Коммутация машин постоянного тока

При вращении ротора машины постоянного тока щетки скользят по поверхности коллектора, поочередно подключая во внешнюю цепь секции обмотки якоря. При этом происходит переключение тока в подключаемых секциях, называемое коммутацией. Коммутация играет важную роль в работе коллекторных машин, определяя искрение под щетками (рис.24.7). Процесс коммутации происходит следующим образом.

Рис.24.7. Схема процесса коммутации тока

В момент t₁ щетка находится на коллекторной пластине 1, ток во внешнюю цепь течет через точку «а» из секций, расположенных как справа от коммутирующей секции «abc»,так и слева от нее, вследствие чего ток по коммутирующей секции течет от точки «с» к точке «а».

При движении коллектора слева направо щетка перемещается по поверхности коллектора справа налево и в момент времени t₂ располагается посередине между пластинами коллектора 1 и 2. Ток теперь течет во внешнюю цепь через обе пластины, перекрываемые щеткой. Если ширина перекрываемых частей коллекторных пластин точно одинакова, токи, текущие через них, будут равны, т. к. в этом случае сопротивления для этих токов будут равны. Следовательно, ответвляться в секцию «abc» ток не будет ни справа, ни слева.

Наконец, в момент времени t₃ щетка находится над второй пластиной, ток во внешнюю цепь течет через точку «с», направление тока в коммутирующей секции по сравнению с моментом t₁ меняется на противоположное.

Так как перемещение щетки по коллектору заведомо равномерное, отрезки времени t₁ – t₂ и t₂ – t₃ равны. Рассматривая изменение тока в секции «авс» только как функцию перемещения щетки, можно сделать вывод, что ток линейно зависит от времени, как показано линией 1 на рис.24.8 рис.24.8. Такая коммутация называется прямолинейной и представляет собой идеализированный случай.

Фактически процесс коммутации протекает сложнее, так как изменение тока в коммутирующей секции зависит не только от перемещения щетки, но и от ЭДС, индуктируемых в этой секции. Это прежде всего ЭДС самоиндукции е_L = – Ldi_abc/dt, где L – индуктивность секции, зависящая от квадрата витков w_c². Здесь индуктируется ЭДС взаимоиндукции

е_м = – Mdi/dt, определяемая скоростью изменения тока i' в соседней секции, тат как фактически всегда щетка больше ширины одной коллекторной пластины и перекрывает одновременно 2 – 4 пластины. Поэтому процесс коммутации всегда идет одновременно в нескольких секциях.

ЭДС е_L и е_м имеют индуктивный характер и в сумме могут быть обозначены е_р = е_L + е_м.

Ток в секции «аbc» от этой ЭДС i_р = е_р/z_c в течение первой половины периода коммутации t₁ – t₂ препятствует изменению тока i_a, а индуктивный характер тока проявляется в задержке электромагнитных процессов в коммутирующей секции. В результате в оставшуюся часть периода коммутации ток в секции «аbc» изменяется более резко, под сбегающим краем щетки возникает повышенная плотность тока. Изменение тока i_a при наличии реактивной ЭДС е_р в коммутирующей секции описывается

кривой 2 рис.24.8.Такая коммутация называется замедленной. Она приводит к искрению под сбегающим краем щетки.

Кроме реактивных ЭДС в коммутируемой секции при равположении щёток не на физической нейтрали индуктируется ЭДС внешнего поля

е_к = –w_cdФ/dt, где Ф – результирующий магнитный поток в машине. Так как МДС внешнего поля направлена против ЭДС якоря, при преобладании ЭДС внешнего поля е_к > е_р, определяемый ею ток i_к = е_к/z_c направлен в t₁ – t₂ встречно току i_a и ускоряет его уменьшение. Это ускоренная коммутация, при которой перегружается набегающий край щетки, под которым будет наблюдаться искрение (кривая 3 рис.24.8).

Рис.24.8. К пояснению процесса коммутации

Таким образом, наиболее благоприятной является прямолинейная коммутация, при которой никаких ЭДС в секциях не индуктируется, не происходит запасание энергии – поэтому разрыв цепи такой секции не связан с искрением, это безискровая коммутация.

Для приближения к этому режиму надо уменьшить сумму ЭДС е_р+ е_к. Так как их действие противоположно, поставленная задача будет решена, если е_р= е_к ._. Требуемая величина е_к достигается либо сдвигом щёток с физической нейтрали (по ходу якоря в генераторе и противоположно – в двигателе), либо созданием дополнительного потока с помощью обмотки добавочных полюсов. Второй путь – основной. Установкой добавочных полюсов улучшают коммутацию и компенсируют реакцию якоря.

На качество коммутации влияет также правильный выбор материала щеток, поддержание чистоты коллектора и щётки, силы притяжения щетки к коллектору – вообще правильная эксплуатация машин.

При искрении разрушаются поверхности коллектора и щеток, увеличивается сопротивление скользящих контактов (что ведет к нагреву коллектора), возникают радиопомехи. Искрение может вызываться также плохим состоянием щеточно-коллекторного узла и неправильной его установкой.

Для исключения искажения поля под полюсами (смещения результирующего поля Ф) в машинах средней и большой мощности применяют компенсирующую обмотку, включенную последовательно с якорем встречно его полю. Искрение исключают размещением на геометрической нейтрали (ГН) узких добавочных полюсов. Их обмотки включают последовательно и встречно с обмоткой якоря. В узкой зоне вблизи ГН поле якоря компенсируется полем добавочного полюса. При перегрузках генератора I_я > 3I_я.ном дополнительные полюсы насыщаются и компенсация полей нарушается. Искрение наблюдается также при большой Ω из-за роста u_L. Добавочные полюсы используют в машинах с Р > 1 кВт. В машинах малой мощности, не имеющих добавочных полюсов, для уменьшения искрения щетки смещают с ГН на ФН (в генераторе по направлению Ω, в двигателе – против). Недостаток этого способа – размагничивание машины и появление продольной МДС.