23. Обратимость машин постоянного тока.

Обратимость машин. При работе машины в генераторном ре­жиме в результате взаимодействия проводников обмотки якоря, по которым протекает ток, с магнитным потоком полюсов возникает электромагнитная сила F (правило левой руки), препятствующая вращению якоря Для преодоления этой силы к яко­рю генератора должна быгь постоянно приложена внешняя сила.

Если убрать внешнюю силу и, сохранив полярность полюсов, пропустить через обмотку якоря ток того же направления, то элект­ромагнитная сила сохраняет свое направление. Под действием этой силы якорь будет вращаться в направлении, противоположном на­правлению вращения генератора — машина переходит в двигатель­ный режим. Следовательно, каждая машина постоянного тока мо­жет работать в режиме как генератора, так и двигателя Это свой­ство электрических машин называется обратимостью.

В зависимости от способа питания обмоток возбуждения двига­тели делятся на двигатели независимого, параллельного, последо­вательного и смешанного возбуждения.

24. Явление коммутации мпт.

В широком смысле слова под коммутацией понимают все явления и процессы, возникающие между щетками и коллекторными пластинами, к которым в первую очередь относится искрение, вызываемое как механическими причинами, так и электромагнитными процессами. К механическим причинам относятся: биение коллектора, вибрация щеткодержателей, трение шероховатых поверхностей щеток о выступающие коллекторные пластины, в результате чего изменяется переходное сопротивление контактов, а иногда и возникает их разрыв, сопровождающийся электрической дугой. Однако, даже при идеальных условиях механического контакта искрение может возникать вследствие электромагнитных процессов.

В более узком смысле коммутацией называется процесс изменения тока в короткозамкнутых секциях обмотки якоря при его переходе из одной параллельной ветви в другую.

Каждая из секций обмотки якоря при его вращении периодически попадает из одной параллельной ветви в другую, при этом происходит изменение направления тока в ней на противоположное. Ток параллельной ветви равен току якоря, отнесенного к числу параллельных ветвей: , а его изменение происходит за время, в течение которого щетка замыкает коллекторные пластины, к которым присоединяется коммутируемая секция. Это время называется периодом коммутации и зависит от ширины щетки и окружной скорости движения коллектора:

. (2.12)

Скорость движения коллектора велика, а ширина щеток мала, поэтому время коммутации мало и составляет в современных машинах Т_К = 0,0001 – 0,001 с. Это приводит к быстрому изменению тока, и возникновению в короткозамкнутой секции больших ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции, которые называются реактивными:

, (2.13)

где L_c; M_c – собственная и взаимная индуктивности коммутируемой секции; i_к – коммутационный ток.

Помимо реактивной ЭДС за счет внешнего магнитного поля, характеризуемого индукцией В_К в зоне коммутации, в двух активных частях секции длиной l_a наводится ЭДС вращения, называемая также коммутационной, которая равна:

, (2.14)

где W – количество витков в коммутируемой секции.

На рис. 2.6 показаны три основные стадии процесса коммутации (для упрощения принято, что ширина щетки равна ширине коллекторной пластины, а изоляционное расстояние между пластинами пренебрежимо мало).

1. Щетка расположена под коллекторной пластиной 1. Ток коммутируемой секции равен току одной параллельной ветви: , и через коллекторную пластину1 к щетке протекает ток двух параллельных ветвей: . Через коллекторную пластину2 ток не протекает: .

2. Большая часть щетки расположена под коллекторной пластиной 1, а меньшая – под пластиной 2. Ток к щетке протекает через обе пластины, причем сумма токов остается неизменной: . Ток коммутации уменьшается, но знака не меняет.

3. Щетка расположена под коллекторной пластиной 2. Ток коммутируемой секции изменяет направление, и равен току одной параллельной ветви: , а через коллекторную пластину2 к щетке протекает ток двух параллельных ветвей: . Через коллекторную пластину1 ток не протекает: .

В общем случае протекающие через коллекторные пластины 1 и 2 токи определяются равенствами:

; . (2.15)

Полагая, что сопротивление коллекторных пластин пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением щетки, для контура коммутации можно записать следующее уравнение:

, (2.16)

где r₁, r₂ – сопротивления частей щетки, которые находятся под соответствующими коллекторными пластинами.

Подставляя в это уравнение токи i₁ и i₂, выраженные через ток параллельной ветви i_a и ток коммутации i_к, получим:

,

и путем решения относительно тока коммутации – уравнение, которое называется основным уравнением коммутации:

. (2.17)

ЭДС и сопротивления в этом уравнении являются функциями времени, тока и производной тока по времени, поэтому его решение возможно только при различных упрощениях.

Прямолинейная коммутация является идеальной, и имеет место в том случае, если алгебраическая сумма реактивной и коммутационной ЭДС равна нулю. Полагая, что сопротивления r₁ и r₂ обратно пропорциональны соответствующим площадям, а площади прямо пропорциональны времени t, получаем:

; . (2.18)

В результате подстановки и выражений (2.18) в основное уравнение коммутации (2.17), и сокращений получаем уравнение прямолинейной коммутации:

. (2.19)

Прямолинейная коммутация (рис. 2.7 – а) характеризуется следующими важными признаками.

1. Равномерным распределением плотности тока по всей поверхности соприкосновения коллекторных пластин со щетками.

2. В конце коммутации ток под сбегающим краем щетки равен нулю, поэтому коллекторная пластина выходит из-под щетки без разрыва цепи протекания тока.

Вследствие этого электромагнитные процессы при прямолинейной коммутации не вызывают искрения.

Действие реакции якоря, изменение частоты вращения, и другие причины приводят к тому, что реактивная и коммутационная ЭДС не равны между собой: , в результате чего коммутация становится нелинейной (рис. 2.7 – б). Полный ток коммутации согласно уравнению (2.17) представляет собой алгебраическую сумму тока линейной коммутации и добавочного тока, направление которого определяется знаком алгебраической суммы реактивной и коммутационной ЭДС:

Замедленная коммутация имеет место при . Согласно правилу Ленца реактивная ЭДС при этом препятствует изменению тока. Добавочный токi_доп увеличивает полный ток. Плотность тока под сбегающим краем щетки возрастает, а разрыв тока в коммутируемой секции происходит после того, как коллекторная пластина вышла из-под щетки, что приводит к искрению под сбегающим краем щетки.

Ускоренная коммутация имеет место, если . При этом добавочный токi_доп увеличивает полный ток и плотность тока под набегающим краем щетки, а разрыв тока в коммутируемой секции происходит до того, как коллекторная пластина выйдет из-под щетки, что приводит к искрению под ее набегающим краем.