14. Искрение на коллекторе

С практической точки зрения важно, чтобы коммутация проходила без значительного искрения у контактной поверхности щеток, так как сильное искрение портит поверхность коллектора и щеток.

1. Причины искрения:

– механические;

– электромагнитные.

Механические связаны с нарушением контакта между щетками и коллектором, из-за:

– неровная поверхность коллектора;

– плохая пришлифовка щеток к коллектору;

– бой коллектора, если он превышает (0,2…0,3 мм);

– выступание отдельных коллекторных пластин;

– выступание слюды между коллекторными пластинами;

– заедание щеток в щеткодержателях (тугая посадка);

– вибрация щеток и другие причины механического характера.

Электромагнитные причины искрения на щётках, связаны с характером протекания электромагнитных процессов, протекающих в коммутируемых секциях.

2. Степень искрения (или класс коммутации):

Степень искрения под сбегающим краем щетки, из-под которого пластины коллектора выходят при своем вращении:

«1» – отсутствует искрение (темная коммутация);

«» – слабое точечное искрение под небольшой частью щетки;

«» – слабое искрение под большой частью щетки и как следствие появление следов почернения на коллекторе и следов нагара на щетках;

(«1», «»,«» допускаются)

«2» – искры под всем краем щетки (допускается при кратковременных толчках нагрузки и перегрузке);

«3» – значительное искрение с появлением крупных и вылетающих искр, и как следствие появление значительного почернения коллектора, подгар и разрушение щеток (допускается только при прямом пуске двигателя, если не произошло разрушение щеток).

Потенциальное искрение.

Возникают искровые разряды между коллекторными пластинами на свободной поверхности коллектора, не занятой щетками. Такое искрение называется потенциальным.

Причины:

1. Угольная пыль, грязь в канавках между соседними коллекторными пластинами;

2. Возникновение чрезмерных напряжений между соседними коллекторными пластинами;

. (1.106)

Такое искрение опасно тем, что оно способно развиться в короткое замыкание между пластинами и в круговой огонь.

Круговой огонь – короткое замыкание якоря через электрическую дугу на поверхности коллектора. Круговой огонь возникает в результате сильного расстройства коммутации, когда под сбегающим краем щетки появляются сильные искры и электрические дуги. Распространение огня происходит путем повторных зажиганий дуги.

Дуга, появляющаяся под щёткой, растягивается электродинамическими силами и гаснет, оставляя за собой ионизированное пространство, поэтому следующая дуга возникает в более благоприятных условиях, является более мощной и, следовательно, может растянуться до щётки, противоположной полярности.

Круговой огонь возникает при больших толчках тока якоря, при этом появляется сильное искрение, напряжение между отдельными коллекторными пластинами возрастает, искажается кривая поля в зазоре.

Примечание: меры защиты против кругового огня:

– компенсационная обмотка;

– быстродействующие выключатели.

15. Процесс коммутации

ЭДС в коммутируемых секциях. Уравнения и кривая процесса коммутации.

Допущения:

1. Скользящий контакт щетка – коллектор считать идеальным;

2. Постоянство удельного сопротивления щеточного контакта . Рассмотрим коммутацию на при мере простотой петлевой обмотки.

Рис. 1.40. Последовательные моменты коммутации секции

Рис. 1.41.

а) прямолинейная коммутация б) коммутация с учетом сопротивления секции и «петушков»

Изменяется направление тока в секции при окончании коммутации. Т_к – период коммутации – время, в течение которого секция замкнута накоротко щеткой и коммутируется.

Поскольку

, (1.107)

где – ширина щетки,– окружная скорость коллектора.

То для – диаметра коллектора ичисла коллекторных пластин коллекторное деление равно

. (1.108)

Соответственно коэффициент щеточного перекрытия (обычно , а для сложных петлевых обмотокдостигает 7,0).

(1.109)

Тогда (1.110)

Для простой петлевой обмотки

. (1.111)

Время коммутации Т_к – тысячные доли секунды.

Действительно, для машины с простой петлевой обмоткой и ,,.

с.

По отношению к внешней цепи машины процесс коммутации является высокочастотным периодическим процессом (Гц).

Рассмотрим процесс коммутации для времени t.

Для данной секции запишем уравнения по первому и второму закону Кирхгофа (рис. 1.41).

(1.112)

где – ток в коммутирующей секции (принимаем положительным для начального периода коммутации); токи, протекающие через соединительные проводники («петушки») и коллекторные пластины 1, 2 к щеткам;– сопротивление секции;– сопротивление «петушка»;сопротивление щеточного контакта между пластинами 1, 2 и щеткой;– сумма ЭДС, индуцируемых в коммутирующей секции в результате процесса самоиндукции в короткозамкнутой секции, и взаимоиндукции.

Суммарная э.д.с. возникает при коммутации и является вредной и нежелательной при коммутации.

Это э.д.с. самоиндукции . Коммутируемая секция обладает индукцией, вследствие чего в ней при коммутации индуктируется э.д.с.

Это э.д.с. взаимоиндукции (отрицательная, если коммутируют несколько секций) – взаимная индуктивность между рассматриваемой секцией и одновременно с ней коммутирующей секцией. Э.д.с. ипрепятствуют изменению тока в секции, замедляют этот процесс, и обычно их объединяют в одну реактивную э.д.с..

(1.113)

Э.д.с. относится к вредным э.д.с. ибо замедляют коммутацию.

Э.д.с. от поля поперечной реакции якоря также относится к вредным э.д.с., которые сопровождают коммутацию

, (1.114)

где – индукция поперечной реакции якоря;– число витков в секции;– окружная скорость якоря.

Все вредные ЭДС пропорциональны току якоря и скорости вращения якоря.

Вредные э.д.с. необходимо компенсировать с целью улучшения коммутации.

Сделать это можно только с помощью внешнего коммутирующего поля.

Очевидно, что это поле должно действовать в зоне коммутации. Это поле может быть создано дополнительными полюсами. В этом случае необходимо добиться с помощью внешнего поля индуктора компенсации э.д.с. и.

Коммутирующая э.д.с.

Внешнее поле индуктора и поле реакции якоря, действующие совместно, образуют в зоне коммутируемых секций результирующее, так называемое, коммутирующее поле

Э.д.с., индуктируемая этим полем в коммутирующей секции э.д.с., называется – коммутирующей э.д.с. –

Коммутирующая э.д.с. определяется формулой

, (1.115)

где – индукция коммутирующего поля.

Таким образом, необходимо при коммутации рассмотреть две э.д.с.: реактивную э.д.с. секции

(1.116)

и коммутирующую э.д.с. секции .

Наилучшие условия коммутации будут достигнуты тогда, когда эти э.д.с. будут равны по величине и противоположны по направлению (прямолинейная коммутация), либо когда коммутирующая э.д.с. будет несколько больше реактивной >(ускоренная коммутация).

Для этого коммутирующее поле должно быть направлено в сторону, противоположную направлению полю реакции якоря

Прямолинейная коммутация.

Коммутацию проще исследовать при ряде последовательных допущений:

Тогда систему уравнений 1.107 можно представить в виде:

,имеем 3 неизвестных

Если решить систему уравнений относительно , получим

, (1.118)

где , переменное сопротивление щеточного контакта во время коммутации с первой пластинойпеременное сопротивление щеточного контакта во время коммутации со второй пластиной,полная площадь щетки,длина щетки.

Сопротивление щеточного контакта обратно пропорционально площади щеточного контакта и зависит от длины контакта щетки () с пластиной коллектора и удельного сопротивления щетки.

Можно убедиться, что при изменении сопротивлений , которые изменяются во взаимно противоположных направлениях ток коммутации меняет знак на противоположный при.

Сопротивления щеточных контактов и площадей щеточных контактов изменяются при вращении коллектора, зависят от времени коммутации. Ток коммутации также зависит от сопротивлений и от времени коммутации.

Действительно

, (1.119)

(1.120)

(1.121)

, (1.122)

где – переходное сопротивление между щеткой и пластиной.

Получим уравнение прямолинейной коммутации.

. (1.123)

При принятии данных допущений, ток в коммутирующей секции меняется во времени линейно, следовательно, коммутация прямолинейная.

. (1.124)

Из рисунка 1.43, а ясно, что

, (1.125)

Значит

(1.126)

Очевидно, что при прямолинейной коммутации

;

То есть размыкание секции происходит без разрыва цепи и без скачка плотности тока.

Если и при, то из системы 1.107 следует, что

. (1.127)

В этом случае ток изменяется, как показано на рис. 1.42, б. Поэтому, в общем случае коммутация сопротивлением не является прямолинейной. Но влиянием можно пренебречь, ибо отклонение кривой на рис. 1.42, б от прямой (рис. 1.42, а) является незначительным.

Криволинейная коммутация.

Криволинейная коммутация связана с влиянием э.д.с. на процесс коммутации .

В этом случае ток коммутации содержит добавочный ток коммутации

. (1.128)

В общем случае при ток коммутации (решение системы уравнений 1.112).

, (1.129)

где

При принятых допущениях

, (1.130)

где .

Зависимость сопротивления короткозамкнутого контура секции и добавочного тока от времени изображена на рис. 1.42:

Рис. 1.42. Добавочный ток коммутации

1. При ток складывается, с током.

При – имеет место криволинейная замедленная коммутация при (рис. 1.44).

а) б)

Рис. 1.43. Замедленная (а) и ускоренная(б) коммутация

Величина тока на сбегающем краю щетки i₁ сохраняется большой до конца коммутации, поэтому велика.

.

Класс коммутации оценивается искрением под сбегающим краем щетки, поэтому замедленная коммутация самая неблагоприятная. Она обеспечивает возникновение искрения под сбегающим концом при разрыве контакта щетки с пластиной коллектора.

При – имеет место ускоренная криволинейная коммутация при и .При суммарной э.д.с коммутации дополнительный ток коммутацииимеет обратный знак имеет обратный знак (то есть, следовательно ток изменяется быстро в начале коммутации, поэтому коммутация ускоренная.

Самый лучший тип коммутации – это линейная коммутация, которая на практике чаще всего слегка ускоренная.