какие способы улучшения коммутации применяются в машинах постоянного тока

Постоянного тока и способы улучшения коммутации

При работе машины постоянного тока щетки и коллектор образуют скользящий контакт. В результате возникает искрение на коллекторе. Причины искрения разделяют на механические, потенциальные и коммутационные. Механические причины обусловлены нарушением электрического контакта между щеткой и коллектором (слабое прижатие щеток к коллектору, его негладкая поверхность, загрязненность поверхности и т.д.). Потенциальные причины искрения вызваны проявлением реакции якоря. В секциях якорной обмотки ин­дуктируются эдс, которые отличаются друг от друга. Это приводит к увеличению сверх допустимого значения напряжения между соседними коллекторными пластинами (16 – 20 В). Промежутки между коллекторными пластинами перекрываются дугами, которые постепенно сливаются в круговой огонь. Возникает перекрытие коллектора, приводящее к его износу. Коммутационные причины искрения возникают при физических процессах в машине и связаны с переходом секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую. Согласно стандартам искрение на коллекторе оценивается степенью искрения (классом коммутации) под сбегающим краем щетки. Коммутация счи­тается хорошей, если искрение незначительно [2].

Неудовлетворительная коммутация возникает из-за добавочного тока коммутации

, (6.16)

где – реактивная эдс, индуцируемая в коммутирующих секциях за счет взаимной индуктивности и явления самоиндукции секций; – эдс вращения, наводимая в коммутирующих секциях магнитной индукцией в зоне коммутации за счет реакции якоря; – электрическое сопротивление щетки току .

Для улучшения коммутации машины необходимо уменьшить величину добавочного тока коммутации. Это достигается:

— уменьшением реактивной эдс в коммутирующих секциях;

— компенсацией магнитодвижущей силы реакции якоря по геометрической нейтрали и оси полюсов;

— смещением щеток с геометрической нейтрали.

Щетки выбираются в соответствии с рекомендациями завода-изготовителя. От типа щеток, их вольтамперных характеристик зависит скорость протекания коммутационных процессов. Улучшение коммутации определяется также политурой коллектора – тонкой оксидной пленкой на поверхности коллектора, обладающей повышенным электрическим сопротивлением.

Уменьшение реактивной эдс в коммутирующих секциях достигается применением обмоток с укороченным шагом ( ), сокращением числа витков в секциях обмотки якоря, использованием щеток шиной не более чем в 2 – 3 коллекторных деления [2].

Улучшения коммутации по геометрической нейтрали достигается установкой добавочных полюсов (рис. 6.25). Добавочные полюса устанавливаются между главными полюсами в машинах мощностью свыше 1 кВт. Их число равно числу главных полюсов или меньше в 2 раза. Магнитодвижущая сила добавочных полюсов направ­лена против магнитодвижущей силы поперечной реакции якоря . При этом требуется не только компенсация , но и создание коммутирующего поля для компенсации реактивной эдс . Об­мотка добавочных полюсов включается последовательно встречно с обмоткой якоря. Компенсация величин и , зависящих от тока нагрузки, происходит автоматически.

За главным полюсом данной полярности по направлению вра­щения якоря в режиме генератора должен следовать добавочный по­люс противоположной полярности, а в режиме двигателя – добавоч­ный полюс той же полярности (рис. 6.26). Для уменьшения рассеяния обмотку добавоч­ных полюсов размещают как можно ближе к якорю. Добавочные полюсы обеспечивают удовлетворительную коммутацию в машине при нагрузках не превышающих номинальную. При перегрузке машины происходит насыщение магнитной цепи этих полюсов и коммутация ухудшается.

В мощных быстроходных машинах постоянного тока, которые работают в режиме интенсивных нагрузок, применяется компенсационная обмотка (рис. 6.25). Она предназначена для компенсации поля якоря под главными полюсами машины. Компенсационная обмотка расположена на поверхности главных полюсов в па­зах, обращенных к якорю, и включена последовательно встречно с его обмоткой. Магнитное поле главных полюсов машины практически не зависит от ее нагрузки [1].

В машинах до 1кВт без добавочных полюсов улучшение коммутации достигается смещением щеток с геометрической нейтрали по ходу вращения у генератора и против хода вращения у двигателя. Этот способ улучшения коммутации применим в нереверсируемых электрических машинах, работающих с неизменной нагрузкой. Для снижения влияния помех на электрическую сеть из-за коммутации используют проходные конденсаторы.

Процессы коммутации в машинах постоянного тока сложны. Для их исследования применяются теоретический анализ и различные экспериментальные методы [35].

При отклонении коммутации от прямолинейной токи в комму­тируемых секциях создают дополнительную реакцию якоря, которая называется коммутационной. В генераторном режиме при прямолинейной коммутации размагничивающее и подмаг­ничивающее действие коммутируемой секции одинаково (рис. 6.27,а). В среднем за период коммутации эта реакция якоря не проявляется.

При замедленной коммутации (рис. 6.27,б) длительность размагничивающей силы реакции якоря больше длительности намагничивающей реакции якоря. Результирующая коммутационная реакция якоря получается размаг­ничивающей. При ускоренной коммутации (рис. 6.27,в) – коммутационная реакция якоря намагничивающая. В двигательном режиме эти процессы носят обратный характер [1].

Источник

Средства улучшения коммутации в МПТ (машин постоянного тока)

Современные средства улучшения коммутации сводятся, главным образом, к устранению коммутационных и потенциальных причин искрения.

1. Применение добавочных полюсов.

Безыскровая коммутация в машине будет при прямолинейной коммутации и имеет место если i_к=0. Добавочный ток i_к полностью исчезает, если коммутационная ЭДС е_к уравновешивает реактивную ЭДС e_p. Для создания соответствующей e_к в зоне коммутации между главными полюсами устанавливают добавочные полюсы. МДС (магнитодвижущая сила) добавочных полюсов F_к должна быть направлена против МДС реакции якоря F_q, чтобы скомпенсировать ее в зоне коммутации (ЭДС от поля реакции якоря стремится замедлить коммутацию) и создать, сверх того, поле для компенсации реактивной ЭДС e_p. Важно при этом правильно определить полярность добавочных полюсов: в генераторе за главным полюсом должен следовать по направлению вращения добавочный полюс противоположной полярности, а в двигателе наоборот (рис. 1).

Рис.1 — Расположение добавочных полюсов и компенсационной обмотки в машинах постоянного тока

Для того, чтобы компенсация ЭДС e_p и e_ксуществовала при всех значениях тока якоря, обмотка добавочных полюсов соединяется последовательно с якорем, а сердечник этих полюсов делается ненасыщенным. В малых машинах без добавочных полюсов требуемая компенсация может быть достигнута путем некоторого сдвига щеток, а следовательно и коммутационной зоны с геометрической нейтрали: у генераторов – в сторону вращения якоря, у двигателей – против его вращения.

2. Применение компенсационной обмотки.

Для эффективной компенции МДС поперечной реакции якоря и улучшения коммутации в полюсных наконечниках главных полюсов предусматривают устройство пазов, в которые укладывают компенсационную обмотку (рис.1). Эта обмотка включается последовательно в цепь якоря с целью автоматической компенсации F_q при всех нагрузках. Закон распределения МДС компенсационной обмотки в воздушном зазоре имеет вид почти зеркального отображения МДС реакции якоря F_q.

3. Применение твердых сортов щеток.

Некоторое уменьшение тока можно достигнуть увеличением сопротивления контакта щеток R_щ, что осуществляется применением более твердых сортов. В машинах постоянного тока применяют угольно–графитные (УГ), графитные (Г), электрографитированные (ЭГ), медно–графитные (МГ) и бронзо–графитные (БГ) щетки. С целью улучшения коммутации целесообразно применять твердые щетки (УГ, Г, ЭГ), так как они обладают наибольшей величиной переходного сопротивления. Однако допускаемая плотность тока твердых щеток невелика, поэтому их применение ведет к необходимости увеличения площади щеточного контакта, что требует увеличения габаритов коллектора. На судах обычно используются графитные и электрографитированные щетки. Для этих же целей в крупных машинах применяют разрезные щетки, которые обеспечивают, кроме того, и лучший контакт щетки с коллектором.

4. Нормальные условия охлаждения.

Чрезмерный нагрев щеток и коллектора может явиться дополнительной причиной искрения. Кроме того, опыт эксплуатации машин постоянного тока показывает, что безыскровая и длительная работа коллектора наблюдается при образовании на поверхности коллектора устойчивой оксидной пленки, которая образуется только при определенной влажности, температуре и чистоте охлаждающей среды.

Источник

Способы улучшения коммутации в машинах постоянного тока.

Основная причина неудовлетворительной коммутации в машинах постоянного тока – добавочный ток коммутации.

Из перечисленных сопротивлений наибольшее значение имеют сопротивление щетки и переходного контакта.

Из полученного выражения следует, что уменьшить ток i_Д, а следовательно улучшить коммутацию, можно либо увеличением сопротивления Σr_к, либо уменьшением суммарной ЭДС Σе в коммутирующей секции.

Отсюда вытекают способы улучшения коммутации. Рассмотрим некоторые из них.

Выбор щеток. Целесообразно выбирать щетки с большим электрическим сопротивлением. Однако допустимая плотность тока в этих щетках невелика, а поэтому их применение в машинах с большим рабочим током ведет к необходимости увеличения площади щеточного контакта, что требует увеличения длины коллектора, а следовательно и габаритов машины. Поэтому щетки с большим электрическим сопротивлением применяют в машинах с небольшим рабочим током (в высоковольтных машинах).

Увеличению переходного сопротивления щеточного контакта, а следовательно улучшению коммутации, способствует политура коллектора – тонкая оксидная пленка на поверхности коллектора, обладающая повышенным электрическим сопротивлением.

Уменьшение реактивной ЭДС.Существенное влияние насуммарную ЭДС в коммутирующей секции оказывает реактивная ЭДС е_р = е_L+е_М.

1) ЭДСвзаимоиндукции е_М в значительной степени зависит от ширины щетки: чем шире щетка, тем большее число секций под ней одновременно коммутирует, что вызывает увеличение ЭДС взаимоиндукции е_М.

Наиболее целесообразны щетки шириной 2-3 коллекторные пластины. Более узкие щетки нежелательны из-за недостаточной механической прочности, а также потому, что для создания необходимой площади щеточного контакта пришлось бы увеличивать её длину, а следовательно и габариты машины.

При применении обмоток с укороченным шагом (у₁

Источник

Способы улучшения коммутации на коллекторе

Для создания хороших условий коммутации необходимо прежде всего обеспечить надлежащее состояние коллектора и щеточного аппарата, чтобы устранить механические причины искрения. Ниже рассматриваются способы обеспечения необходимых электромагнитных условий коммутации. Эти способы направлены на уменьшение добавочного тока коммутации или тока короткого замыкания коммутируемой секции и сводятся к следующим мероприятиям: 1) созданию коммутирующей электродвижущей силы (э. д. с.) с помощью добавочных полюсов или сдвига щеток с геометрической нейтрали, 2) уменьшению реактивной э. д. с. и 3) увеличению сопротивления цепи коммутируемой секции.

Добавочные полюсы

Основным способом улучшения коммутации в современных машинах постоянного тока является создание коммутирующего магнитного поля с помощью добавочных полюсов.

Добавочные полюсы устанавливаются между главными полюсами (рисунок 1) и крепятся болтами к ярму индуктора. Намагничивающая сила добавочных полюсов F_д.п должна быть направлена против намагничивающей силы реакции якоря F_aq, чтобы скомпенсировать ее и создать сверх того коммутирующее поле B_к для компенсации реактивной э. д. с. e_r. Следовательно, при отсутствии компенсационной обмотки F_д.п > F_aq, а при наличии ее F_д.п + F_к.о > F_aq. В последнем случае требуемое значение F_д.п меньше, так как основная доля реакции якоря компенсируется компенсационной обмоткой.

Рисунок 1. Расположение и полярность добавочных полюсов

Учитывая сказанное, на основании рисунка 1 можно сформулировать правило.

За главным полюсом данной полярности по направлению вращения якоря в режиме генератора должен следовать добавочный полюс противоположной полярности, а в режиме двигателя – добавочный полюс той же полярности.

Так как величины F_aq и e_r пропорциональны току якоря, то для их компенсации F_д.п и B_к также должны быть пропорциональны току якоря. Для удовлетворения этого условия 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 Т. Так как на отдельных участках ярма индуктора магнитные поля главных и добавочных полюсов складываются, то во избежание насыщения этих участков индукция главного поля в ярме должна быть не больше 1,3 Т. Сердечники добавочных полюсов изготавливаются массивными из стальной поковки или листовой стали.

При таком устройстве добавочных полюсов индуктируемая ими коммутирующая э. д. с.

С другой стороны, реактивная э. д. с. Также пропорциональна I_аv_а:

Потому соблюдение условия e_к = e_r при изменении нагрузки и скорости вращения достигается автоматически.

При относительно малом полезном магнитном потоке добавочных полюсов их намагничивающую силу F_д.п приходится брать большой, так как значительная часть F_д.п (75 – 85%) расходуется на компенсацию F_aq. По этой причине коэффициент рассеяния добавочных полюсов велик: σ_д = 3 – 5 при отсутствии компенсационной обмотки и σ_д = 2 – 3 при наличии ее. Если обмотка добавочных полюсов располагается далеко от якоря (рисунок 2, а), то возникает большой поток рассеяния. Для уменьшения рассеяния обмотку добавочных полюсов размещают ближе к якорю (рисунок 2, б), а в крупных машинах, кроме того, подразделяют воздушный зазор на две части путем создания второго немагнитного зазора между ярмом и сердечником добавочного полюса (рисунок 2, б) с помощью немагнитных прокладок (н.п.), например, из меди, дюралюминия или гетинакса.

Рисунок 2. Добавочные полюсы с неподразделенным (а) и подразделенным (б) немагнитным зазором

Добавочные полюсы применяются в машинах с P_н > 0,3 кВт. Обычно число добавочных полюсов берется равным числу главных, однако в машинах мощностью до 2 – 2,5 кВт иногда делают половинное число добавочных полюсов. Применение добавочных полюсов позволяет увеличить линейную нагрузку машины и тем самым уменьшить ее размеры и стоимость.

Коммутация создает электромагнитные колебания частотой 1000 – 3000 Гц, которые распространяются по электрической сети, присоединенной к машине. Эти колебания вызывают радиопомехи, затрудняющие работу радиоприемной и другой радиотехнической аппаратуры. Для борьбы с этими помехами производят симметрирование цепи якоря машины, то есть обмотки, включенные последовательно с якорем, в том числе и обмотку добавочных полюсов, разбивают на две части, которые присоединяют к щеткам противоположной полярности (рисунок 3). Кроме того, между щетками разных полярностей и корпусом машины присоединяют конденсаторы для шунтирования высокочастотных колебаний на зажимах машины.

Рисунок 3. Подавление радиопомех

Улучшение коммутации путем сдвига щеток

В машинах мощностью до нескольких сотен ватт добавочных полюсов не ставят. Коммутирующее поле при этом можно создать путем сдвига щеток с геометрической нейтрали, благодаря чему в зоне коммутации начнет действовать поле главных полюсов (рисунок 4). Чтобы индуктируемая этим полем в коммутируемой секции э. д. с. e_к имела правильное направление, поле главных полюсов в зоне коммутации должно быть направлено против поля реакции якоря.

Рисунок 4. Улучшение коммутации путем сдвига щеток с геометрической нейтрали

Для этого в генераторе щетки необходимо повернуть в сторону вращения, а в двигателе – наоборот (рисунок 4).

Если поток главных полюсов Ф_σ 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 Ф_σ = const, то наилучшие условия коммутации достигаются только при одной, определенной нагрузке.

Установку щеток производят на глаз, наблюдая за искрением.

Уменьшение реактивной э. д. с.

Для обеспечения хорошей коммутации необходимо, чтобы e_r ≤ 7 – 12 В.

Зависимость e_r от различных величин очевидна из равенства:

При этом надо отметить, что уменьшение линейной токовой нагрузки якоря A_а нецелесообразно с точки зрения использования материалов, а величины v_а = π × D_а × n и l_σ определяются номинальной мощностью машины. Следовательно, ограничение e_r зависит от возможностей уменьшения w_с и ξ.

В машинах мощностью более 50 кВт всегда w_с = 1.

Уменьшение ξ возможно за счет ослабления взаимной индукции между коммутируемыми секциями, что достигается укорочением шага на величину не более одного зубцового деления и применением ступенчатой обмотки. В последнем случае взаимоиндуктивная связь между секциями ослабляется вследствие того, что если верхние стороны u_п секций находятся в одном пазу, то их нижние стороны располагаются в разных пазах (рисунок 5, б).

Рисунок 5. Укладка секций равносекционной (а) и ступенчатой (б) обмоток при u_п = 2

Определенное снижение ξ получается также, если увеличивать высоту сечения проводника в пазу якоря. В этом случае вследствие эффекта вытеснения тока во время коммутации уменьшается индуктивность проводника и секции.

В петлевых обмотках при отсутствии уравнителей первого рода токи отдельных параллельных ветвей различны и поэтому различны также реактивные э. д. с. секций, коммутируемых различными щетками, и намагничивающие силы реакции якоря в зонах различных добавочных полюсов. Однако намагничивающие силы всех добавочных полюсов равны, так как они определяются полным током якоря. Вследствие сказанного равновесие между реактивной и коммутирующей э. д. с. нарушается и наступает расстройство коммутации. При наличии уравнителей первого рода указанные неблагоприятные обстоятельства устраняются.

Перспективно применение машин постоянного тока с беспазовым якорем, в которых обмотка якоря укладывается и укрепляется на поверхности цилиндрического якоря. В этом случае потоки рассеяния (рисунок 6) ослабляются, и поэтому реактивная э. д. с. значительно уменьшается. Уменьшается также реакция якоря. Такие машины имеют тот недостаток, что немагнитный зазор между полюсами и якорем увеличивается и требуется значительно более сильная обмотка возбуждения.

Рисунок 6. Магнитные потоки рассеяния секции

Увеличение сопротивления цепи коммутируемой секции

в принципе возможно за счет выполнения «петушков» с повышенным сопротивлением. Однако это приводит к уменьшению коэффициента полезного действия (к. п. д.) машины, а также к увеличению плотности тока у сбегающего края щетки (рисунок 7, б). Кроме того, такие «петушки» ненадежны в работе.

Существенным является подбор щеток с надлежащими характеристиками. При тяжелых условиях коммутации лучше работают твердые графитные щетки с повышенным переходным сопротивлением переходного контакта, однако при этом электрические потери в переходном контакте и механические потери на трение также больше. Щетки с круто поднимающейся вольт-амперной характеристикой благоприятны с точки зрения уменьшения плотности тока на сбегающем краю щетки и способствуют улучшению коммутации. Медно-графитные щетки, обладающие малым переходным сопротивлением, применяются только в машинах на напряжение до 25 – 30 В.

Для улучшения коммутации предложен ряд других мер, которые, однако, не находят широкого применения.

Улучшение коммутаций при переходных режимах и пульсирующем токе

Выше основное внимание уделялось коммутации при нормальных установившихся режимах работы. При резких переходных режимах (толчкообразная и пульсирующая нагрузка, сильные перегрузки, короткие замыкания и т. п.), а также при питании машин постоянного тока, в особенности от однофазной сети (например, железные дороги, электрифицированные на переменном токе), условия коммутации ухудшаются.

Одной из причин ухудшения коммутации при указанных условиях может являться наличие трансформаторной э. д. с. e_тр, которая возникает при изменении магнитного потока главных полюсов. Компенсация этой э. д. с. с помощью добавочных полюсов практически невозможна, так как закономерности изменения e_тр и e_к различны. В частности, e_тр вовсе не зависит от скорости вращения. Поэтому в необходимых случаях принимают меры к уменьшению e_тр. Например, в тяговых двигателях постоянного тока, устанавливаемых на электровозах переменного тока с выпрямителями, обмотки возбуждения главных полюсов шунтируются активными сопротивлениями. Вследствие большой индуктивности обмотки возбуждения пульсирующая составляющая выпрямленного тока при этом будет ответвляться в шунтирующее сопротивление и поток главных полюсов не будет содержать этой составляющей.

При быстрых изменениях тока в цепи якоря поток добавочных полюсов вследствие возникновения вихревых токов в массивной магнитной цепи и создаваемых ими магнитных потоков не будет изменяться пропорционально току якоря и компенсация реактивной э. д. с. нарушится. Улучшить коммутацию при этом можно с помощью индуктивной катушки, присоединяемой параллельно обмотке добавочных полюсов. Если постоянная времени

индуктивной катушки значительно больше постоянной времени обмотки добавочных полюсов, то ток в этой катушке будет меняться весьма медленно по сравнению с током в обмотке добавочных полюсов. Поэтому резкие изменения тока якоря ΔI воспринимаются этой обмоткой, и так как через нее проходит только часть полного тока якоря, то относительное изменение тока в обмотке добавочных полюсов будет больше, чем в обмотке якоря. Такая «форсировка» тока обмотки добавочного полюса позволяет добиться более быстрого изменения его магнитного потока и тем самым компенсировать в определенной мере влияние вихревых токов в магнитопроводе. Однако наиболее эффективной мерой улучшения коммутации в машинах с резко изменяющейся нагрузкой или при сильных пульсациях питающего тока является изготовление сердечников добавочных полюсов, а также ярма машины из листовой электротехнической стали.

Эффективной мерой улучшения коммутации при резко переменной нагрузке является также применение компенсационной обмотки, которая предотвращает опасность возникновения кругового огня, а также улучшает условия действия добавочных полюсов.

При значительных перегрузках машины, а в особенности при коротких замыканиях. сердечники добавочных полюсов насыщаются прежде всего за счет больших потоков рассеяния. В этом случае с помощью добавочных полюсов уже нельзя обеспечить компенсацию реактивной э. д. с. и коммутация сильно ухудшается. При наличии компенсационной обмотки поток рассеяния добавочных полюсов значительно уменьшается, в результате чего область их правильного действия увеличивается.

Источник: Вольдек А.И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.

Источник