Коммутация в машинах постоянного тока

При вращении якоря секции обмотки непрерывно перехо­дят из одной параллельной ветви в другую и в них происходит из­менение направления тока. Процесс переключения секции из одной параллельной ветви в другую называется коммутацией. В широком смысле слова под коммутацией понимают совокупность явлений, свя­занных с изменением направления тока в секциях при переходе их из одной параллельной ветви в другую, и передачей тока через сколь­зящий контакт между коллектором и щеткой. Процессы, возникающие при этом в секциях и под щетками, называются коммутационными. Пе­реключаемая секция называется коммутируемой, а время в течение которого происходит процесс коммутации — периодом коммутации Т. Коммутацию рассмотрим на примере простой петлевой обмотки

Рис.1 — Коммутация простой петлевой обмотки — процесс переключения одной секции

Процесс переключения одной секции показан на рис.1 при ус­ловии, что ширина щеток b_щ равна ширине коллекторной пластины b_k. В реальной машине щетка перекрывает несколько пластин и процесс коммутации происходит сразу в нескольких секциях. За время переключения сила тока в короткозамкнутой (коммутирующей) секции изменяется от значения i_a до того же значения в обратном направ­лении т.е. от +i_a до –i_a. Установим закон изменения комму­тационного тока, причины и следствия его изменения. При вращении коллектора пластина I постепенно сбегает со щетки, а пластина 2 набегает на щетку, происходит замыкание секции щеткой через кол­лекторные пластины I и 2 накоротко. Для контура короткозамкнутой секции можно составить уравнение ЭДС по второму закону Кирхгофа.

где       – сумма ЭДС индуктируемых в коммутируемой секции ;

i – ток в коммутируемой секции ;

R_k– активное сопротивление K–го участка контура.

В коммутируемой секции индуктируется ЭДС самоиндукции e_L, вызванная изменением тока в секции, ЭДС взаимоиндукции e_M, выз­ванная изменением тока в соседних одновременно коммутируемых сек­циях, коммутирующей ЭДС e_k, возникающей в секции за счет пере­сечения ее результирующим полем или полем добавочных полюсов. Кроме того возникает трансформаторная ЭДС e_?, вызванная пульсаци­ей во времени магнитного потока Ф из–за зубчатости якоря.

Одна­ко она мала и ее в дальнейшем не учитываем.

Сумму ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции называют реактивной ЭДС

Она равна

где      L_c– индуктивность секции ;

M_c– взаимная индуктивность секции;

L_k=L_c+M_c –эквивалентная индуктивность секции.

По закону Ленца реактивная ЭДС направлена таким образом, чтобы препятствовать изменению тока в коммутируемой секции.

ЭДС e_k может действовать как согласно с e_p, так и встречно. Это зависит от направления внешнего магнитного поля в зоне коммутации, то есть

Активное сопротивление щеточного контакта значительно боль­ше других сопротивлений контура короткозамкнутой секции. Поэтому для упрощения будем учитывать только сопротивления R_щ1 и R_щ2 – контактные сопротивления сбегающего и набегающего краев щетки. Тогда

По первому закону Кирхгофа для узлов А и В можно записать

Решая совместно уравнения  получим

Переходные сопротивления R_щ1 и R_щ2 обратно пропорциональны пло­щадям касания щетки с коллекторными пластинами и, если учесть, что эти площади изменяются пропорционально времени коммутации, то получим

   

Где  R_щ – сопротивление переходного контакта всей поверхности щетки ;

S_щ – полная площадь контакта щетки с коллектором ;

S_щ1, S_щ2 – площади сбегающего и набегающего контакта щеток с коллектором;

Tк – период коммутации ;

t– промежуток времени от начала коммутации.

Подставляя значение R_щ1 и R_щ2 в уравнение, найдем

Анализируя уравнения видим, что если коммути­рующая ЭДС e_k будет равна реактивной ЭДС e_p, и направлена навстречу ей, то вторая составляющая коммутационной силы тока будет равна нулю, так как  =0 и сила тока будет изменяться по линейному закону

График этой функции представлен на рис.2. Токи i₁ и i_2, текущие через коллекторные пластины изменяются во времени линейно. Коммутация с таким характером изменения токов называется прямоли­нейной. Плотность тока по всей площади будет одинаковой. Это наиболее благоприятная коммутация.

Рис.2 — График функции

При = 0  ток в секции i представляет сумму двух состав­ляющих: линейного тока i_л и так называемого добавочного тока ком­мутации i_к, определяемого величиной .

При e_к<e_p доба­вочная сила тока i_к, накладываясь на силу тока линейной комму­тации i_л, будет задерживать изменение тока в секции и она сначала будет изменяться медленнее (кривая I рис.3), чем при линейной коммутации. Такой процесс изменения силы тока в коммути­руемой секции называется замедленной криволинейной коммутацией. Она характеризуется неравномерным распределением тока под щеткой. Под сбегающим краем щетки плотность будет больше, чем род набега­ющим. Это приведет к искрообразованию на коллекторе.

Рис.3

При e_к>e_p добавочная сила тока i_к накладываясь на i_лбу­дет ускорять изменение тока i в секции и процесс коммутации пой­дет быстрее, чем при линейной коммутации (кривая 2 рис.3). Такая коммутация называется ускоренной криволинейной коммутацией. В этом случае добавочный ток будет увеличивать плотность тока под набегающим краем щетки и уменьшать под сбегающим, создавая неравномерную плотность тока. Это также приводит к искрообразованию на коллекторе.Таким образом, состояние коммутации определяется, главным образом, значением тока i_к, величина которого зависит от суммарной ЭДС  и сопротивления переходного контакта щетки R_щ.

В соответствии с нормами (ГОСТ 183-74) искрение на коллекторе электрической машины должно оцениваться по степени искрения под сбегающим краем щётки и по шкале (классам коммутации). Электрические машины,предназначенные для работы в длительном режиме, при номинальной нагрузке должны практически работать без искрения (допустимая степень искрения должна быть не выше 1 ? ). У электрических машин, работающих в кратковременном и повторно-кратковременном режимах, при номинальной нагрузке может быть допущена степень искрения ( класс коммутации) 1.