5.4 Сповільнена і прискорена комутація

В загальному випадку, сума ЕРС в комутованій секції не дорівнює нулеві, тобто в рівнянні (5.5) . Але якщо в короткозамкненій секції є ЕРС, значить в ній з’явиться і струм. Цей струм, який накладається на основний і замикається через колекторні пластини поперек щітки, називаєтьсяодатковим поперечним струмом комутацїї (струм на рис. 5.16).

Очевидно, при сходженні щітки з пластини 1 відбудеться розрив електричного кола зі струмом , що і викличе іскріння під щіткою. Напрями додаткового поперечною струму комутації і характер комутації при цьому залежать від співвідношення між ЕРСі.

Нехай , тоді в комутованій секції залишається не балансна ЕРС. За законом Ленца, напрямок ЕРС, а значить іповинні бути таким, щоб протидіяти тому явищу, в результаті якого вона виникла. Отже, ЕРС і обумовлений нею струмбудуть напрямлені так, щоб підтримати протікання в попередньому напряму струму в секції (див. рис. 5.1б), внаслідок чого лінія зміни струму викривляється, а струм змінює свій напрям пізніше часу. Така комутація називаєтьсясповільненою (крива 1 на рис. 5.2б). Розривання щіткою струму призводить до іскріння між збігаючим краєм щітки і колекторною пластиною 1.

Якщо то додатковий поперечний струм, обумовлений наявністю не балансної ЕРС прагне прискорити процес комутації. Комутація будеприскореною (крива 2 нарис. 5.2б), тобто зміна напряму струму в секції пройде швидше, ніж це вимагається для безіскрової роботи щіток (раніше часу). Збігаючий край щітки при прискореній комутації розриває струм, отже і в тому випадку буде спостерігатись іскріння під щітками.

В обох випадках комутації (сповільненої і прискореної) в комутованій секції встановлюється струм паралельної гілки () пізніше часу: перехідний струм продовжує текти через дугу, що горить (штрихові лінії 3 на рис.5.26). Ступінь іскріння залежить від значення струму, що розривається, яке в свою чергу визначається значенням не балансової ЕРС або.

Очевидно, застосування щіток з більшим перехідним опором в місці контакту з колектором зменшує значення струму і ступінь іскріння. В цьому ж напрямку діє розділення щітки на дві частини (див. п.1.2), оскільки перехідний опір між двома половинками щітки трохи зменшує струм.

Чим менше значення реактивної ЕРС, тим легше добитися більш чи менш повної компенсації, тим менше буде струм , що розривається, а отже ступінь іскріння.

5.5 Реактивна ерс і способи її зменшення

Ми виявили причину виникнення реактивної ЕРС. Розглянемо тепер фактори, від яких залежить її значення. На рис. 5.3а зображений момент одночасної комутації секцій 1 і 2 петлевої обмотки з повним кроком . При цьому в секції 1 виникає ЕРС самоіндукціїі ЕРС взаємоіндукції, тобто виникає реактивна ЕРС [див. вираз (5.3 б)].

При вкороченій обмотці, коли (цьому випадкові відповідає рис. 5.3б), секції 1 і 2 лежать у різних пазах і при комутації не впливають одна на одну, тобто ЕРС. Це справедливо лише у випадку.

В реальних машинах завжди , а щітка перекриває кілька колекторних пластин. Через це повністю виключити в комутованих секціях ЕРС взаємоіндукції неможливо, але все ж вкорочення обмотки істотно знижує значення, а значить і реактивну ЕРС.

Рис. 5.3 Комутація секцій петлевої обмотки при а - секції 1 і 2 наводять одна на одну ЕРС взаємоіндукції; б - секції 1 і 2 не впливають одна на одну при комутації

Визначимо значення реактивної ЕРС для випадку прямолінійної комутації, для чого у вираз (5.13) підставляємо (5.4), тоді:

(5.16)

Позначимо через питому, магнітну провідність на одиницю довжини секції, яка має дві сторони (кожна довжиною 4); тоді, а вираз (5.14) прийме вигляд

(5.15)

Оскільки колекторна поділка а щіткове перекриття,то; тоді період комутації

(5.16)

В реальних машинах щіткове перекриття становить. Щоб мати уявлення про значенняТ_к, розглянемо тяговий двигун, у якого номінальна частота обертівп-720 Об/хв.=12 Об/с, К=300 іу=3,6. При цих умовах с. У інших машин значенняТ_к може бути ще менше, тому процес комутації по відношенню до зовнішнього кола машини є періодичним процесом з частотою1000 Гц і більше.

Згідно (3.1а) кількість витків у секції , тоді. Підставимо це значення, а також вира (5.16) у (5.15), яке помножимо і поділимо на; тоді

(5.18)

Спростимо цей вираз. Числа 2К в чисельнику і знаменнику скоротяться, є лінійне навантаження [див. вираз (4.1)], - колова швидкість якоря. З урахуванням: цього вираз (5.17) приймає вигляд

(5.18)

Аналіз виразу (5.18) дозволяє встановити зниження значення е_р. Найголовнішим і незаперечним з них є застосування в потужних машинах з тяжкими умовами комутації одновиткових секцій. Прагнення до зниження значеньА іхоча і призведе до зменшення реактивної ЕРС, але в цей же час погіршує використання матеріалів у машині і викликає збільшення її розмірів.

Істотний вплив на зменшення реактивної ЕРС може здійснити зменшення магнітопровідності потоку, зчепленого з секцією, що замикається навколо провідника. Через це, попри інші рівні умови машина з більш широким і неглибоким пазом, який здійснює більший опір для цього потоку, матиме менше значення, ніж машина з вузьким і глибоким пазом.

Значне зниження значення і як результат покращення умов комутації досягнуті в безпазових якорях тягових електродвигунів. Ці якорі є гладкими барабанами., на яких укладаються обмотки, що скріплюються бандажуванням склопластиками, які пропитуються в епоксидному компаунді гарячого затвердіння і утворюють ізоляцію типу "моноліт". Відсутність зубців у гладких якорях призводить до значного зниження значення, а значить і реактивної ЕРС .

Збільшення щіткового перекриття хоча і призводить до підвищення впливу взаємної індукції через збільшення кількості одночасно комутованих секцій, але в незначній мірі, і значенняе_р все ж зменшується.

Значне збільшення перекриття не допускається з причин, котрі викладені в п. 5.7 [формула.(5.23)].