2) Уменьшению реактивной э. Д. С. И 3) увеличению сопротивления цепи коммутируемой секции. Добавочные полюсы.

Основным способом улучшения коммутации в современных машинах постоянного тока является создание коммутирующего магнитного поля с помощью добавочных полюсов.

Добавочные полюсы устанавливаются между главными полюсами (рис. 6-12) и крепятся болтами к ярму индуктора. Н. с. добавочных полюсов F_x_ _п должна быть направлена против н. с. реакции

якоря F_ад, чтобы скомпенсировать ее и создать сверх того коммутирующее поле В_к для компенсации реактивной э. д. с. е_г. Следовательно, при отсутствии компенсационной обмотки Р_{я п} > F_ag, а при наличии ее Р_ЛшП + F_K0 > F_aq. В последнем случае требуемая величина F'_{x- п} меньше, так как основная доля реакции якоря компенсируется компенсационной обмоткой.

Учитывая сказанное, на основании рис. 6-12 можно сформулировать правило.

За главным полюсом данной полярности по направлению вращения якоря в режиме генератора должен следовать добавочный полюс противоположной полярности, а в режиме двигателя — добавочный полюс той же полярности.

Так как величины F_aq и е_г пропорциональны току якоря, то для их компенсации f _д „ н В_к также должны быть пропорциональны току якоря. Для удовлетворения этого условия обмотку добавочных полюсов соединяют последовательно с якорем, а добавочные

Рис. 6-12. Расположение и полярность добавочных полюсов

полюсы выполняют с ненасыщенной магнитной системой. Поэтому при номинальной нагрузке в них допускается индукция не больше 0,8—1,0 шл. Так как на отдельных участках ярма индуктора магнитные поля главных и добавочных полюсов складываются, то во избежание насыщения этих участков индукция главного поля в ярме должна быть не больше 1,3 гпл. Сердечники добавочных полюсов изготовляются массивными из стальной поковки или из листовой стали.

Рис. 6-13. Добавочные полюсы с неподразделенным (а) и подразделенным (б) немагнитным зазором

При таком устройстве добавочных полюсов индуктируемая ими коммутирующая э. д. с.

С другой стороны, реактивная э. д. с. та"кже пропорциональна

Поэтому соблюдение условия е_к = е_г при изменении нагрузки и скорости вращения достигается автоматически.

При относительно малом полезном магнитном потоке добавочных полюсов их н. с. F_{K п} приходится брать большой, так как значительная часть Р_л__п (75—85%) расходуется на компенсацию F_aq. По этой причине коэффициент рассеяния добавочных полюсов велик: а_д = 3 -f- 5 при отсутствии компенсационной обмотки и Од = 2 -т- 3 при наличии ее. Если обмотка добавочных полюсов располагается далеко от якоря (рис. 6-13, а), то возникает большой поток рассеяния. Для уменьшения рассеяния обмотку добавочных полюсов-размещают ближе к якорю (рис. 6-13, б), а в крупных машинах, кроме того, подразделяют воздушный зазор на две части путем создания второго немагнитного зазора между ярмом и сердечником добавочного полюса (рис. 6-13, б) с помощью немагнитных прокладок н. п., например, из меди или дюралюминия.

Добавочные полюсы применяются в машинах с Р_н > 0,3 кет. Обычно число добавочных полюсов берется равным числу главных, однако в машинах мощностью до 2—2,5 кет иногда делают половинное число добавочных полюсов. Применение добавочных полюсов позволяет увеличить линейную нагрузку машины и тем самым уменьшить ее размеры и стоимость.

Коммутация создает электромагнитные колебания частотой 1000—3000 гц, которые распространяются по электрической сети, присоединенной к машине. Эти колебания вызывают радиопомехи, затрудняющие работу радиоприемной и другой радиотехнической аппаратуры. Для борьбы с этими помехами производят симметрирование цепи якоря машины, т. е. обмотки, включенные последовательно с якорем, в том числе и обмотку добавочных полюсов, разбивают на две части, которые присоединяют к щеткам противоположной полярности (рис. 6-14). Кроме того, между щетками разных полярностей и корпусом машины присоединяют конденсаторы для шунтирования высокочастотных колебаний Рис 6-14 Подавление радио- на зажимах машины.

помех                             Н. с. добавочного полюса. При-

равняв равенства (6-22) и (6-28), найдем величину В_к — Вк, необходимую для осуществления прямолинейной коммутации:

В^ = Ы_а-                                        (6-32)

Если А_а = (3 -г- 5) -10⁴ а/м и I = (5 -г- 8) -Ю"⁸ гн/м, то В'_к = = 0,15 -f- 0,40 тл.

Для обеспечения несколько ускоренной коммутации необходима определенная дополнительная составляющая В'к, так что

В_к = Вк + Як.                                     (6-33)

Ускоренная коммутация характеризуется тем, что плотность тока /_{щ н} и соответственно падение напряжения в скользящем контакте А^/_щ н У набегающего края щетки больше, чем соответствующие величины /_{щ с} и Л£/_{щ с} у сбегающего края щетки. Для осуществления ускоренной коммутации берут при графитных щетках Л£/_щ „ — А17_{Щ с} = 1,0 -f- 1,5 в и при медных щетках Л£/_щ „ — — Д£/_{щ с} = 0,35 -f- 0,65 е. Соответственно на такую же величину необходимо увеличить коммутирующую э. д. с. в контуре, замыкаемом накоротко краями щетки.

В общем случае щетка перекрывает |3_К пластин и при простой петлевой обмотке замыкает столько же секций. Однако в общем случае m-ходовой сложной петлевой обмотки число последова-

Добавочный полюс должен создавать коммутирующее поле на протяжении всей ширины зоны коммутации, причем к краям этой зоны величина В_к должна спадать в соответствии с формой кривой е_г паза (см. рис. 6-11, ж). Зазор б_д обычно в 1,5—2,0 раза больше зазора 6 под главными полюсами. Ширина наконечника добавочного полюса при этом составляет

Ь_рл = (0,4 4-0,80) Ь_{3ш к}.

Улучшение коммутации путем сдвига щеток. В машинах мощностью до нескольких сотен ватт добавочных полюсов не ставят. Коммутирующее поле при этом можно создать путем сдвига щеток с геометрической-нейтрали, благодаря чему в зоне коммутации начинает действовать поле главных полюсов (рис. 6-15). Чтобы индуктируемая этим полем в коммутируемой секции э. д. с. е_к имела правильное направление, поле главных полюсов в зоне коммутации должно быть направлено против поля реакции якоря. Для этого в генераторе щетки необхрдимо повернуть в сторону вращения, а в двигателе — наоборот (рис. 6-15).

Если поток главных полюсов Фа изменяется пропорционально току якоря (машины с последовательным возбуждением, см. § 9-5 и 10-5), то при определенном, фиксированном положении щеток можно достичь хороших условий коммутации в широком диапазоне изменения нагрузки. Если же Фб = const, то наилучшие условия коммутации достигаются только при одной, определенной нагрузке.

Установку щеток производят на глаз, наблюдая за их искрением. Уменьшение реактивной э. д. с. Как уже указывалось выше, для обеспечения хорошей коммутации необходимо, чтобы е; ^ < 7 ч- 12 в.

Зависимость е_г от различных величин очевидна из равенства (6-28). При этом надо отметить, что уменьшение А_а нецелесообразно с точки зрения использования материалов, а величины v_a = nD_ati и /₆ определяются номинальной мощностью машины. Следовательно, ограничение е_г зависит от возможностей уменьшения w_c и |. В машинах мощностью более 50 кет всегда w_c = 1. Уменьшение g возможно за счет ослабления взаимной индукции между коммутируемыми секциями, что достигается укорочением шага на величину не более одного зубцового деления и применением ступенчатой обмотки (см. § 3-1). В последнем случае взаимоиндуктивная связь между секциями ослабляется вследствие того, что если

Рис. 6-15. Улучшение коммутации путем сдвига щеток с геометрической нейтрали

верхние стороны и_п секций находятся в одном пазу, то их нижние стороны располагаются в разных пазах (см. рис. 3-5, б).

Для уменьшения е_г в петлевых обмотках выбирают также отношение К/р равным нечетному числу, так как при этом секции, охватывающие соседние полюсы, коммутируются со сдвигом на время поворота коллектора на половину коллекторного деления и взаимная индукция соответственно ослабляется. К уменьшению | приводит также уменьшение отношения глубины паза к его ширине и увеличение коэффициента щеточного перекрытия р_к, поскольку в последнем случае знаменатель (6-27) растет быстрее числителя.

Определенное снижение £ получается также, если увеличивать высоту сечения проводника в пазу якоря. В этом случае вследствие эффекта вытеснения тока во время коммутации уменьшается индуктивность проводника и секции.

В петлевых обмотках при отсутствии уравнителей первого рода токи отдельных параллельных ветвей различны и поэтому различны также реактивные э. д. с. секций, коммутируемых различными щетками, и н. с. реакции якоря в зонах различных добавочных полюсов. Однако н. с. всех добавочных полюсов равны, так как они определяются полным током якоря. Вследствие сказанного равновесие между реактивной и коммутирующей э. д. с. нарушается и наступает расстройство коммутации. При наличии уравнителей первого рода указанные неблагоприятные обстоятельства устраняются.

Перспективно применение машин постоянного тока с беспазовым якорем, в которых обмотка якоря укладывается и укрепляется на поверхности цилиндрического якоря. В этом случае потоки рассеяния (см. рис. 6-9) ослабляются, и поэтому реактивная э. д. с. значительно уменьшается. Уменьшается также реакция якоря. Такие машины имеют тот недостаток, что величина немагнитного зазора между полюсами и якорем увеличивается и требуется значительно более сильная обмотка возбуждения.

Увеличение сопротивления цепи коммутируемой секции в принципе возможно за счет выполнения «петушков» с повышенным сопротивлением. Однако это приводит к уменьшению к. п. д. машины, а также к увеличению плотности тока у сбегающего края щетки (см. рис. 6-5, б). Кроме того, такие «петушки» ненадежны в работе.

Существенным является подбор щеток с надлежащими характеристиками. При тяжелых условиях коммутации лучше работают твердые графитные щетки с повышенным переходным сопротивлением переходного контакта, однако при этом электрические потери в переходном контакте и механические потери на трение также больше. Щетки с круто поднимающейся вольт-амперной характеристикой благоприятны с точки зрения уменьшения плотности тока на сбегающем краю щетки и способствуют улучшению

коммутации. Медно-графитные щетки, обладающие малым переходным сопротивлением, применяются только в машинах на напряжение до 25—30 в.

Для улучшения коммутации предложен также ряд других мер, которые, однако, не находят широкого применения.

Улучшение коммутации при переходных режимах и пульсирующем токе. Выше основное внимание уделялось коммутации при нормальных установившихся режимах работы. При резких переходных режимах (толчкообразная и пульсирующая нагрузка, сильные перегрузки, короткие замыкания и т. п.), а также при питании машин постоянного тока через выпрямители от сети переменного тока, в особенности от однофазной сети (например, железные дороги, электрифицированные на переменном токе), условия коммутации ухудшаются.

Одной из причин ухудшения коммутации при указанных условиях может являться наличие трансформаторной э. д. с. е_тр (см. § 6-4), которая возникает при изменении магнитного потока главных полюсов. Компенсация этой з. д. с. с помощью добавочных полюсов практически невозможна, так как закономерности изменения е_тр и е_к различны. В частности, е_тр вовсе не зависит от скорости вращения. Поэтому в необходимых случаях принимают меры к уменьшению е_тр. Например, в тяговых двигателях постоянного тока, устанавливаемых на электровозах переменного тока с выпрямителями, обмотки возбуждения главных полюсов шунтируются активными сопротивлениями. Вследствие большой индуктивности обмотки возбуждения пульсирующая составляющая выпрямленного тока при этом будет ответвляться в шунтирующее сопротивление и поток главных полюсов не будет содержать этой составляющей.

При быстрых изменениях тока в цепи якоря поток добавочных полюсов вследствие возникновения вихревых токов в массивной магнитной цеди и создаваемых ими магнитных потоков не будет изменяться пропорционально току якоря и компенсация реактивной э. д. с. нарушится. Улучшить коммутацию при этом можно с помощью индуктивной катушки, присоединяемой параллельно обмотке добавочных полюсов-. Если постоянная времени

■* и. к ⁼⁼ L^Yi.vfia.. к

индуктивной катушки значительно больше постоянной времени обмотки добавочных полюсов, то ток в этой катушке будет меняться весьма медленно по сравнению с током в обмотке добавочных полюсов. Поэтому резкие изменения тока якоря А/ воспринимаются этой обмоткой, и так как через нее проходит только часть полного тока якоря, то относительное изменение тока в обмотке добавочных полюсов будет больше, чем в обмотке якоря. Такая

«форсировка» тока обмотки добавочного полюса позволяет добиться более быстрого изменения его магнитного потока и тем самым компенсировать в определенной мере влияние вихревых токов в маг-нитопроводе. Однако наиболее эффективной мерой улучшения коммутации в машинах с резко изменяющейся нагрузкой или при сильных пульсациях питающего тока является изготовление сердечников добавочных полюсов, а также ярма машины из листовой электротехнической стали [311.

Эффективной мерой улучшения коммутации при резко переменной нагрузке является также применение компенсационной обмотки, которая предотвращает опасность возникновения кругового огня, а также улучшает условия действия добавочных полюсов.

При значительных перегрузках машины, а в особенности при коротких замыканиях, сердечники добавочных полюсов насыщаются прежде всего за счет больших потоков рассеяния. В этом случае добавочные полосы уже не в состоянии компенсировать реактивную э. д. с. и коммутация сильно нарушается. При наличии компенсационной обмотки поток рассеяния добавочных полюсов значительно уменьшается, в результате чего область их правильного действия увеличивается.

§ 6-7. Коммутационная реакция якоря

При отклонении коммутации от прямолинейной токи в коммутируемых секциях создают, кроме реакции, рассмотренной в гл. 5, дополнительную реакцию якоря.

На рис. 6-16 схематически показан двухполюсный генератор со щетками, установленными на геометрической нейтрали. Щетки изображены достаточно широкими, чтобы показать под ними три коммутируемые секции, начерченные более жирными кружочками.

Рис. 6-16, а соответствует прямолинейной коммутации, когда в средней коммутируемой секции ток равен нулю, а в крайних секциях токи имеют противоположные знаки. Как видно из рис. 6-16, а, ось симметрии распределения токов при этом совпадает с геометрической нейтралью. В этом случае коммутируемые секции не оказывают никакого дополнительного влияния на поле полюсов и коммутационная реакция якоря отсутствует.

Идеализированному случаю предельно замедленной коммутации, когда ток в коммутируемой секции сохраняется неизменным по величине и направлению до самого конца периода коммутации и затем мгновенно изменяет свой знак, соответствует распределение токов, показанное на рис. 6-16, б. Из этого рисунка следует, что при замедленной коммутации в генераторе токи коммутируемых

секций создают размагничивающую реакцию якоря, которая называется коммутационной. В случае ускоренной коммутации в генераторе возникает намагничивающаяся коммутационная реакция якоря (рис. 6-16, в). В двигателе коммутационная реакция якоря, наоборот, при замедленной коммутации будет намагничивающей и при ускоренной — размагничивающей.

Рис. 6-16. Коммутационная реакция якоря

При предельно замедленной и предельно ускоренной коммутации н. с. коммутационной реакции якоря максимальна и на один полюс равна

В действительности F_aK находится в пределах F_aK = 0 -f- F_{OK макс}.

В обычных условиях н. с. коммутационной реакции якоря мала по сравнению с н. с. возбуждения и поэтому оказывает незначительное влияние на магнитный поток машины и режим ее работы. Однако в ряде случаев ее влияние значительно, например, при коротком замыкании машины, когда ток якоря возрастает во много раз, а коммутация вследствие насыщения сердечников Добавочных полюсов нарушается и становится сильно замедленной. Это влияние велико также в электромагнитных усилителях (см. § 11-3), в которых основное, или первичное, магнитное поле является слабым.

§ 6-8. Экспериментальная проверка и настройка коммутации

Ввиду сложности коммутационного процесса теоретический анализ коммутации основывается на ряде допущений и упрощений. Поэтому расчет коммутации при проектировании машин является приближенным и большое значение имеют экспериментальные

методы исследования коммутации. В частности, окончательная настройка коммутации опытных образцов серийных машин и машин индивидуального производства осуществляется после их экспериментального исследования.

Рассмотрим наиболее распространенные экспериментальные методы проверки коммутации.

Метод .подпитки добавочных полюсов. На рис. 6-17 показана схема электрических соединений для выполнения опыта. Здесь Я1 — якорь испытуемой машины, ОВ1 — ее обмотка возбуждения и ДП — обмотка добавочных полюсов: Я2 — якорь вспомогательного генератора, служащего для подпитки добавочных полюсов, 0В2 — его обмотка возбуждения, Р — реостат для регулирования тока возбуждения и Я — переключатель для изменения полярности вспомогательного генератора. При испытании машины ее якорь и обмотка добавочных полюсов нагружаются током 1_а, а с помощью вспомогательного генератора через обмотку ДП пропускается добавочный ток («ток подпитки») ± А/, в результате чего через обмотку добавочных полюсов проходит ток I_a ± А/. При этом снимаются так называемые кривые подпитки, представляющие собой зависимости + А/ = f (/_e) и — А/ = / (1_а)

при определенной степени искрения (1,1-^ или 1-й) на щетках.

Снятие кривых можно начать с холостого хода (1_а — 0). В этом случае также е_г = 0. Подпитывая полюсы сначала в одном, а затем в другом направлении, устанавливаем при 1_а = 0 величины токов + А/ и — А/, вызывающие определенную степень искрения. Причиной искрения при этом является ток в короткозамкнутои секции, который вызывается неуравновешенной коммутирующей э. д. с. е_к, индуктируемой в короткозамкнутых секциях добавочными полюсами. В правильно спроектированной и хорошо изготовленной машине при установке щеток на линии геометрической нейтрали токи + А/ и — А/ при 1_а = 0 приблизительно равны.

Затем в якоре Я1 устанавливаем некоторый ток 1_а и снова определяем токи + А/ и — А/, доводящие искрение на щетках до заданной степени, и т. д.

При увеличении 1_а условия коммутации ухудшаются и соответствующие значения + А/ уменьшаются. В правильно спроектированной машине при правильном действии добавочных полюсов

Рис. 6-17. Схема для снятия кривых подпитки добавочных полюсов

кривые подпитки сходятся в некоторой точке оси абсцисс (рис 6-18,а). Если действие добавочных полюсов слабое, то средняя линия кривых подпитки отклоняется вверх (штриховая линия на рис. 6-18, б), так как наилучшие условия коммутации при этом достигаются при усилении действия добавочных полюсов, т. е. при положительных токах подпитки. При слишком сильном действии добавочных

полюсов средняя линия кривых подпитки отклоняется вниз (рис. 6-18, в).

Кривые подпитки позволяют установить необходимую степень усиления или ослабления действия добавочных полюсов:

В машинах малой и средней мощности, когда число витков добавочных полюсов ау_д достаточно велико, действие последних можно регулировать изменением ш_д на величину ± Лш_д, которая определяется по Д/_Ср и /„ для определенной точки средней линии кривых подпитки (рис. 6-18, б, в):

Рис 6 18 Кривые подпитки добавочных полюсов

В крупных машинах оу_д мало и Лда_д может составить дробную величину, округление которой приводит к большой погрешности. Поэтому в данном случае изменяют воздушный зазор добавочного полюса.

Если добавочные полюсы в условиях опыта насыщаются, то кривые подпитки

искривляются и загибаются вверх (рис. 6-18, г). Поэтому кривые подпитки позволяют также оценить правильность расчета добавочных полюсов в отношении их насыщения.

Зону между кривыми подпитки называют безыскровой зоной или зоной темной коммутации. В буквальном смысле слова это верно, когда кривые снимаются для степени искрения 1. Однако иногда машины при номинальном токе имеют большую степень искрения, и тогда снимать кривые подпитки при степени 1 не имеет смысла.

Кривые подпитки надо снимать при хорошем состоянии поверхности коллектора и зеркала щеток, после приработки щеток к коллектору в течение нескольких часов работы под нагрузкой. Во избежание разброса точек кривых необходимо наблюдать за искрением

какой-нибудь одной щетки. Весь опыт в целом требует определенных навыков и сноровки.

Метод подпитки предложен В. Т. Касьяновым.

Снятие потенциальных кривых производится путем измерения с ломощью вольтметра падения напряжения А£/_щ между щеткой и коллектором по дуге последнего, перекрываемой щеткой (рис. 6-19). Вольтметр присоединяется к коллектору с помощью узкой вспомогательной щетки, передвигаемой по коллектору. Вид потенциальных кривых зависит от характера коммутации (рис. 6-19) и поэтому позволяет делать заключения качественного характера, в частности оценить действие добавочных полюсов. Однако прямые количественные оценки при этом методе невозможны.

Снятие импульсных напряжений на сбегающем краю щетки. Если коммутация замедлена и при размыкании короткозамкнутого контура коммутируемой секции сбегающим краем щетки разрывается определенный ток, то у края щетки возникают искровые разряды и дуги, которые при слабом развитии во время внешнего осмотра могут быть незаметными. Однако при этом возникают импульсные напряжения величиной до нескольких десятков вольт, которые могут быть измерены ламповым (электронным) вольтметром по схеме рис. 6-19. Показания вольтметра зависят от степени искрения, видимого или невидимого. В связи с этим в последние годы некоторые авторы рекомендуют производить настройку добавочных полюсов на минимум подобных импульсных напряжений у сбегающего края щетки.

В заключение отметим, что основные вопросы коммутации были рассмотрены выше упрощенно и весьма кратко. Сложность коммутационного процесса и большое практическое значение улучшения коммутации постоянно привлекают внимание многих исследователей к этой проблеме. Большое количество исследований выполнили в СССР К. И. Шенфер, М. П. Костенко, О. Б. Брон, В. Т. Касьянов,

A.   Б. Иоффе, О. Г. Вегнер, М. Ф. Карасев, Е. М. Синельников,

B.   П. Толкунов и др., а за границей — Е. Арнольд, Б. Ламме, Л. Дрейфус, А. Модюи, К. Треттин, Т. Линвиль и др.

§ 6-9. Предельная мощность машины постоянного тока

Мощность, на которую может быть выполнена машина постоянного тока, ограничивается условиями коммутации, т. е. допустимыми величинами реактивной э д с. е_г и среднего напряжения между коллекторными пластинами

Рис 6-19 Потенциальные кривые щетки

/ — прямолинейная коммутация, 2 — замедленная. 3 — ускооенная