СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА КОММУТАЦИИ. ПРИЧИНЫ ИСКРЕНИЯ И ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ИСКРЕНИЯ

СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА КОММУТАЦИИ. ПРИЧИНЫ ИСКРЕНИЯ И ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ИСКРЕНИЯ

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  находится в нижней параллельной ветви, при этом ток ветви протекает по секции в направлении от ее начала к концу. Через некоторое время якорь повернется и секция 1 окажется в верхней параллельной ветви . При этом ток будет уже проходить по секции в обратном направлении, т. е. от ее конца к началу.

Большую часть времени, соответствующего одному обороту якоря, ток секции равен току параллельной ветви. Однако поскольку секция, перемещаясь под полюсами, попадает то в одну, то в другую параллельную ветвь, направление тока в ней периодически меняется. 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 Т_к. 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. Секция, накоротко замкнутая щетками, называется коммутируемой.

Качество коммутации оценивается степенью искрения под сбегающим краем щетки, т.е. под тем краем щетки из под которого  выходят пластины коллектора. Оценка искрения производится визуально.

Существуют следующие степени искрения:

- Степень 1характеризуется отсутствием искрения (темная коммутация)

- степень 1 - наблюдается точечное искрение под небольшим краем щетки

При этих степенях на коллекторе отсутствует почернение, а на щетках нет нагара

- степень 1 - наблюдается слабое искрение под большей частью щетки. На коллекторе появляется легкое почернение, которое устраняется протиранием поверхности коллектора ветошью, смоченной бензином. На щетках появляются следы нагара.

Эти 3 степени допускаются при длительной работе машины.

- степень 2 – происходит искрение под всем краем щетки. На коллекторе появляется почернение, которое не устраняется протиранием бензином. На щетках появляется нагар. Эта степень искрения допускается только при кратковременной работе

- степень 3- происходит значительное искрение под всем краем щетки с наличием крупных вылетающих искр. На коллекторе появляется значительное почернение, на щетках сильный нагар и разрушение щеток. Допускается только для моментов прямого пуска или реверсирования, если при этом коллектор и щетки остаются пригодными для работы

Причины искрения можно разделить на механические, электромагнитные и потенциальные.

Механические причины связаны с некачественным изготовлением коллектора и щеточного аппарата: неровная поверхность коллектора, заедание и вибрация щеток в щеткодержателе, биение коллектора и т.д. Поэтому при изготовлении машины предъявляют жесткие требования к обработке поверхности коллектора и изготовлению щеточного узла.

Электромагнитная причина является основной и связана с протеканием электромагнитных процессов в секциях. Сущность этих процессов заключается в том, что при коммутации, когда секция замкнута щетками, в ней происходит изменение направления тока. Т.к. секция имеет определенную индуктивность, то в ней будет наводиться ЭДС самоиндукции. С другой стороны, ширина щетки обычно больше ширины коллекторной пластины и она захватывает рядом расположенные секции, которые при этом имеют электромагнитную связь с рассматриваемой секцией. Поэтому в каждой из этих секций наводится ЭДС взаимоиндукции. В результате в коммутируемой секции наводится ЭДС = сумме этих ЭДС. Эта ЭДС называется реактивной е_р. Она стремится задержать изменение тока в коммутируемой секции и ее направление совпадает с направлением тока в секции до коммутации.

Кроме реактивной в коммутируемой секции наводится ЭДС от внешнего поля. Внешнее поле создается или поперечным полем реакции якоря или дополнительными полюсами. При вращении якоря в этом поле в этом поле в коммутируемой секции индуктируется ЭДС вращения е_вр. Эта ЭДС может иметь согласное или встречное направление с реактивной ЭДС.

Т.о. в коммутируемой секции создается результирующая ЭДС е= е_р е_вр. Эта ЭДС создает добавочный ток коммутации i_д. Если в момент коммутации, когда секция выходит из- под щетки, ток i_д не достигнет нулевого значения, то происходит разрыв этого тока. При этом запасенная в контуре энергия освобождается и вызывает искрение.

Причиной появления потенциального искрения является повышение напряжения между соседними коллекторными пластинами. При неблагоприятных условиях оно может привести к аварийному явлению: круговому огню. Круговой огонь возникает при большой мощности машины. Круговой огонь представляет собой мощную дугу между коллектором и щетками разной полярности. При этом происходит короткое замыкание машины: ток резко возрастает, что приводит к повреждению коллектора и выводу машины из строя

. ВИДЫ КОММУТАЦИИ. СПОСОБЫ УЛУЧШЕНИЕ КОММУТАЦИИ

Различают 3 вида коммутации

1) прямолинейная коммутация. Происходит, если е=0. Для этого е_р в любой момент времени должна быть скомпенсирована ЭДС е_вр . Такое магнитное поле создается дополнительными полюсами. Изменение тока при этом происходит по линейному закону и поэтому коммутация называется прямолинейной

2) замедленная коммутация происходит когда  е_р е_вр, а также когда е_вр совпадает по направлению с е_вр. Такая коммутация происходит при отсутствии дополнительных полюсов, когда при этом щетки установлены на геометрической нейтрале.

При замедленной коммутации реактивная ЭДС компенсируется не полностью (е_р- е_вр0). Эта остаточная ЭДС вызывает дополнительный ток, который стремится задержать изменение тока в коммутируемой секции. Поэтому ток в секции изменяется медленно и в момент выхода из под щетки дополнительный ток не равен 0. Происходит разрыв тока и возникает искрение. Дополнительный ток называется током разрыва. Чем больше ток разрыва, тем сильнее искрение. Поэтому замедленный характер коммутации стараются избегать

3) ускоренная коммутация происходит, если  е_вр е_р т.е. (е_р- е_вр0). Такое поле наблюдается в машинах с сильными дополнительными полюсами. При этом также возникает дополнительный ток, но он направлен в противоположную сторону, чем при замедленной коммутации. Поэтому ток в коммутируемой секции изменяется быстрее, чем при прямолинейной коммутации. Но при сильно ускоренной коммутации возможно появление тока разрыва. Поэтому такая коммутация также нежелательна. Однако некоторое ускорение коммутации возможно. Это возможно, если дополнительный ток становится равным току активной ветви до завершения коммутации. Тогда в момент коммутации ток разрыва =0 и вероятность искрения уменьшается.

Существует 2 способа улучшения коммутации:

1)уменьшением суммарной ЭДС

2)увеличением сопротивления коммутируемой секции.

 В обоих случаях происходит уменьшение дополнительного тока и снижение искрения (i_д=е/r_щ)

Улучшение коммутации путем увеличения сопротивления коммутируемой секции происходит за счет изменения сопротивления щеток. Сопротивление секции состоит из сопротивления самой секции, сопротивления проводников, соединяющих секцию с коллектором и переходным сопротивлением щеточного контакта. Первые 2 сопротивления незначительны и их можно не учитывать. Поэтому уменьшение тока достигается увеличением сопротивления щеток. Для этого применяют щетки с повышенным значением переходного сопротивления, которые выполняются из графита с примесями. Электрические свойства щеточного контакта определяются переходным падением напряжения ΔU_щ. Чем тяжелее условия пуска, тем большее значение  ΔU_щ выбирается. Металлические щетки имеют малое переходное напряжение и поэтому в машинах ПТ не применяются. Но с увеличением ΔU_щ возрастают эл. потери в щеточном контакте, что ведет к снижению КПД. Поэтому применение щеток с необоснованно большим переходным падением напряжения нежелательно. Подбор щеток производят на заводе- изготовителе при настройке коммутации.

Улучшение коммутации путем снижения суммарной ЭДС можно произвести или снижением реактивной ЭДС, или созданием коммутирующего поля.

Улучшение коммутации снижением реактивной ЭДС применяют для машин не имеющих дополнительных полюсов. Существует несколько способов

1) уменьшение числа витков в секции. При этом необходимо увеличить число секций

2) уменьшение длины якоря, увеличив при этом его диаметр

3) уменьшением частоты вращения машины за счет увеличения ее мощности

Все эти способы учитываются при проектировании машины

Для улучшения коммутации созданием коммутирующего поля необходимо произвести компенсацию реактивной ЭДС, т.е. создать такое поле, в котором

е_вр  ≥   е_р и имела бы противоположное направление. Такое поле называется коммутирующим. Получить такое поле можно 2 способами:

1)сдвигом щеток с геометрической  нейтрали

2) с помощью дополнительных полюсов

При первом способе щетки сдвигают т.о., чтобы коммутируемые секции располагались в зоне главных полюсов. Чтобы  е_вр  была направлена навстречу    е_р у генератора щетки сдвигают с геометрической нейтрали по направлению вращения якоря, а у двигателей- против вращения. Угол сдвига определяют визуально до прекращения искрения при определенном неизменном значении тока якоря.

Недостатки способа:

1. компенсацию реактивной ЭДС можно получить только для одного значения тока якоря. При изменении значения тока пропорционально ему изменяется значение ЭДС и компенсации не будет

2. Этот способ не применяется для машин работающих с переменной частотой вращения

Наиболее часто применяется создание коммутирующего поля с помощью дополнительных полюсов. Эти полюса располагаются между основными по линиям геометрической нейтрали. Обычно число дополнительных полюсов равно главным.

Магнитное поле дополнительных полюсов создается катушками, расположенными на сердечниках. Катушки соединяются между собой, образуя обмотку возбуждения дополнительных полюсов. Полярность дополнительных полюсов выбирается т.о., чтобы его ЭДС была направлена навстречу реактивной ЭДС.

Чтобы компенсация происходила при любых значениях тока обмотка доп. полюсов включается последовательно с обмоткой якоря.

Краткое описание документа:

СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА КОММУТАЦИИ. ПРИЧИНЫ ИСКРЕНИЯ И ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ИСКРЕНИЯ

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.