Лекція 7.

4.3. Розрахунок укд та окд. Проблеми комутації укд та окд який працює змінного струму.

Робота машини постійного струму, як правило, супроводжується іскрінням між щіткою і колектором. Іскріння на колекторі – явище досить шкідливе. Воно приводить до підгорання колектора і щіток, забруднення машини, неможливості використання машини в вибухонебезпечних приміщеннях, нестабільності характеристик машини через опір контакту щітка-колектор, що змінюється, і т.д.

Існує багато причин, що викликають це негативне, а іноді і небезпечне явище. Всі вони можуть бути розділені на три групи: механічні, потенціальні і комутаційні.

До механічних причин відносяться: погане притискання щіток до колектора, неправильна конфігурація або негладка поверхня колектора, забруднення поверхні колектора, виступ ізоляції над колекторними пластинами, погане закріплення траверси, пальців або щіткотримачів, а також інші недоліки в конструкції і виробничому виготовленні машини. При вказаних несправностях, особливо в умовах вібрації, в окремі моменти часу порушується контакт щітки з колектором, що приводить до іскріння.

Потенціальні причини з’являються при виникненні напруги (різниці потенціалів) між сусідніми колекторними пластинами, що перевищує допустимі межі. В цьому випадку іскріння найбільш небезпечне, так як воно може перейти в “круговий вогонь”.

Комутаційні причини викликаються фізичними процесами, що відбуваються в машині при переході секцій обмотки якоря з однієї паралельної вітки в іншу.

Іноді іскріння викликається комплексом причин.

Вияснення причин іскріння слід починати з механічних, так як вони, як правило, виявляються при зовнішньому огляді колектора і щіточного апарату. Найбільші труднощі у виявленні і усуненні являють комутаційні причини іскріння. Тому досить корисно розібратися у фізичній сутності процесу комутації.

При обертанні якоря машини колекторні пластини почергово вступають в контакт з колекторами. При цьому перехід щітки з однієї пластини на іншу супроводжується перемиканням якої-небудь секції обмотки якоря з однієї паралельної вітки в іншу і зміною напрямку струму в цій секції.

Рис. 4.19. До питання про комутацію.

В останньому неважко пересвідчитися, розглядаючи рис. рис.4.19, на якому зображений якір з трьома секціями або з однією секцією в різні моменти часу (в різних положеннях якоря, що обертається): в момент часу 1 по секції, яка розглядається, протікає струм одного напрямку; в момент часу 2, коли секція знаходиться під щіткою, струм в ній відсутній; в момент часу 3 по секції знову протікає струм, але вже іншого напрямку. Сукупність явищ, пов’язаних зі зміною струму в секціях обмотки якоря при перемиканні цих секцій з однієї паралельної вітки в іншу, і називається комутацією.

Секція, в якій відбувається комутація, називається комутуючою, а час, на протязі якого відбувається процес комутації, називається періодом комутації. Період комутації визначається відрізком часу, починаючи з моменту, коли колекторна пластина вступає в дотик з щіткою, і закінчуючи моментом, коли пластина повністю виходить з дотику з нею.

Розглянемо процес комутації, вважаючи, що в комутуючій секції на протязі всього періоду комутації не індукується ЕРС. При цьому ширину щітки приймемо рівною ширині колекторної пластини.

В початковий момент комутації (рис. рис.4.20, а) контактна поверхня щітки доторкається тільки пластини 1, а секція 1(комутуюча секція) відноситься до лівої паралельної вітки обмотки і в ній протікає струм і_а = І/2. Потім пластина 1 поступово збігає з щітки і на її місце набігає пластина 2. В результаті комутуюча секція виявляється замкненою накоротко, і струм в ній поступово зменшується. Коли ж контактна поверхня щітки рівномірно перекриває обидві колекторні пластини (рис.рис.4.20, б), робочий струм в комутуючій секції стає рівний нулю. В кінці процесу комутації (рис.рис.4.20,б) щітка повністю переходить на пластину 2, а струм в комутуючій секції знову досягає величини І/2. Але за напрямком цей струм протилежний струмові на початку комутації, а сама комутуюча секція тепер виявляється в правій паралельній вітці обмотки якоря. Таким чином, за період комутації струм в комутуючій секції змінився від +і_а до –і_а.

Але в реальних умовах роботи електричних машин постійного струму процес комутації протікає значно складніше. Справа в тому, що період комутації досить малий – вимірюється мікросекундами. При такій швидкій зміні струму в комутуючій секції, розташованій в пазі, тобто оточеної феромагнітним матеріалом – сталлю якоря, і володіючою індуктивністю L_с, наводиться ЕРС самоіндукції

Як правило, ширина щітки більша ширини колекторної пластини, тому в машині одночасно комутують декількамагнітопов’язаних між собою секцій. Наявність магнітного зв’язку між секціями приводить до того, що в комутуючих секціях, крім ЕРС самоіндукції e_L, наводиться ЕРС взаємоіндукції e_M, яка також являється реактивною. Сумісно ці ЕРС складають реактивну ЕРС.

Рис. 4.20. Зміна напрямку струму в секції обмотки якоря в процесі комутації.

Крім е_р, в комутуючій секції наводиться ще ЕРС обертання. Виникнення її пояснюється тим, що магнітне поле машини, спотворене реакцією якоря, створює в зоні комутації магнітну індукцію В_к (див. рис.1.1.21, в), яка, в свою чергу, наводить в комутуючій секції ЕРС обертання

де l – довжина активної сторони секції, м;  - швидкість руху секції, м/с; w_с–кількість витків в секції.

Повна ЕРС комутуючої секції е_к рівна сумі ЕРС – реактивної е_р і обертання е_об:

В процесі комутації комутуюча секція замкнена щіткою накоротко і під дією е_к в цій секції виникає струм, який називається струмом комутації. В момент закінчення періоду комутації, коли щітка втрачає контакт з однієї з пластин колектора, розмикається коло струму і_к комутуючої секції. При цьому енергія магнітного поля

накопичена за період комутації, витрачається на підтримання струму і_к в комутуючій секції. В результаті в момент розмикання секції щіткою між збігаючою пластиною колектора і збігаючим краєм щітки виникає електрична іскра. Цей процес повторюється при збіганні щітки з кожної колекторної пластини, тобто практично продовжується безперервно, поки працює машина, що створює безперервне іскріння на щітках.

Таким чином, причиною негативної комутації в машинах постійного струму являється додатковий струм комутації. Негативна комутація, що супроводжується іскрінням, веде до підгорання щіток і появі почорніння на колекторі, що являється причиною подальшого підсилення іскріння. Крім того, іскріння являється швидкопротікаючим процесом, в результаті якого виникають випромінювання електромагнітних хвиль, що створюють завади радіоприйому. Останню обставину необхідно враховувати при роботі машин постійного струму поблизу радіопристроїв.

Способи покращення комутації в колекторних електричних машинах

В кінцевому підсумку способи покращення комутації зводяться до зменшення або повного усунення струму комутації, що визначається рівнянням

де r_к – сума електричних опорів струмів комутації, а саме опорів секцій, перехідного контакту між колекторними пластинами і щіткою, а також щітки. З перерахованих опорів найбільшу величину мають опори перехідного контакту і щітки r_щ. Тому з деяким наближенням можна записати

З формули слідує, що зменшити струм і_к, а тому, покращити комутацію можна або збільшенням  r_щ, або зменшенням величини повної е_к в комутуючій секції. Величина опору r_щ залежить від технічних даних щіток, що використовуються в машині.

З точки зору хорошої комутації доречно використовувати щітки з великим питомим електричним опором, наприклад вугільно-графітові. Але такі щітки допускають понижену густину струму в щіточному контакті, що потребує збільшення поверхні колектора головним чином за рахунок його довжини. Це привело б до збільшення габаритів машини і додаткової витрати міді.

Зменшити повну е_к комутуючої секції можна декількома способами, наприклад використовуючи секції обмотки якоря з невеликим числом w_с витків Але останнє не завжди виконується, так як потребує для зберігання незмінним загального числа провідників якоря N збільшення числа секцій, а тому, і числа колекторних пластин.

Використовуючи більш вузькі щітки, можна зменшити величину ЕРС взаємоіндукції. Але це недоцільно, так як для зберігання незмінної площі контактної поверхні щіток довелося б збільшити їх довжину, а тому, і довжину колектора, що привело б до збільшення габаритів машини і її вартості. Як правило, ширина щітки приймається рівною ширині двох або трьох колекторних пластин.

Найбільш ефективним методом зменшення ЕРС в комутуючій секції являється утворення в зоні комутації магнітного потоку такої величини і напрямку, щоб в комутуючих секціях наводилась е_об, що компенсується е_р. В машині, що працює в звичайних умовах, коли не приймаються міри по боротьбі з іскрінням, е_р і е_об практично напрямлені в один бік (діють узгоджено):

ЕРС комутації можна звести до нуля, якщо змінити напрямок ЕРС обертання на зворотній, так щоб

Останнього можна досягти двома шляхами: встановленням додаткових полюсів і зміщенням щіток за фізичну нейтраль.

В машинах потужністю вище 1 кВт для зміни напрямку е_об використовують додаткові полюси, встановлюючи їх між головними полюсами.

МРС цих полюсів F_дод напрямлена проти МРС якоря F_a і створює такий магнітний потік Ф_дод, який знищує потік якоря в зоні комутації і змінює магнітну індукцію в цій зоні на зворотню за напрямком (знаком). При цьому в комутуючій секції наводиться ЕРС е_об зворотнього знаку, що компенсує е_р:

Ввімкнення обмотки додаткових полюсів послідовно з обмоткою якоря забезпечує необхідну комутацію в широкому діапазоні навантажень, так як в цьому випадку магнітні потоки додаткових полюсів Ф_дод і якоря Ф_а змінюються пропорційно струмові (осердя додаткових полюсів стають ненасиченими).

В електричних машинах потужністю до 1 кВт, які найбільш широко використовуються в системах автоматики, встановлення додаткових полюсів недоцільне з двох причин: по-перше, це технологічно важко через малі розміри машин; по-друге, умови комутації в машинах такої потужності набагато легші. Тому в цих машинах магнітне поле в зоні комутації, необхідне для створення ЕРС обертання, що компенсує реактивну ЕРС, отримують, зміщуючи щітки з геометричної нейтралі nn на кут  у напрямку обертання якоря в генераторах або проти обертання якоря в двигунах. Щітки слід зміщувати за фізичну нейтраль mm ( > ) так, щоб індукція в зоні комутації мала напрямок і величину, при яких в комутуючих секціях наводилась ЕРС обертання, достатня для компенсації реактивної ЕРС (рис. рис.4.22).

Рис. 4.21. Схема з’єднання обмотки Рис.4.22. Зсув щіток з гео-

додаткових полюсів метричної нейтралі

Зміщення щіток за фізичну нейтраль – простий і надійний спосіб покращення комутації, але він не завжди однаково ефективний. Наприклад, в режимі роботи машини зі змінним навантаженням при будь-якій зміні довелося б міняти положення щіток, так як положення фізичної нейтралі змінюється в залежності від навантаження. Тому, як правило, щітки встановлюють в положення, при якому повна компенсація реактивної ЕРС відповідає деякому середньому навантаженню, що відповідає найбільш тривалому часу роботи машини.

Для машин, які працюють зі зміною напрямку обертання – реверсивних машин, зміщення щіток з геометричної нейтралі взагалі неприпустиме, так як напрямок зміщення фізичної нейтралі змінюється зі зміною напрямку обертання. Тому зміщення щіток в будь-який бік забезпечило б необхідну комутацію лише при одному напрямку обертання якоря, а при іншому, навпаки, погіршило б її.

Як відзначалось, електромагнітне випромінювання, що супроводжує роботу колекторного двигуна, створює завади радіоприйому.

При роботі колекторних двигунів рівень створюючих ними радіозавад не повинен перевищувати встановлених меж. Радіозавади від колекторного двигуна розповсюджуються у вигляді електромагнітного випромінювання і у вигляді електричних сигналів через електромережу.

Рис. 4.23. Схема ввімкнення завадозахищених фільтрів

Для подолання електромагнітних випромінювань використовують ек-рановані двигуни. В якості екрану використовують заземлений корпус двигуна. Якщо в підшипниковому щиті з боку колектора є вікна, то їх закривають металічною сіткою, з’єднаною з заземленим корпусом двигуна. Якщо корпус двигуна або його передній підшипниковий щит (з боку колектора) виготовлені з пластмаси, то неметалічну частину закривають сіткою і заземляють.

Для подолання радіозавад, що проникають в електромережу, використовують симетрування обмоток і вмикання фільтрів. Симетрирування полягає в тому, що кожну обмотку, що включається послідовно в коло якоря (обмотку збудження, обмотку додаткових полюсів і т.п.), розділяють на дві рівні частини і приєднують симетрично обмотці якоря, вмикаючи до щіток різної полярності. В якості фільтрів використовують конденсатори, ввімкненні між кожним проводом, що несе струм, і заземленим корпусом двигуна (рис.1.2.17). Значення ємності конденсаторів підбирають. Конденсатори повинні бути розраховані на робочу напругу двигуна.