Способы возбуждения машин постоянного тока

Свойства машин постоянного тока в значительной степени определяются способом включения обмотки возбуждения, т.е. способом возбуждения. По способам возбуждения машины постоянного тока можно классифицировать следующим образом, см. рисунок 4.12:

– машины с возбуждением от постоянных магнитов;

– машины независимого возбуждения, в которых обмотка возбуждения (ОВ) питается постоянным током от источника, электрически не связанного с обмоткой якоря;

– машины параллельного возбуждения, в которых обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены параллельно;

– машины последовательного возбуждения, в которых обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены последовательно;

– машины смешанного возбуждения, в которых имеются две обмотки возбуждения – параллельная ОВ1 и последовательная ОВ2;

– машины с возбуждением постоянными магнитами.

 

Рис 4.12. Способы возбуждения машин постоянного тока.

 

Начала и концы обмоток машин постоянного тока согласно стандарту обозначаются следующим образом

– обмотка якоря – Я1 и Я2,

– обмотка добавочных полюсов – Д1 и Д2,

– компенсационная обмотка – К1 и К2,

– обмотка возбуждения независимая – M1 и М2,

– обмотка возбуждения параллельная (шунтовая) – Ш1 и Ш2,

– обмотка возбуждения последовательная (сериесная) – С1 и С2.

 

Коммутация

Коммутацией называется процесс изменения тока в секции, замкнутой накоротко щеткой при переходе секции из одной ветви обмотки в другую. Визуально плохая коммутация выражается в том, что машина искрит. Безыскровая коммутация является необходимым условием длительной и надежной работы машины.

Рассмотрим якорь с простой волновой обмоткой, когда коммутирует только одна секция с током в каждой параллельной ветви.

 

Рис. 4.13. Коммутация тока при : щетка расположена на пластине 2; щетка расположена на пластине 1; промежуточное положение щетки.

 

Предположим, что ширина щетки равна коллекторному делению , а толщина изоляции между пластинами мала и ей можно пренебречь:

,
– ширина пластины.

В момент, когда щетка находится над пластиной 2 (рисунок 4.13) токи распределяются следующим образом: в проводнике 2 ток ; в проводнике 1 ток ; в секции между пластинами 1 и 2 течет ток i от b к d (положительное направление); т.е. .

Спустя некоторое время щетка перейдет с пластины 2 и расположится над пластиной 1 (рисунок 4.13). В этот момент

, , .

За время ток в рассматриваемой коммутируемой секции изменяется от до , т.е. на . Этот процесс называется коммутацией тока якоря и составляет сущность явлений, которые образуют коммутационный процесс. Время , за которое происходит коммутация тока, называется периодом коммутации.

Положение щетки над пластиной 2 соответствует начальному моменту коммутации тока , а положение щетки над пластиной 1 – конечному моменту коммутации . В промежуточные моменты щетка будет находиться частично над пластиной 1, а частично над пластиной 2 (рисунок 4.13). В этом случае имеем замкнутую цепь, образованную щеткой, пластинами 1 и 2 и присоединенной к ним секцией.

При бесконечно малой скорости на окружности коллектора в комутируемой секции не индукцируется ЭДС. Ток встречает на своем пути только сопротивление коммутирующей секции , соединительных проводников и сопротивление контакта между коллектором и щеткой. Сопротивлениями коллекторных пластин и щетки можно пренебречь. Коммутацию, определяемую только активными сопротивлениями, называют коммутацией сопротивлением. Как правило, преобладающее значение имеет сопротивление контакта щетки, а сопротивлением секции можно пренебречь.

Прямолинейная коммутация. При коммутации сопротивлением (, , ) не индукцируется ЭДС в коммутируемой секции. Для замкнутой цепи, образованной коммутирующей секцией и щеткой (см. рис. 4.14), имеем

,
где и – сопротивления контакта тех частей щетки, которые в данный момент перекрывают пластины 1 и 2. При прочих равных условиях сопротивления и обратно пропорциональны площадям и соответствующих частей щетки:

, ,
где – ширина щетки по оси коллектора; – скорость на окружности коллектора; – время, истекшее с начала коммутационного процесса.

Тогда

.

Следовательно, с учетом соотношения

.

Поскольку от якоря к щетке подводится ток , то независимо от момента времени

.

Решая совместно последние уравнения, получаем:

и .
Тогда

.

Следовательно, коммутирующий ток изменяется от времени линейно, поэтому коммутация называется прямолинейной. Площадь набегающего края щетки , сбегающего . Следовательно, плотность тока

и ,
где и – углы, образованные с осью времени касательными к кривой в начальной и конечной ее точках. При прямолинейной коммутации эти углы равны на всем протяжении кривой независимо от момента времени, поэтому плотности тока во всех точках контакта под набегающим и сбегающим краями щетки одинаковы .

 

Рис. 4.14. Коммутация сопротивлением: прямолинейная коммутация; общий случай коммутации сопротивлением.

 

Коммутация сопротивлением при , , . Для замкнутой цепи, образованной коммутирующей секцией и щеткой,

.
Сопротивление щеточного контакта обратно пропорционально плошали щетки , тогда

и ,
отсюда

и .
В коллекторной пластине 1 и 2 (см. рисунок 4.14)

и .
Тогда уравнение коммутируемой секции

,
или .
Решая это уравнение относительно , получим

.
Кривая показана на рисунке 4.14, пунктиром изображен ток при прямолинейной коммутации.

Коммутация при скорости на окружности коллектора , . При вращении якоря с определенной частотой вращения в коммутирующей секции возникают две ЭДС:

– ЭДС самоиндукции вследствие изменения сцепленного с этой секцией магнитного потока от некоторого значения определяемого током в начальный момент коммутации, до значения , определяемого током в конечный момент коммутации)

– ЭДС внешнего поля , индуцируемая в коммутирующей секции внешним полем, находящимся в зоне коммутации.

ЭДС самоиндукции создает в коммутирующей цепи добавочный ток коммутации , который стремится скомпенсировать происходящие в этой цепи изменения тока. Поскольку по мере набегания щетки на пластину 1 (рисунок 4.15) ток растет, а ток уменьшается, то направление тока показано на рисунке 4.15.

 

Рис. 4.15. Ток , создаваемый ЭДС .

 

ЭДС внешнего поля меняет знак в зависимости от направления внешнего поля. Для коммутирующей цепи (см. рисунке 4.15) уравнение ЭДС коммутации имеет следующий вид:

.
Считая что и , имеем

.
Учитывая соотношения

, и , ,
получим

.
Выразим ток :

.

Таким образом, коммутирующий ток представляет собой сумму двух токов – тока прямолинейной коммутации и налагающегося на него добавочного тока коммутации , обусловленного суммой ЭДС .

Замедленная коммутация при . Предположим, что , тогда добавочный ток коммутации:

.
Считают, что , тогда при и сопротивление ; при сопротивление .

Зависимость имеет вид U-образной кривой.

 

Рис. 4.16. Зависимости от времени в процессе коммутации: тока ; сопротивления ; тока .

 

Если наложить ток на ток прямолинейной коммутации , то получим кривую коммутирующего тока , проходящую выше графика прямолинейной коммутации. При действии ЭДС , ток достигает определенного значения позже, чем при прямолинейной коммутации. Поэтому такая коммутация называется замедленной.

Ускоренная коммутация при возникает при , когда ЭДС внешнего поля действует навстречу ЭДС самоиндукции . Ток меняет знак на противололожный относительно замедленной коммутации. При этом

.
где индекс 1 – набегающий край; 2 – сбегающий край.

При резко ускоренной коммутации и .

 

Причины искрения щеток

Работа машины постоянного тока часто сопровождается искрением щеток (в основном на сбегающем крае). Искрение щеток – опасное явление и может нарушить работу машины. Однако требование абсолютно безыскровой («темной коммутации») является чрезмерным, т.к. слабое искрение под небольшой частью щеток неопасно для машины.

 

Степень искрения	Характеристика степени искрения	Состояние коллектора и щеток
	Отсутствие искрения («темная коммутация»)	Нормальное
1,25	Слабое точечное искрение под небольшой частью полюса	Отсутствие почернения на коллекторе и нагара на щетках
1,5	Слабое искрение под небольшой частью щетки	Появление следов почернения на коллекторе, устраняемых протиранием поверхности коллектора бензином, а также следов нагара на щетках
	Искрение под всем краем щетки. Допускается при кратковременных толчках нагрузки и перегрузках	Появление следов почернения на коллекторных не устраняемых протиранием бензином, а также следов нагара на щетках
	Значительное искрение под всем краем щетки с наличием крупных вылетающих искр. Допускается только для моментов прямого безреостатного включения или реверсирования машин, если при этом коллектор и щетки остаются в состоянии, пригодном для работы.	Значительное почернение на коллекторе, не устраняемое протиранием поверхности коллектора бензином, а также подгар и разрушение щеток.

 

Причины искрения:

Механические причины искрения – слабое давление щеток на коллектор, биение коллектора, его эллиптичность или негладкая поверхность, загрязнение поверхности коллектора, выступание миканитовой изоляции над медными пластинами, неплотное закрепление траверсы, пальцев или щеткодержателей, а также другие причины, вызывающие нарушение электрического контакта между щеткой и коллектором.

Потенциальные причины искрения появляются при возникновении напряжения между смежными коллекторными пластинами, превышающего допустимое значение. В этом случае искрение наиболее опасно, так как оно обычно сопровождается появлением на коллекторе электрических дуг.

Коммутационные причины искрения создаются физическими процессами, происходящими в машине при переходе секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую.

Иногда искрение вызывается целым комплексом причин. Выяснение причин искрения следует начинать с механических, так как их обнаруживают осмотром коллектора и щеточного устройства. Труднее обнаружить и устранить коммутационные причины искрения.