Коммутация машин постоянного тока

Искрение на коллекторе

При работе машины постоянного тока в скользящем контакте между щетками и коллектором происходит, как правило, искрение. С практической точки зрения важно, чтобы работа скользящего контакта щетки происходила без значительного искрения у контактных поверхностей щеток, так как подобное искрение разрушает поверхность коллектора и щеток и ограничивает срок службы машины.

Причины, вызывающие искрение на коллекторе и под щетками, можно объединить в три группы: электромагнитного, потенциального и механического характера. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что в действительности процессы, происходящие в щеточных контактах, имеют достаточно сложную физико-химическую природу, и поэтому выделение и исследование какого-либо одного фактора оказывается практически невозможным.

К возможным причинам электромагнитного характера относятся: значительная плотность тока под щетками; напряжение размыкания между краем щетки и сбегающим краем коллекторной пластины, обусловленное запасом электромагнитной энергии секции; результирующая ЭДС, действующая в контуре коммутируемой секции; электрическая мощность, выделяющаяся в переходном сопротивлении щеточного контакта.

Большое влияние на искрение оказывает распределение потенциала по коллектору и, в частности, наибольшее возможное напряжение между соседними коллекторными пластинами , которое наиболее резко проявляется в машинах без компенсационной обмотки. Это причины потенциального характера.

Механические причины искрения большей частью связаны с нарушением электрического контакта между щетками и коллектором. Такие нарушения вызываются: неровностью поверхности коллектора; плохой пришлифовкой щеток к коллектору; боем коллектора, если он превышает 0,2…0,3 мм; выступанием отдельных коллекторных пластин и выступанием слюды между ними; заеданием щеток в щеткодержателях (тугая посадка); вибрацией щеток (нежесткость токосъемного аппарата, плохая балансировка машины, слишком свободное расположение щеток в щеткодержателях с зазором более 0,2…0,3 мм; слишком большое расстояние между коробкой щеткодержателя и коллектором, превышающее 2…3 мм и т. д.).

Искрение под щетками вызывает появление в коммутируемых секциях обмотки якоря токов высокой частоты. По отношению к этим токам обмотку якоря можно рассматривать как своеобразную антенну, причем возникающее электромагнитное излучение создает помехи радиоприему и работе радиоэлектронной аппаратуры. Для снижения электромагнитного излучения применяют экранирование электрических машин постоянного тока, где в качестве экрана используется заземленный корпус. Окна в подшипниковых щитах закрываются металлической сеткой, соединяемой с заземленным корпусом машины.

Для подавления радиопомех, проникающих в электросети, применяют симметрирование обмоток и фильтры. Симметрирование состоит в том, что каждую обмотку, включаемую последовательно в цепь якоря (обмотку последовательного возбуждения, обмотку добавочных полюсов, компенсационную обмотку), разделяют на две равные части и присоединяют симметрично к обмотке якоря, подключая к щеткам разной полярности. В качестве фильтров используют конденсаторы, включаемые между каждым проводом и заземленным корпусом. Конденсаторы фильтров размещают в коробке выводов машины.

Понятие коммутации

Вращение якоря сопровождается переходом секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую. На рис. 4.1 представлено три последовательных момента времени взаимного расположения вращающегося якоря с обмоткой и коллектором относительно неподвижных полюсов и щеток. На рис. 4.1, а параллельные ветви обмотки якоря образованы секциями 1–2–3–4 и 5–6–7–8. На рис. 4.1, в зафиксирован момент времени, соответствующий повороту якоря на одну восьмую оборота. Видно, что изменился состав параллельных ветвей обмотки. Для этого момента времени в параллельные ветви входят секции 8–1–2–3 и 4–5–6–7. Это значит, что секция 4 перешла из верхней параллельной ветви в нижнюю, а секция 8 наоборот – из нижней в верхнюю. Момент перехода секций 4 и 8 из одной параллельной ветви в другую зафиксирован на рис. 4.1, б. Этот переход сопровождается изменением на противоположное направления ЭДС, индуцированных потоком возбуждения в секциях 4 и 8. При работе машины под нагрузкой меняется также и направление тока в секциях 4 и 8.

Как видно из рис.4.1, б секции 4 и 8 в процессе перехода из одной параллельной ветви в другую оказываются замкнутыми накоротко через щетки, которые соприкасаются с коллекторными пластинами, соединенными с этими секциями.

Рис. 4.1

Совокупность электромагнитных процессов, происходящих в секциях обмотки якоря, переходящих из одной параллельной ветви обмотки якоря в другую и замкнутых при этом накоротко щетками, называется коммутацией.

Секции, в которых происходит процесс коммутации, называются коммутируемыми. Время, в течение которого секция замкнута накоротко и переходит из одной параллельной ветки в другую, называется периодом коммутации и обозначается Т. Длительность периода коммутации зависит от линейной скорости вращения коллектора и ширины щетки (в простых обмотках ширина щетки принимается равной ширине коллекторного деления). И тогда период коммутации:

Т = . (4.1)

В современных машинах постоянного тока, в том числе и корабельных, Т = 0,0001…0,001 с. При таких малых значениях времени скорость изменения тока в коммутируемых секциях оказывается достаточно высокой.

На рис. 4.2 представлен график изменения тока секции обмотки якоря при переходе ее из одной параллельной ветви в другую. Ток в секции обмотки якоря в течение полуоборота (для двухполюсной машины) остается

Рис.4.2

неизменным по силе, а после перехода секции в другую параллельную ветвь изменяет свое направление. Это изменение направления тока в коммутируемой секции происходит за время периода коммутации Т.

Уравнение коммутации

На рис. 4.3 представлены три фрагмента, соответствующие рис. 4.1 и характеризующие процесс коммутации. Рис. 4.3, а соответствует началу коммутации (щетка касается только одной коллекторной пластины 1); рис. 4.3, б определяет процесс коммутации (та же самая щетка касается одновременно двух коллекторных пластин) и рис. 4.3, в завершает коммутационный процесс (щетка полностью перешла на коллекторную пластину 2).

В параллельных ветвях обмотки проходит ток , а ток через щетку равен 2 . В контуре коммутируемой секции циркулирует ток – ток коммутации. На рис. 4.3 щетки неподвижны, а секции обмотки якоря перемещаются слева направо с линейной скоростью . Тогда токи и – соответственно токи через сбегающий (правый) и набегающий (левый) края щетки. Активное сопротивление секции обозначается , а сопротивления проводников, соединяющих секцию с коллекторными пластинами, обозначим через . Ток коммутации проходит через коллекторные пластины и замыкается через щетку, поэтому введем в рассмотрение сопротивления сбегающего и набегающего краев щетки.

Рис. 4.3

Составим математическую модель процесса коммутации, предполагая, что в контуре коммутируемой секции действует некоторая ЭДС . Для этого, используя рис. 4.3, б, запишем на основании первого и второго законов Кирхгофа уравнения токов для узлов а и b и уравнение напряжения для контура коммутируемой секции:

+ = ; (4.2)

= + ; (4.3)

– ( + ) + + ( + ) = . (4.4)

Решим эту систему уравнений относительно токов , и , считая известными ток параллельной ветви , ЭДС и все сопротивления. Токи и из уравнений (4.2) и (4.3) подставим в (4.4) и после преобразований получим

= + . (4.5)

Для большинства машин постоянного тока, в том числе и корабельных, справедливо неравенство

<< + . (4.6)

Это означает, что сумма сопротивлений проводников, соединяющих секцию с коллекторными пластинами, и самой секции пренебрежимо мала по сравнению с суммой сопротивлений набегающего и сбегающего краев щетки.

При учете условия (4.6) выражение (4.5) примет вид

= + ; (4.7)

= ; (4.8)

= . (4.9)

Токи и представляют собой соответственно основной и добавочный токи коммутации. Основной ток коммутации обусловлен током нагрузки машины, а добавочный ток коммутации зависит от ЭДС .

Линейная коммутация

Предположим, что = 0, тогда ток коммутируемой секции в соответствии с выражениями (4.7)–(4.9):

= = . (4.10)

Сопротивления сбегающего и набегающего краев щетки определяются площадью этих краев. Если принять площадь контактной поверхности щетки равной и окружную скорость коллектора = const, то для произвольного момента времени из периода коммутации площади сбегающего и набегающего краев щетки будут определяться выражениями

= ; = . (4.11)

В свою очередь, для сопротивлений сбегающего и набегающего краев щетки можно составить следующие выражения:

= ; = ,

при учете выражений (4.11) получим

= ; = . (4.12)

Проверим справедливость выражений (4.12). Действительно, на основании рис. 4.3 имеем: для t = 0 (рис. 4.3, a) щетка касается только первой коллекторной пластины, поэтому переходное сопротивление между щеткой и этой коллекторной пластиной определяется полной контактной поверхностью щетки, которой соответствует сопротивление = , контакт щетки со второй пластиной отсутствует и → ∞; при t= (рис. 4.3, в)щетка касается только второй коллекторной пластиныи = , а контакт щетки с первой пластиной отсутствует и → ∞.

Составим выражения для суммы и разности сопротивлений , :

+ = ; – = . (4.13)

Подставляя выражения (4.13) в (4.10), получим

= = . (4.14)

Из выражения (4.14) видно, что при условии = 0 ток в коммутируемой секции в функции времени в течение периода коммутации меняется по линейному закону, что и определяет название такого вида коммутации.

На рис. 4.4 дано графическое представление выражения (4.14). Ток в коммутируемой секции при линейной коммутации изменяется от + до – , проходит через ноль через полпериода после начала коммутации и, следовательно, меняет свое направление при t= /2.

На основании выражений (4.2) и (4.3) получим = + и = – .
В соответствии с этим в произвольный момент времени t из периода коммутации отрезок = и отрезок =

Определим плотность тока под краями щетки при линейной коммутации в произвольный момент времени t из периода коммутации с учетом выражений (4.11):

= = ; = = . (4.15)

На основании рис. 4.4 введем обозначения = и = , с учетом которых выражения (4.15) примут вид

= ; = . (4.16)

Из рис. 4.4 видно, что для любого момента времени углы и постоянны и одинаковы по значению: = . Из этого следует с учетом выражений (4.16), что линейная коммутация характеризуется постоянством плотности тока под сбегающим и набегающим краями щетки в течение всего периода коммутации и равенством значений этих плотностей тока.

Криволинейная коммутация

В общем случае в контуре коммутируемой секции может действовать ЭДС , и поэтому ток коммутации будет иметь две составляющих – основную и добавочную . Добавочный ток коммутации определяется выражением (4.9):

= ; + = . (4.17)

На рис. 4.5 графически представлены две зависимости + = и = , определяемые выражениями (4.17). Функция стремится к бесконечности на границах периода коммутации и имеет минимум при = = . В соответствии с этим добавочный ток коммутации в начале и в конце периода коммутации равен нулю и достигает наибольшего значения при = . Следует иметь в виду, что направление тока или его знак зависят от знака ЭДС . Таким образом, направление тока в контуре коммутируемой секции можно менять, меняя знак ЭДС , действующей в этом контуре.

Рассмотрим два частных случая: > 0 и < 0. Соответствующие зависимости графически представлены на рис. 4.6. На рис. 4.6, а в контуре коммутируемой секции действует ЭДС > 0. В соответствии с этим добавочный ток коммутации будет также положительным, как и основной ток коммутации в начальный момент времени.

Из рисунка видно, что при этом ток коммутации проходит через ноль позднее, чем через полпериода, т. е. секция уже прошла геометрическую нейтраль, а ток в ней еще сохраняет прежнее направление. Такого характера коммутация называется замедленной. И наоборот, при < 0 (рис. 4.6, б), когда ток также отрицательный, ток меняет свое направление раньше, чем через полпериода, и такая коммутация называется ускоренной.

Рис. 4.6

Для произвольного момента времени отрезок аb определяет ток через набегающий край щетки, а отрезок bc характеризует ток через сбегающий край щетки. Проводя на рис. 4.6, а, б через точки b хорды относительно кривой тока коммутации , можно рассмотреть углы и как и в случае линейной коммутации.

Выражения (4.16), определяющие плотность тока под краями щетки при линейной коммутации, справедливы и при криволинейной коммутации.

На рис. 4.6, а > для любого момента времени из периода коммутации следовательно, замедленная коммутация характеризуется повышенной плотностью тока под сбегающим краем щетки. При ускоренной коммутации (рис. 4.6, б) наоборот < и плотность тока под набегающим краем щетки становится больше, чем под сбегающим краем.

Повышенная плотность тока под краем щетки является одной из возможных причин искрения под щетками. Наиболее неблагоприятным является искрение под сбегающими краями щеток, так как образующиеся искры, поддерживая друг друга, распространяются по окружности коллектора и способны достигнуть щетки противоположной полярности, вызвав круговой огонь на коллекторе. Если же искры образуются под набегающим краем щетки, то они затягиваются под щетку и гаснут.

Таким образом, наиболее неблагоприятной с точки зрения искрения является замедленная коммутация, при которой искрение под сбегающим краем щетки, обусловленное повышенной плотностью тока, может усиливаться за счет искрения, вызванного разрывом контура коммутируемой секции в конце каждого периода коммутации.

На рис. 4.7 представлено семейство кривых тока коммутации при разных по значению и знаку ЭДС , действующих в контуре коммутируемой секции. Кривая 1 соответствует линейной коммутации, когда = 0. Кривые 2 и 3 определяют замедленную коммутацию, при которой > 0, причем ЭДС, соответствующая кривой 3, больше, чем для кривой 2. Если < 0, то коммутация становится ускоренной и ей соответствуют кривые 4 и 5. При этом предполагается, что по абсолютному значению | | > | |.

Наиболее благоприятной является слегка ускоренная коммутация, соответствующая кривой 4, когда в контуре коммутируемой секции действует небольшая отрицательная ЭДС. Если касательная к кривой 4 в конце периода коммутации, т. е. при = будет горизонтальной, то плотность тока под сбегающим краем щетки окажется равной нулю.