6.6. Причины искрения на коллекторе машины постоянного тока и способы улучшения коммутации

При работе машины постоянного тока щетки и коллектор образуют скользящий контакт. В результате возникает искрение на коллекторе. Причины искрения разделяют на механические, потенциальные и коммутационные. Механические причины обусловлены нарушением электрического контакта между щеткой и коллектором (слабое прижатие щеток к коллектору, его негладкая поверхность, загрязненность поверхности и т.д.). Потенциальные причины искрения вызваны проявлением реакции якоря. В секциях якорной обмотки ин­дуктируются эдс, которые отличаются друг от друга. Это приводит к увеличению сверх допустимого значения напряжения между соседними коллекторными пластинами (16 – 20 В). Промежутки между коллекторными пластинами перекрываются дугами, которые постепенно сливаются в круговой огонь. Возникает перекрытие коллектора, приводящее к его износу. Коммутационные причины искрения возникают при физических процессах в машине и связаны с переходом секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую. Согласно стандартам искрение на коллекторе оценивается степенью искрения (классом коммутации) под сбегающим краем щетки. Коммутация счи­тается хорошей, если искрение незначительно [2].

Неудовлетворительная коммутация возникает из-за добавочного тока коммутации

, (6.16)

где – реактивная эдс, индуцируемая в коммутирующих секциях за счет взаимной индуктивности и явления самоиндукции секций; – эдс вращения, наводимая в коммутирующих секциях магнитной индукцией в зоне коммутации за счет реакции якоря; – электрическое сопротивление щетки току .

Для улучшения коммутации машины необходимо уменьшить величину добавочного тока коммутации. Это достигается:

- выбором щеток;

- уменьшением реактивной эдс в коммутирующих секциях;

- компенсацией магнитодвижущей силы реакции якоря по геометрической нейтрали и оси полюсов;

- смещением щеток с геометрической нейтрали.

Щетки выбираются в соответствии с рекомендациями завода-изготовителя. От типа щеток, их вольтамперных характеристик зависит скорость протекания коммутационных процессов. Улучшение коммутации определяется также политурой коллектора – тонкой оксидной пленкой на поверхности коллектора, обладающей повышенным электрическим сопротивлением.

Уменьшение реактивной эдс в коммутирующих секциях достигается применением обмоток с укороченным шагом ( ), сокращением числа витков в секциях обмотки якоря, использованием щеток шиной не более чем в 2 – 3 коллекторных деления [2].

Улучшения коммутации по геометрической нейтрали достигается установкой добавочных полюсов (рис. 6.25). Добавочные полюса устанавливаются между главными полюсами в машинах мощностью свыше 1 кВт. Их число равно числу главных полюсов или меньше в 2 раза. Магнитодвижущая сила добавочных полюсов направ­лена п ротив магнитодвижущей силы поперечной реакции якоря . При этом требуется не только компенсация , но и создание коммутирующего поля для компенсации реактивной эдс . Об­мотка добавочных полюсов включается последовательно встречно с обмоткой якоря. Компенсация величин и , зависящих от тока нагрузки, происходит автоматически.

З а 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 (рис. 6.26). Для уменьшения рассеяния обмотку добавоч­ных полюсов размещают как можно ближе к якорю. Добавочные полюсы обеспечивают удовлетворительную коммутацию в машине при нагрузках не превышающих номинальную. При перегрузке машины происходит насыщение магнитной цепи этих полюсов и коммутация ухудшается.

В мощных быстроходных машинах постоянного тока, которые работают в режиме интенсивных нагрузок, применяется компенсационная обмотка (рис. 6.25). Она предназначена для компенсации поля якоря под главными полюсами машины. Компенсационная обмотка расположена на поверхности главных полюсов в па­зах, обращенных к якорю, и включена последовательно встречно с его обмоткой. Магнитное поле главных полюсов машины практически не зависит от ее нагрузки [1].

В машинах до 1кВт без добавочных полюсов улучшение коммутации достигается смещением щеток с геометрической нейтрали по ходу вращения у генератора и против хода вращения у двигателя. Этот способ улучшения коммутации применим в нереверсируемых электрических машинах, работающих с неизменной нагрузкой. Для снижения влияния помех на электрическую сеть из-за коммутации используют проходные конденсаторы.

Процессы коммутации в машинах постоянного тока сложны. Для их исследования применяются теоретический анализ и различные экспериментальные методы [35].

При отклонении коммутации от прямолинейной токи в комму­тируемых секциях создают дополнительную реакцию якоря, которая называется коммутационной. В генераторном режиме при прямолинейной коммутации размагничивающее и подмаг­ничивающее действие коммутируемой секции одинаково (рис. 6.27,а). В среднем за период коммутации эта реакция якоря не проявляется.

П ри замедленной коммутации (рис. 6.27,б) длительность размагничивающей силы реакции якоря больше длительности намагничивающей реакции якоря. Результирующая коммутационная реакция якоря получается размаг­ничивающей. При ускоренной коммутации (рис. 6.27,в) – коммутационная реакция якоря намагничивающая. В двигательном режиме эти процессы носят обратный характер [1].