Способы улучшения коммутации

Для создания хороших условий коммутации необходимо прежде всего обеспечить надлежащее состояние коллектора и щеточного аппарата, чтобы устранить механические причины искрения (см. § 6-2). 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 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 (рис. 6-12) и крепятся болтами к ярму индуктора. Н. с. добавочных полюсов F_x_ _п должна быть направлена против н. с. реакции

якоря F_ад, чтобы скомпенсировать ее и создать сверх того коммутирующее поле В_к для компенсации реактивной э. д. с. е_г. Следовательно, при отсутствии компенсационной обмотки Р_{я п} > F_ag, а при наличии ее Р_ЛшП + F_K0 > F_aq. В последнем случае требуемая величина F'_{x- п} меньше, так как основная доля реакции якоря компенсируется компенсационной обмоткой.

Учитывая сказанное, на основании рис. 6-12 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 е_г пропорциональны току якоря, то для их компенсации f _д „ н В_к также должны быть пропорциональны току якоря. Для удовлетворения этого условия обмотку добавочных полюсов соединяют последовательно с якорем, а добавочные

Рис. 6-12. Расположение и полярность добавочных полюсов

полюсы выполняют с ненасыщенной магнитной системой. Поэтому при номинальной нагрузке в них допускается индукция не больше 0,8—1,0 шл. 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 гпл. Сердечники добавочных полюсов изготовляются массивными из стальной поковки или из листовой стали.

Рис. 6-13. Добавочные полюсы с неподразделенным (а) и подразделенным (б) немагнитным зазором

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

С другой стороны, реактивная э. д. с. та"кже пропорциональна

Поэтому соблюдение условия е_к = е_г при изменении нагрузки и скорости вращения достигается автоматически.

При относительно малом полезном магнитном потоке добавочных полюсов их н. с. F_{K п} приходится брать большой, так как значительная часть Р_л__п (75—85%) расходуется на компенсацию F_aq. По этой причине коэффициент рассеяния добавочных полюсов велик: а_д = 3 -f- 5 при отсутствии компенсационной обмотки и Од = 2 -т- 3 при наличии ее. Если обмотка добавочных полюсов располагается далеко от якоря (рис. 6-13, а), то возникает большой поток рассеяния. Для уменьшения рассеяния обмотку добавочных полюсов-размещают ближе к якорю (рис. 6-13, б), а в крупных машинах, кроме того, подразделяют воздушный зазор на две части путем создания второго немагнитного зазора между ярмом и сердечником добавочного полюса (рис. 6-13, б) с помощью немагнитных прокладок н. п., например, из меди или дюралюминия.

Добавочные полюсы применяются в машинах с Р_н > 0,3 кет. Обычно число добавочных полюсов берется равным числу главных, однако в машинах мощностью до 2—2,5 кет 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, т. е. обмотки, включенные последовательно с якорем, в том числе и обмотку добавочных полюсов, разбивают на две части, которые присоединяют к щеткам противоположной полярности (рис. 6-14). Кроме того, между щетками разных полярностей и корпусом машины присоединяют конденсаторы для шунтирования высокочастотных колебаний Рис 6-14 Подавление радио- на зажимах машины.

помех Н. с. добавочного полюса. При-

равняв равенства (6-22) и (6-28), найдем величину В_к — Вк, необходимую для осуществления прямолинейной коммутации:

В^ = Ы_а- (6-32)

Если А_а = (3 -г- 5) -10⁴ а/м и I = (5 -г- 8) -Ю"⁸ гн/м, то В'_к = = 0,15 -f- 0,40 тл.

Для обеспечения несколько ускоренной коммутации необходима определенная дополнительная составляющая В'к, так что

В_к = Вк + Як. (6-33)

Ускоренная коммутация характеризуется тем, что плотность тока /_{щ н} и соответственно падение напряжения в скользящем контакте А^/_щ н У набегающего края щетки больше, чем соответствующие величины /_{щ с} и Л£/_{щ с} у сбегающего края щетки. Для осуществления ускоренной коммутации берут при графитных щетках Л£/_щ „ — А17_{Щ с} = 1,0 -f- 1,5 в и при медных щетках Л£/_щ „ — — Д£/_{щ с} = 0,35 -f- 0,65 е. Соответственно на такую же величину необходимо увеличить коммутирующую э. д. с. в контуре, замыкаемом накоротко краями щетки.

В общем случае щетка перекрывает |3_К пластин и при простой петлевой обмотке замыкает столько же секций. Однако в общем случае m-ходовой сложной петлевой обмотки число последова-

Добавочный полюс должен создавать коммутирующее поле на протяжении всей ширины зоны коммутации, причем к краям этой зоны величина В_к должна спадать в соответствии с формой кривой е_г паза (см. рис. 6-11, ж). Зазор б_д обычно в 1,5—2,0 раза больше зазора 6 под главными полюсами. Ширина наконечника добавочного полюса при этом составляет

Ь_рл = (0,4 4-0,80) Ь_{3ш к}.

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 начинает действовать поле главных полюсов (рис. 6-15). Чтобы индуктируемая этим полем в коммутируемой секции э. д. с. е_к имела правильное направление, поле главных полюсов в зоне коммутации должно быть направлено против поля реакции якоря. Для этого в генераторе щетки необхрдимо повернуть в сторону вращения, а в двигателе — наоборот (рис. 6-15).

Если поток главных полюсов Фа изменяется пропорционально току якоря (машины с последовательным возбуждением, см. § 9-5 и 10-5), то при определенном, фиксированном положении щеток можно достичь хороших условий коммутации в широком диапазоне изменения нагрузки. Если же Фб = const, то наилучшие условия коммутации достигаются только при одной, определенной нагрузке.

Установку щеток производят на глаз, наблюдая за их искрением. Уменьшение реактивной э. д. с. Как уже указывалось выше, для обеспечения хорошей коммутации необходимо, чтобы е; ^ < 7 ч- 12 в.

Зависимость е_г от различных величин очевидна из равенства (6-28). При этом надо отметить, что уменьшение А_а нецелесообразно с точки зрения использования материалов, а величины v_a = nD_ati и /₆ определяются номинальной мощностью машины. Следовательно, ограничение е_г зависит от возможностей уменьшения w_c и |. В машинах мощностью более 50 кет всегда w_c = 1. Уменьшение g возможно за счет ослабления взаимной индукции между коммутируемыми секциями, что достигается укорочением шага на величину не более одного зубцового деления и применением ступенчатой обмотки (см. § 3-1). В последнем случае взаимоиндуктивная связь между секциями ослабляется вследствие того, что если

Рис. 6-15. Улучшение коммутации путем сдвига щеток с геометрической нейтрали

верхние стороны и_п секций находятся в одном пазу, то их нижние стороны располагаются в разных пазах (см. рис. 3-5, б).

Для уменьшения е_г в петлевых обмотках выбирают также отношение К/р 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 | приводит также уменьшение отношения глубины паза к его ширине и увеличение коэффициента щеточного перекрытия р_к, поскольку в последнем случае знаменатель (6-27) растет быстрее числителя.

Определенное снижение £ 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 н. с. реакции якоря в зонах различных добавочных полюсов. Однако н. с. 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 (см. рис. 6-9) ослабляются, и поэтому реактивная э. д. с. значительно уменьшается. Уменьшается также реакция якоря. Такие машины имеют тот недостаток, что величина немагнитного зазора между полюсами и якорем увеличивается и требуется значительно более сильная обмотка возбуждения.

Увеличение сопротивления цепи коммутируемой секции в принципе возможно за счет выполнения «петушков» с повышенным сопротивлением. Однако это приводит к уменьшению к. п. д. машины, а также к увеличению плотности тока у сбегающего края щетки (см. рис. 6-5, 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 также ряд других мер, которые, однако, не находят широкого применения.

Улучшение коммутации 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 через выпрямители от сети переменного 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. е_тр (см. § 6-4), которая возникает при изменении магнитного потока главных полюсов. Компенсация этой з. д. с. с помощью добавочных полюсов практически невозможна, так как закономерности изменения е_тр и е_к различны. В частности, е_тр вовсе не зависит от скорости вращения. Поэтому в необходимых случаях принимают меры к уменьшению е_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 цеди 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

■* и. к ⁼⁼ L^Yi.vfia.. 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 А/ 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 маг-нитопроводе. 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 [311.

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 добавочные полосы уже не в состоянии компенсировать реактивную э. д. с. и коммутация сильно нарушается. При наличии компенсационной обмотки поток рассеяния добавочных полюсов значительно уменьшается, в результате чего область их правильного действия увеличивается.

Дата добавления: 2015-07-18