13.8. Коммутация в машинах постоянного тока

Искрообразование под щетками ведет к быстрому разрушению коллектора. Причины искрообразования могут быть механическими и электрическими. Механическая причина искрения — это ухудшение контакта между коллектором и щетками, что может быть следствием неровности коллектора, дрожания щеток и т.п., а неудовлетворительная коммутация — электрическая причина искрения.

Коммутацией в электрических машинах называется вся совокупность явлений при изменении направления тока в секциях обмотки якоря во время замыкания щетками этих секций накоротко. В то время как пластины коллектора, к которым присоединены концы секций, замкнуты щеткой накоротко, секция переходит из одной параллельной ветви обмотки в другую. Сущность процесса коммутации поясним на простейшем примере петлевой обмотки якоря (рис. 13.20). Время, в течение которого секция обмотки вращающегося якоря замкнута щеткой накоротко, называется периодом коммутации Т. За это время ток в секции должен измениться от значения +I (рис. 13.20, а) до значения –I (рис. 13.20, в), т.е. на 2I. Чем быстрее вращается якорь и чем меньше ширина щетки b_щ, тем меньше период коммутации:

t = b_щ/n_к, (13.3)

где n_к — окружная скорость коллектора.

Если бы в коммутируемой секции не индуктировалась никакая ЭДС, то ход процесса коммутации тока в секции определялся бы только соотношениями переходных сопротивлений контактов щетки с двумя пластинами коллектора. Одна из этих пластин постепенно уходит из-под щетки, а вторая входит под щетку. Для упрощения рассуждений будем считать, что ширина щетки не больше ширины одной коллекторной пластины, и пренебрежем небольшими по сравнению с переходным сопротивлением r_щ контакта щетки и коллектора сопротивлениями проводов, соединяющих обмотку якоря с коллектором, и самой секции.

Во время коммутации щетка касается сразу двух пластин коллектора и образует с ними два переходных сопротивления, обратно пропорциональных соответствующим площадям контактов. Следовательно, переходное сопротивление контакта с пластиной, уходящей из-под щетки, возрастает, т. е.

r₁ = r_щT/(T – t), а с пластиной, набегающей на щетку, уменьшается:

r₂ = r_щT/ t,

где t — время от начала коммутации.

Ток I щетки должен распределиться между двумя пластинами коллектора обратно пропорционально их переходным сопротивлениям:

i₁/i₂ = r₁/r₂ = (T – t)/t.

Согласно первому закону Кирхгофа ток коммутируемой секции (рис. 13.20,б)

i = i₁ — I,

а ток внешней цепи во время коммутации складывается из токов в двух переходных контактах щетки:

2I = i₁ + i₂, следовательно,

2I = i₁T/(T – t) или i₁ = 2I(T – t)/T, а ток в коммутируемой секции

i = 2I(T – t)/(T – I) = I(T – 2t)/T.

В начале коммутации при t = 0 этот ток i = I, а в конце коммутации при t = Т он будет i = –I.

Ток I (рис. 13.20) — это ток одной параллельной ветви обмотки якоря. В общем случае при 2a параллельных ветвях ток якоря I_я = 2aI. Следовательно, ток в коммутируемой секции

(13.4)

т. е. изменяется во время коммутации линейно (рис. 13.21, а). Такая коммутация называется прямолинейной. В этом идеальном случае плотность тока под всей щеткой одинакова и неизменна во все время коммутации, благодаря чему отсутствуют коммутационные причины искрения.

Здесь был рассмотрен простейший случай с шириной щетки b_щ не больше ширины коллекторной пластины. В действительности щетка всегда перекрывает несколько коллекторных пластин, но это обстоятельство не изменяет линейный характер процесса коммутации при отсутствии в коммутируемой секции индуктированных ЭДС.

Однако в реальных условиях неизбежно возникновение ЭДС самоиндукции в коммутируемой секции; витки секции лежат в пазах ферромагнитного тела — сердечника якоря, следовательно, секция обладает заметной индуктивностью L и изменение тока при коммутации должно индуктировать в секции некоторую ЭДС самоиндукции е_L. К этой ЭДС добавляется еще ЭДС взаимной индукции е_M, индуктируемая изменениями тока в соседних секциях, коммутируемых одновременно. Обе ЭДС согласно принципу Ленца противодействуют изменению тока в секции, задерживают это изменение. Результирующую ЭДС, индуктируемую изменениями тока, принято называть реактивной ЭДС:

e_р = e_L + e_M.

Ее можно выразить как ЭДС самоиндукции [см. (2.2)] через некоторую индуктивность секции L_с и изменение тока во времени:

e_р = –L_сdi/dt.

Реактивная ЭДС задерживает изменение тока (рис. 13.21, б) и делает коммутацию замедленной в течение большей части периода, но к концу периода, когда уходящая пластина выйдет из-под щетки, ток в секции должен принудительно принять значение –I_я/2a. Следовательно, в конце неизбежно ускоренное изменение тока в секции, что вызывает увеличение реактивной ЭДС. Одновременно плотность тока под щеткой становится неравномерной. Она сильно возрастает у края пластины, которая выходит из-под щетки, а это может вызвать сильное нагревание края щетки и края пластины коллектора. Обе эти причины могут обусловить искрение — возникновение миниатюрных электрических дуг под щеткой со стороны уходящей пластины коллектора.

Для того чтобы уничтожить или хотя бы ослабить вредное действие реактивной ЭДС, необходимо противопоставить ей вторую индуктируемую ЭДС, называемую коммутирующей ЭДС e_к. Таким образом, условие идеальной коммутации:

e_р = –e_к = 0.

Коммутирующая ЭДС создается движением витков коммутируемой секции во внешнем магнитном поле, причем в большинстве случаев e_к индуктируется магнитным полем дополнительных полюсов машины

F_д.п, т.е.

eк = –w_сdF_д.п/dt.

При изменениях нагрузки машины изменяется и реактивная ЭДС, пропорциональная току якоря, но одновременно в такой же мере изменяется и коммутирующая ЭДС, так как обмотка дополнительных полюсов соединена последовательно с якорем. Таким образом, при изменениях нагрузки не нарушается взаимная компенсация ЭДС e_р и e_к.

Усилив надлежащим образом поле дополнительных полюсов путем увеличения числа витков их обмотки, можно сделать e_р > e_к, что обусло-вит ускоренную коммутацию. Она осуществляется в машинах, предназначенных для особо тяжелых условий работы, например при частом реверсировании.

В машинах малой мощности для создания коммутирующего магнитного поля вместо дополнительных полюсов применяется сдвиг щеток с геометрической нейтрали. При таком сдвиге в коммутируемой секции ЭДС е индуктируется главным магнитным полем, причем в генераторе щетки должны быть сдвинуты по направлению вращения якоря, а в двигателе — против направления вращения (см. рис. 13.15, в).

Особо опасный случай неблагоприятной коммутации представляет собой круговой огонь по коллектору. Это мощная электрическая дуга, замыкающаяся непосредственно по коллектору или даже перекидывающаяся на станину машины, так что машина может тяжело пострадать. Круговой огонь возникает при резком изменении тока в коммутируемой секции обмотки якоря, что вызывает увеличение реактивной ЭДС, а последняя создает мощную дугу между щеткой и краем уходящей пластины. Эта дуга не гаснет и растягивается вследствие вращения коллектора; в результате непосредственно на коллекторе машины возникает короткое замыкание, разрушающее коллектор и щетки.