Коммутация в машинах постоянного тока кратко
Обновлено: 05.07.2024
обычно сопровождается появлением на коллекторе электрических дуг.
К о м м у т а ц и о н н ы е причины искрения создаются физическими
процессами, происходящими в машине при переходе секций обмотки якоря из
одной параллельной ветви в другую.
Иногда искрение вызывается целым комплексом причин. Выяснение причин
искрения следует начинать с механических, так как их обнаруживают осмотром
коллектора и щеточного устройства. Труднее обнаружить и устранить
коммутационные причины искрения.
При выпуске готовой машины с завода в ней настраиваю т е м н у ю
коммутацию, исключающую какое-либо искрение на коллекторе в процессе
эксплуатации машины, по мере износа коллектора и теток, возможно
появление искрения. В некоторых случаях оно может быть значительным и
опасным, тогда машину необходимо остановить для выяснения и устранения
причин искрения. Однако небольшое искрение в машинах общего назначения
Согласно ГОСТу, искрение на коллекторе оценивается степенью искрения
(классом коммутации) под сбегающим краем щетки.
С т е п е н ь 1 - искрения нет (темная коммутация).
С т е п е н ь 1/4 - слабое искрение под небольшой частью щетки, не
вызывающее почернения коллектора и появления нагара на щетках.
С т е п е н ь 1/2 - слабое искрение под большей частью щетки, приводящее к
появлению следов почернения на коллекторе, легко устраняемого протиранием
поверхности коллектора бензином, и следов нагара на щетках.
С т е п е н ь 2 - искрение под всем краем щетки. Допускается только при
кратковременных толчках нагрузки и при перегрузке. Приводит к появлению
следов почернения на коллекторе, не устраняемых протиранием поверхности
коллектора бензином, а также следов нагара на щетках.
С т е п е н ь 3 - значительное искрение под всем краем щетки с появлением
крупных вылетающих искр, приводящее к значительному почернению
коллектора, не устраняемое протиранием поверхности коллектора бензином, а
также к подгару и разрушению щеток. Допускается только для моментов
прямого (безреостатного) включения или реверсирования машин, если при этом
коллектор и щетки остаются в состоянии, пригодном для дальнейшей работы.
Если допустимая степень искрения в паспорте электрической машины не
указана, то при номинальной нагрузке она не должна превышать 1/2.
При вращении якоря машины постоянного тока коллекторные пластины
поочередно вступают в соприкосновение со щетками. При этом переход щетки с
одной пластины (сбегающей) на другую (набегающую) сопровождается
переключением секции обмотки из одной параллельной ветви в другую и
изменением как значения, так и направления тока в этой секции. Процесс
переключения секции из одной параллельной ветви в другую и сопровождающие
его явления называются коммутацией.
Секция, в которой происходит коммутация, называется коммутирующей, а
продолжительность процесса коммутации - периодом коммутации:
Tк = [60/( Kn )] (bщ/bк), (9)
где bщ - ширина щетки; К - число коллекторных пластин; п - частота __________вращения
якоря, об/мин; bк - расстояние между серединами соседних коллекторных
пластин (коллекторное деление).
Сложность процессов коммутации не позволяет рассмотреть коммутацию в
общем виде. Поэтому для получения аналитических и графических
зависимостей, поясняющих коммутацию, допускают, что ширина щетки равна
коллекторному делению; щетки расположены на геометрической нейтрали;
электрическое сопротивление коммутирующей секции и мест ее присоединения
к коллектору по сравнению с сопротивлением переходного контакта «щетка —
противлений соответствует действительности).
В начальный момент коммутации (рисунок 52, а) контактная поверхность
щетки касается только пластины 1, а коммутирующая секция относится к левой
параллельной ветви обмотки и ток в ней равен ia. Затем пластина 1 постепенно
сбегает со щетки и на смену ей набегает пластина 2. В результате
коммутирующая секция оказывается замкнутой щеткой и ток в ней постепенно
уменьшается. В середине процесса коммутации (t = 0,5T к) контактная
поверхность щетки равномерно перекрывает обе коллекторные пластины
(рисунок 20,б). В конце коммутации (t = Tк) щетка полностью переходит на
пластину 2 и теряет контакте пластиной 1 (рисунок 20, в), а ток в коммутирующей
секции становится равным — iа, т. е. по значению таким же, что и в начале
коммутации, а по направлению — противоположным. При этом коммутирующая
секция оказалась в правой параллельной ветви обмотки.
Рисунок 52 - Переход коммутирующей секции из одной параллельной ветви в другую__
Основные явления. Коммутацией в электрических машинах называется процесс переключения секций обмотки из одной параллельной ветви в другую и связанные с этим явления. На рис. 1.13, а показана секция перед коммутацией на рис. 1.13,б – секция в процессе коммутации (замкнутая накоротко через щетки 1, 2), на рис. 1.13,в – секция после коммутации.
Процесс переключения секции протекает достаточно быстро: время коммутации одной секции, называемое периодом коммутации Тк, составляет примерно 0,001 – 0,0003 с. Явления, происходящие при коммутации, существенно влияют на надежность и долговечность работы машины постоянного тока.
При плохой коммутации появляется значительное искрение под щетками и связанное с ним обгорание коллектора.
Ток i в короткозамкнутой секции 2 за время Тк меняет свое направление на противоположное: от +Iа до – Iа (рис. 1.14), где Iа – ток в параллельной ветви. Вследствие изменения тока в секции наводится ЭДС самоиндукции
Кроме этого, коммутируемая секция, если щетки расположены на геометрической нейтрали, пересекает поперечное поле якоря и поэтому в ней наводится ЭДС , называемая ЭДС вращения, где BП – индукция поперечного поля. Обе ЭДС вызывают ток коммутации iК, который замыкается по цепи: секция, коллекторная пластина, щетка, коллекторная пластина, секция (штриховая линия на рис. 1.13,б). От сопротивления этой цепи, а также от значений и направления еL и зависит значение и направление тока iК. Кроме того, по коммутируемой секции протекает часть тока якоря.
Если еL и направлены навстречу друг другу и равны, то еL + = 0 и ток в коммутируемой секции изменяется по закону i = Iа (1 – 2t / Tк), т.е. линейно (рис. 1.14, прямая 1). В этом случае плотность тока под щеткой везде одинакова и не изменяется в процессе коммутации – искрение под щетками не наблюдается.
Однако практически еL + ≠ 0. В этом случае ток iК алгебраически суммируется с частью тока якоря в коммутируемой секции и общий ток в коммутируемой секции изменяется в соответствии с кривыми 2 или 3 (рис. 1.14). В первом случае коммутация называется замедленной, во втором – ускоренной. В обоих случаях плотность тока под щеткой неодинакова, особенно она велика в набегающей части щетки для генератора и в сбегающей – для двигателя. В результате возникает искрение под щеткой и на коллекторе.
Пути улучшения коммутации. В предыдущем параграфе были рассмотрены электромагнитные причины плохой коммутации. Однако к искрению под щетками могут приводить и механические причины: неравномерный износ коллектора и его вибрация, чрезмерный износ щеток, выступание отдельных коллекторных пластин и изоляции и т.д. С учетом этого улучшение коммутации возможно несколькими путями:
Ø обеспечением в машине прямолинейной или несколько ускоренной коммутации; это достигается созданием в зоне коммутации секции дополнительного магнитного поля такой величины и направления, чтобы еL + = 0 ;
Ø увеличением сопротивления короткозамкнутой цепи секции в целях уменьшения тока короткого замыкания; это достигается применением твердых графитовых щеток с повышенным переходным сопротивлением (мягкие медно-графитовые щетки с малым переходным сопротивлением применяются только в тихоходных машинах на напряжение до 30 В);
Ø тщательным контролем за состоянием поверхности коллектора и щеток.
Главным средством улучшения коммутации в машинах средней мощности являются дополнительные полюсы. Магнитное поле дополнительных полюсов подбирается таким образом, чтобы еL + = 0 или было несколько больше нуля.
Дополнительные полюсы устанавливаются у всех машин постоянного тока мощностью свыше 1 кВт. В крупных машинах применение дополнительных полюсов сочетается с установкой компенсационной обмотки. В машинах малой мощности (менее 1 кВт) коммутацию настраивают поворотом щеток по направлению вращения у генераторов, а у двигателей – против направления вращения за положение физической нейтральной линии. Практически это положение определяется на глаз по наименьшему искрению под щетками. Улучшение коммутации поворотом щеток – малоэффективный метод, так как при изменении нагрузки положение физической нейтральной линии изменяется, а положение щеток остается фиксированным.
Автор: Евгений Живоглядов.
Дата публикации: 22 февраля 2012 .
Категория: Статьи.
Определение коммутации
Коммутацией называется процесс переключения секций обмотки из одной параллельной ветви в другую и изменения тока в них на обратное.
Во время коммутации секции замыкаются накоротко щетками, через которые ток из якоря передается во внешнюю цепь или из внешней цепи в якорь. Явления в щеточном контакте, то есть между щетками и коллекторными пластинами, оказывает большое влияние на коммутацию и исправную работу машины.
Передача тока от щетки к коллектору и обратно может осуществляться через: 1) непосредственный механический контакт между щеткой и коллектором, 2) мельчайшие частицы медной и графитной пыли и 3) ионизированные воздушные щели между щеткой и коллектором. Соответственно говоря о зонах: 1) непосредственного контакта, 2) пылевидного контакта и 3) ионной проводимости.
Непосредственная коммутация
Ввиду неровности микрорельефа непосредственный механический контакт, или соприкосновение щетки с коллекторными пластинами, происходит только на части контактной поверхности щетки, и притом только в отдельных точках. Плотность тока в этих точках достигает нескольких тысяч ампер на квадратный миллиметр. Точечные контакты непостоянны ввиду износа и разрушения, а также перемещения коллектора, причем время существования каждого точечного контакта в отдельности весьма невелико.
Коммутация через электропроводную пыль
Вследствие износа щеток и коллектора в контактном слое всегда имеется множество мелких пылинок. Поэтому контакт и передача тока частично осуществляется через эти пылинки. Плотность тока при этом также велика, а продолжительность каждого контакта из-за движения коллектора и сгорания пылинок невелика.
Ионная коммутация
Точки непосредственного и пылевидного контакта вследствие больших плотностей тока накаляются до красного и белого каления. При красном калении медь и щетки, поляризованные анодно, испускают ионы. При белом калении происходит термическая эмиссия электронов из катодно поляризованных щеток и пластин. Эмиттирующие электроны в свою очередь ионизируют воздух в контактном слое. В результате этого создается ионная проводимость тока. В зоне ионной проводимости под щеткой возникают также слабые электрические искровые и дуговые разряды. Такие разряды появляются и на краях щеток при замыкании секций накоротко и их размыкании.
Рассмотренные разнородные зоны проводимости невелики по размерам, перемежаются друг с другом и перемещаются по контактной поверхности щетки. Ионная проводимость преобладает при больших плотностях тока под щеткой (jщ > 5 А/см 2 ).
Искровые и дуговые разряды оказывают интенсивное термическое действие на материалы щетки коллектора. Катод термически разрушается, и электродное вещество переносится с катода на анод. В результате этого происходит электрическая эрозия, следствием которой являются перенос материала и износ электродов. Высокие температуры возникают лишь в отдельных точках, и поэтому щетки и коллекторные пластины в целом не нагреваются до высокой температуры.
Электролиз коллектора
В воздухе всегда есть влага, и все предметы покрыты тончайшей пленкой влаги, которая имеет определенную степень кислотности, так как в воздухе всегда содержатся различные окислы. Поэтому при прохождении тока через слой щеточного контакта возникает явление электролиза. В результате электролиза на коллекторе образуется блестящая пленка окислов меди, имеющая различную окраску (розовая, коричневая, фиолетовая, сине-стальная) и называемая политурой. Политура увеличивает переходное сопротивление щеточного контакта, ограничивает тем самым значение тока короткого замыкания секции и улучшает коммутацию.
Наличие хорошей политуры на коллекторе является признаком хорошей коммутации. Зеркало щетки при хорошей коммутации имеет блестящую поверхность.
Сильное искрение и дуговые разряды разрушают политуру и зеркальную поверхность щеток, контактные поверхности становятся матовыми, и появляются следы нагара. Переходное сопротивление щеточного контакта при этом уменьшается, и условия коммутации ухудшаются. Для создания политуры в этом случае применяются специальные сорта щеток.
Вольт-амперные характеристики щеток
Вследствие сложной природы щеточного контакта его переходное сопротивление не является постоянным, а зависит от значения тока. На рисунке 1 сплошными линиями показаны две вольт-амперные характеристики щеток, представляющие собой зависимость падения напряжения в контактном слое щетки ΔUщ от средней плотности тока под щеткой jщ.
Рисунок 1. Вольт-амперные характеристики щеток
Там же штриховыми линиями изображены кривые удельного переходного сопротивления.
На начально, круто поднимающемся, участке кривых ΔUщ = f ( jщ) преобладает контактная проводимость, а на пологом участке – ионная проводимость.
Кривые 1 на рисунке 1 соответствуют случаю, когда при малых jщ сопротивление ρщ велико и начальная часть вольт-амперной характеристики круто поднимается. Такие щетки обеспечивают лучшие условия коммутации, чем щетки, соответствующие кривым 2 на рисунке 1.
Источник: Вольдек А.И., "Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений" – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.
Во время работы машины постоянного тока происходит непрерывное переключение секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую, при этом ток в переключенных секциях изменяет свое направление на противоположное. Так как время этого перехода очень мало, то скорость изменения тока в секции велика. Если учесть то, что секция размещена на стальном сердечнике (индуктивность велика), то процесс переключения секции может сопровождаться появлением в ней значительной ЭДС самоиндукции и, возможно, искрением.
Процесс переключения секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую и все сопровождающие его явления называют процессом коммутации. Неудовлетворительная коммутация является электрической причиной искрения. Кроме электрической причины искрения существует и механическая – ухудшение контакта между коллектором и щетками. Необходимым условием долговечности машины постоянного тока является отсутствие искрения под щетками, поскольку искры быстро разрушают пластины коллектора и щетки.
Улучшение условий коммутации в машинах постоянного тока осуществляется, главным образом, с помощью дополнительных полюсов. Дополнительные полюсы действуют следующим образом. ЭДС самоиндукции в коммутируемых секциях возникает при прохождении этих секций вблизи геометрической нейтрали и зависит от значения тока нагрузки. Если в этот момент каким-либо дополнительным полем создать в коммутируемой секции
ЭДС, равную по величине и противоположную по направлению, то дополнительный ток при этом может быть скомпенсирован. Для создания этого дополнительного поля на геометрической нейтрали размещают дополнительные полюсы, обмотки которых включают последовательно в цепь нагрузки (рис. 12.6).
Рис. 12. 6. Машина постоянного тока: Iя – Iя дополнительные полюса расположенные на геометрической нейтрали; N – S главные полюса.
Поле дополнительных полюсов индуцирует в коммутируемых секциях коммутирующую ЭДС, пропорциональную току нагрузки и компенсирующую ЭДС самоиндукции в этих секциях. При этом поле дополнительных полюсов ослабляет также и влияние реакции якоря.
У генераторов за главным полюсом по направлению его вращения размещают дополнительный полюс противоположной полярности, а у двигателей — такой же полярности. Полярность дополнительных полюсов сохраняется и при переходе машины из режима работы генератора в режим двигателя, поскольку направление тока изменяется на противоположное.
Электромашинные усилители
Простейшим усилителем мощности является обычный генератор постоянного тока с независимым возбуждением. Коэффициент усиления машины определяется отношением тока, протекаемого в обмотке якоря, к току возбуждения:
В таком исполнении коэффициент усиления равен порядка 15 – 30.
Усилительную способность генератора можно увеличить, если использовать каскадную схему включения генераторов. В этом случае с выхода первого генератора подключается обмотка возбуждения второго, а выход со второго генератора будет превышать по мощности вход первого в 1000 и более раз.
Каскадная схема применяется редко из-за своей громоздкости и дороговизны.
Чаще используют так называемые электромашинные усилители (ЭМУ). Электрическая схема ЭМУ приведена на рис. 12.21.
Рис. 12. 7. Схема включения электромашинного усилителя
Конструктивно электромашинный усилитель представляет собой коллекторную машину постоянного тока с независимым возбуждением, имеющую два комплекта щеток (продольные 1 – 1' и поперечные 2 – 2').
Ток, протекающий по обмотке возбуждения Iв, создает продольный магнитный поток Фd направленный по оси полюсов машины. При вращении якоря на поперечных щетках 2 – 2' появляется ЭДС Е2 = СnФd. Так как они замкнуты накоротко, то в обмотке якоря появляется большой ток I2. Этот ток создает в обмотке якоря сильное поперечное магнитное поле реакции якоря Фq, неподвижное в пространстве и направленное по оси щеток 2 – 2'. Под действием магнитного потока Фq в якорной обмотке между щетками 1 – 1' возникает ЭДС Е1 = С n Фq >>Е2, так как Фq >>Фd. При подключении к щеткам 1 - 1' нагрузки Rн в цепи потечет ток Iя превышающий ток Iв в десятки тысяч раз. Электромашинные усилители применяют для автоматического управления мощными электродвигателями.
Одноякорные преобразователи
Для преобразования переменного тока в постоянный, используют выпрямители. Преобразование постоянного тока в переменный можно осуществить электромашинными преобразователями. Каскад из двух машин (асинхронный двигатель переменного тока и генератор постоянного тока) вполне решают эту задачу.
Но бывает ситуация, когда необходимо преобразовать постоянный ток низкого напряжения в постоянный ток повышенного напряжения. Делается это в одной комбинированной машине, состоящей из двигателя и генератора постоянного тока с общей магнитной системой. Со стороны низкого напряжения это электродвигатель, а со стороны повышенного напряжения – генератор постоянного тока с независимым возбуждением.
В одних и тех же пазах якоря преобразователя заложены самостоятельные обмотки низкого и повышенного напряжения. Концы обмоток присоединены к соответствующему коллектору (рис. 12.8), причем обмотка повышенного напряжения имеет значительно большее число проводников, чем обмотка низкого напряжения.
Одноякорные преобразователи широко применяются в авиационной технике, а также в общепромышленных установках, где первичным источником постоянного тока является аккумулятор.
Одноякорные преобразователи постоянного тока в трехфазный переменный отличаются от рассмотренного следующим:
· обмотка повышенного напряжения состоит из трех секций, смещенных друг от друга на 120°;
· выводы секционных обмоток припаяны к трем контактным кольцам и с помощью токосъемных щеток переменный ток передается к потребителю.
Рис. 12. 8. Одноякорный преобразователь
12.8 Тахогенераторы постоянного тока
Тахогенераторами называют электрические машины малой мощности, работающие в генераторном режиме и служащие для преобразования частоты его вращения в электрический сигнал.
Тахогенераторы постоянного тока по принципу действия и конструктивному оформлению являются электрическими коллекторными машинами. Выходной характеристикой тахогенератора является зависимость величины напряжения на зажимах якоря Uя от частоты его вращения n при постоянном магнитном потоке возбуждения Ф и постоянном сопротивлении нагрузки Rнагр На рис. 12.9 показана выходная характеристика тахогенератора при различных Rнагр.
Читайте также: