдп и Вк также должны быть пропорциональны току якоря. Для этого обмотку добавочных полюсов соединяют последовательно с якорем, а добавочные полюсы выполняют с ненасыщенной магнитной системой. Поэтому при номинальной нагрузке в них допускается индукция не больше 0,8–1,0 Тл. На отдельных участках ярма индуктора магнитные поля главных и добавочных полюсов складываются, поэтому во избежание насыщения этих участков индукция главного поля в ярме должна быть не более 1,3 Тл. Сердечники добавочных полюсов изготовляют массивными из стальной поковки или из листовой стали.

При относительно малом полезном магнитном потоке добавочных полюсов их МДС Fдп приходится брать большой, так как значительная часть Fдп расходуется на компенсацию Fяq. По этой причине коэффициент рассеяния добавочных полюсов велик: σ = 3–5 при отсутствии компенсационной обмотки и σ = 2–3 при наличии ее. Для уменьшения рассеяния обмотку добавочных полюсов размещают ближе к якорю, подразделяя при необходимости воздушный зазор на две части путем создания второго немагнитного зазора между ярмом и сердечником добавочного полюса с помощью немагнитных прокладок.

Добавочные полюсы применяют в машинах мощностью более 0,3 кВт. Обычно число добавочных полюсов равно числу главных. В машинах мощностью до 2 кВт иногда делают половинное число добавочных полюсов.

В машинах мощностью несколько десятков Ватт добавочные полюсы не ставят. Коммутирующее поле при этом можно создать путем сдвига щеток с геометрической нейтрали, благодаря чему в зоне коммутации начинает действовать поле главных полюсов. Чтобы индуктируемая этим полем ЭДС ек в коммутируемой секции имела правильное направление, поле главных полюсов в зоне коммутации должно быть направлено против поля реакции якоря. Для этого в генераторе щетки необходимо повернуть в сторону вращения, а в двигателе − наоборот.

Если поток главных полюсов Фδ изменяется пропорционально току якоря (машины с последовательным возбуждением), то при определенном фиксированном положении щеток можно достичь хороших условий коммутации в широком диапазоне изменения нагрузки. Если же Фδ = const, то наилучшие условия коммутации достигаются только при одной, определенной нагрузке. Установку щеток производят на глаз, наблюдая за искрением.

Снижение величины реактивной ЭДС еr также способствует улучшению коммутации. Численное среднее значение реактивной ЭДС в расчётной практике определяют по формуле Пихельмайера:

400