Способы улучшения коммутации на коллекторе

опубликовано: .

     СОДЕРЖАНИЕ:

  1. Добавочные полюсы.
  2. Улучшение коммутации путем сдвига щеток.
  3. Уменьшение реактивной э. д. с.
  4. Увеличение сопротивления цепи коммутируемой секции.
  5. Улучшение коммутаций при переходных режимах и пульсирующем токе.

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 Fд.п должна быть направлена против намагничивающей силы реакции якоря Faq, чтобы скомпенсировать ее и создать сверх того коммутирующее поле Bк для компенсации реактивной э. д. с. er. Следовательно, при отсутствии компенсационной обмотки Fд.п > Faq, а при наличии ее Fд.п + Fк.о > Faq. В последнем случае требуемое значение Fд.п меньше, так как основная доля реакции якоря компенсируется компенсационной обмоткой.

Способы улучшения коммутации

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 Faq и er пропорциональны току якоря, то для их компенсации Fд.п и Bк 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.

eк ~ Bкvа ~ Iаvа.

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

er ~ Iаvа.

Потому соблюдение условия eк = er при изменении нагрузки и скорости вращения достигается автоматически.

При относительно малом полезном магнитном потоке добавочных полюсов их намагничивающую силу Fд.п приходится брать большой, так как значительная часть Fд.п (75 – 85%) расходуется на компенсацию Faq. По этой причине коэффициент рассеяния добавочных полюсов велик: σд = 3 – 5 при отсутствии компенсационной обмотки и σд = 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.

Добавочные полюсы

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

Добавочные полюсы применяются в машинах с Pн > 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.

Улучшение коммутации

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. eк имела правильное направление, поле главных полюсов в зоне коммутации должно быть направлено против поля реакции якоря.

Улучшение коммутации путем сдвига щеток

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 Фσ 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 Фσ = 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 er ≤ 7 – 12 В.

Зависимость er от различных величин очевидна из равенства:

er = 2 × ξ × wс × lσ × Aа × vа,

где: ξ – магнитная проводимость якоря, Г/м. В малых и средних машинах, а также в крупных тихоходных машинах с малой длиной якоря ξ = (5 – 8) × 10-6 Г/м, а в крупных машинах с большой длиной якоря и в крупных быстроходных машинах ξ = (3,5 – 5) × 10-6 Г/м; wс – число витков секции; lσ – расчетная длина якоря, м; Aа – линейная токовая нагрузка якоря, А/м; vа – окружная скорость якоря, м/с.

При этом надо отметить, что уменьшение линейной токовой нагрузки якоря Aа нецелесообразно с точки зрения использования материалов, а величины vа = π × Dа × n и lσ определяются номинальной мощностью машины. Следовательно, ограничение er зависит от возможностей уменьшения wс и ξ.

В машинах мощностью более 50 кВт всегда wс = 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 uп секций находятся в одном пазу, то их нижние стороны располагаются в разных пазах (рисунок 5, б).

Уменьшение реактивной ЭДС

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

Для уменьшения er в петлевых обмотках выбирают также отношение K/p равным нечетному числу, так как при этом секции, охватывающие соседние полюсы, коммутируются со сдвигом на время поворота коллектора на половину коллекторного деления и взаимная индукция соответственно ослабляется. К уменьшению ξ приводит также уменьшение отношения глубины паза к его ширине и увеличение коэффициента щеточного перекрытия βк, поскольку в последнем случае знаменатель выражения ξ = (ΛL + ΛM) / (βк - (a/p - 1)) растет быстрее числителя. Здесь ΛM – средняя суммарная проводимость для потоков взаимной индукции, ΛL – проводимость секции на единицу длины якоря.

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.

Создание хороших условий коммутации

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.

Увеличение сопротивления цепи коммутируемой секции

Рисунок 7. Прямолинейная (а) и криволинейная (б) коммутация сопротивлением

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. eтр, которая возникает при изменении магнитного потока главных полюсов. Компенсация этой э. д. с. с помощью добавочных полюсов практически невозможна, так как закономерности изменения eтр и eк различны. В частности, eтр вовсе не зависит от скорости вращения. Поэтому в необходимых случаях принимают меры к уменьшению eтр. 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

Tи.к = Lи.к / rи.к

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.

5 1 1 1 1 1 Рейтинг 5.00 (1 Голос)