Комутація в колекторних електричних машинах

Комутація в колекторних електричних машинах

Робота машини постійного струму, як правило, супроводжується іскрінням між щіткою і колектором. Іскріння на колекторі – явище досить шкідливе. Воно приводить до підгорання колектора і щіток, забруднення машини, неможливості використання машини в вибухонебезпечних приміщеннях, нестабільності характеристик машини через опір контакту щітка-колектор, що змінюється, і т.д.

Існує багато причин, що викликають це негативне, а іноді і небезпечне явище. Всі вони можуть бути розділені на три групи: механічні, потенціальні і комутаційні.

До механічних причин відносяться: погане притискання щіток до колектора, неправильна конфігурація або негладка поверхня колектора, забруднення поверхні колектора, виступ ізоляції над колекторними пластинами, погане закріплення траверси, пальців або щіткотримачів, а також інші недоліки в конструкції і виробничому виготовленні машини. При вказаних несправностях, особливо в умовах вібрації, в окремі моменти часу порушується контакт щітки з колектором, що приводить до іскріння.

Потенціальні причини з’являються при виникненні напруги (різниці потенціалів) між сусідніми колекторними пластинами, що перевищує допустимі межі. В цьому випадку іскріння найбільш небезпечне, так як воно може перейти в “круговий вогонь”.

Комутаційні причини викликаються фізичними процесами, що відбуваються в машині при переході секцій обмотки якоря з однієї паралельної вітки в іншу.

Іноді іскріння викликається комплексом причин.

Вияснення причин іскріння слід починати з механічних, так як вони, як правило, виявляються при зовнішньому огляді колектора і щіточного апарату. Найбільші труднощі у виявленні і усуненні являють комутаційні причини іскріння. Тому досить корисно розібратися у фізичній сутності процесу комутації.

При обертанні якоря машини колекторні пластини почергово вступають в контакт з колекторами. При цьому перехід щітки з однієї пластини на іншу супроводжується перемиканням якої-небудь секції обмотки якоря з однієї паралельної вітки в іншу і зміною напрямку струму в цій секції.

image003

Рис.1.1.23. До питання про комутацію.

В останньому неважко пересвідчитися, розглядаючи рис. 1.1.23, на якому зображений якір з трьома секціями або з однією секцією в різні моменти часу (в різних положеннях якоря, що обертається): в момент часу 1 по секції, яка розглядається, протікає струм одного напрямку; в момент часу 2, коли секція знаходиться під щіткою, струм в ній відсутній; в момент часу 3 по секції знову протікає струм, але вже іншого напрямку. Сукупність явищ, пов’язаних зі зміною струму в секціях обмотки якоря при перемиканні цих секцій з однієї паралельної вітки в іншу, і називається комутацією.

Секція, в якій відбувається комутація, називається комутуючою, а час, на протязі якого відбувається процес комутації, називається періодом комутації. Період комутації визначається відрізком часу, починаючи з моменту, коли колекторна пластина вступає в дотик з щіткою, і закінчуючи моментом, коли пластина повністю виходить з дотику з нею.

Розглянемо процес комутації, вважаючи, що в комутуючій секції на протязі всього періоду комутації не індукується ЕРС. При цьому ширину щітки приймемо рівною ширині колекторної пластини.

В початковий момент комутації (рис. 1.1.24, а) контактна поверхня щітки доторкається тільки пластини 1, а секція 1(комутуюча секція) відноситься до лівої паралельної вітки обмотки і в ній протікає струм іа = І/2. Потім пластина 1 поступово збігає з щітки і на її місце набігає пластина 2. В результаті комутуюча секція виявляється замкненою накоротко, і струм в ній поступово зменшується. Коли ж контактна поверхня щітки рівномірно перекриває обидві колекторні пластини (рис.1.1.24, б), робочий струм в комутуючій секції стає рівний нулю. В кінці процесу комутації (рис.1.1.24,б) щітка повністю переходить на пластину 2, а струм в комутуючій секції знову досягає величини І/2. Але за напрямком цей струм протилежний струмові на початку комутації, а сама комутуюча секція тепер виявляється в правій паралельній вітці обмотки якоря. Таким чином, за період комутації струм в комутуючій секції змінився від +іа до –іа.

Але в реальних умовах роботи електричних машин постійного струму процес комутації протікає значно складніше. Справа в тому, що період комутації досить малий – вимірюється мікросекундами. При такій швидкій зміні струму в комутуючій секції, розташованій в пазі, тобто оточеної феромагнітним матеріалом – сталлю якоря, і володіючою індуктивністю Lс, наводиться ЕРС самоіндукції

image004 (1.1.8)

Як правило, ширина щітки більша ширини колекторної пластини, тому в машині одночасно комутують декількамагнітопов’язаних між собою секцій. Наявність магнітного зв’язку між секціями приводить до того, що в комутуючих секціях, крім ЕРС самоіндукції eL, наводиться ЕРС взаємоіндукції eM, яка також являється реактивною. Сумісно ці ЕРС складають реактивну ЕРС.

image006 (1.1.9)

image008

Рис.1.1.24. Зміна напрямку струму в секції обмотки якоря в процесі комутації.

Крім ер, в комутуючій секції наводиться ще ЕРС обертання. Виникнення її пояснюється тим, що магнітне поле машини, спотворене реакцією якоря, створює в зоні комутації магнітну індукцію Вк (див. рис.1.1.21, в), яка, в свою чергу, наводить в комутуючій секції ЕРС обертання

image010 (1.1.10)

де l – довжина активної сторони секції, м; J — швидкість руху секції, м/с; wс–кількість витків в секції.

Повна ЕРС комутуючої секції ек рівна сумі ЕРС – реактивної ер і обертання еоб:

image012 (1.1.11)

В процесі комутації комутуюча секція замкнена щіткою накоротко і під дією ек в цій секції виникає струм, який називається струмом комутації. В момент закінчення періоду комутації, коли щітка втрачає контакт з однієї з пластин колектора, розмикається коло струму ік комутуючої секції. При цьому енергія магнітного поля

image014 (1.1.12)

накопичена за період комутації, витрачається на підтримання струму ік в комутуючій секції. В результаті в момент розмикання секції щіткою між збігаючою пластиною колектора і збігаючим краєм щітки виникає електрична іскра. Цей процес повторюється при збіганні щітки з кожної колекторної пластини, тобто практично продовжується безперервно, поки працює машина, що створює безперервне іскріння на щітках.

Таким чином, причиною негативної комутації в машинах постійного струму являється додатковий струм комутації. Негативна комутація, що супроводжується іскрінням, веде до підгорання щіток і появі почорніння на колекторі, що являється причиною подальшого підсилення іскріння. Крім того, іскріння являється швидкопротікаючим процесом, в результаті якого виникають випромінювання електромагнітних хвиль, що створюють завади радіоприйому. Останню обставину необхідно враховувати при роботі машин постійного струму поблизу радіопристроїв.

Васюра А.С. – книга “Електромашинні елементи та пристрої систем управління і автоматики”

Оставьте комментарий к статье