Синхронные машины. Машины постоянного тока (стр. 26 из 42)
Электромагнитные причины приводят к тому, что даже в случае идеального состояния щеточного контакта при выходе коллекторной пластины из-под щетки происходит разрыв электрической цепи, по которой проходит ток, и возникает короткая электрическая дуга, повреждающая сбегающие части щетки и коллекторных пластин. Следует отметить, что искрение, вызванное электромагнитными причинами, повреждает поверхность коллектора и приводит к вибрации щеток, т.е. способствует возникновению искрения по механическим причинам. Неустойчивость же щеточного контакта, обусловленная механическими причинами, оказывает существенное влияние на электромагнитные процессы, происходящие в коммутируемых секциях. Поэтому, как правило, искрение щеток на коллекторе является результатом совместного действия многих причин.
Необходимо иметь в виду, что стоимость ремонта и эксплуатации коллекторных машин (замена щеток, проточка коллекторов, устранение последствий кругового огня и т.д.) очень велика и в некоторых машинах (например, в тяговых электродвигателях) составляет за один год около 1/3 стоимости самой машины. Поэтому мероприятия, проводимые по уменьшению интенсивности искрения щеток, могут дать существенный технико-экономический эффект.
Качество коммутации оценивается степенью искрения (классом коммутации) под сбегающим краем щетки, из-под которого выходят пластины коллектора при его вращении. Допускаемые степени искрения согласно ГОСТ 183–74 приведены в табл. 2.1.
Как видно из табл. 2.1, при длительной работе машины допускается только слабое искрение под щетками. Однако требования ГОСТа относятся только к контролю качества коммутации электрической машины при выпуске с завода.
Таблица 2.1.
| Степень искрения (класс ком мутации) | Характеристика степени искрения | Состояние коллектора и щеток |
| 1 | Отсутствие искрения (темная коммутация) | – |
| 1 1/4 | Слабое точечное искрение под небольшой частью щетки | Отсутствие почернения на коллекторе и нагара на щетках |
| 1 1/2 | Слабое искрение под большей частью щетки | Появление следов почернения на коллекторе, легко устраняемых протиранием поверхности коллектора бензином, а также следов нагара на щетках |
| 2 | Искрение под всем краем щетки. Допускается только при кратковременных толчках нагрузки и перегрузках | Появление следов почернения на коллекторе, неустраняемых протиранием поверхности коллектора бензином, а также следов нагара на щетках |
| 3 | Значительное искрение под всем краем щетки с наличием крупных и вылетающих искр. Допускается только для моментов прямого (без реостатных ступеней) включения или реверсирования машин, если при этом коллектор и щетки остаются в состоянии, пригодном для дальнейшей работы | Значительное почернение на коллекторе, неустраняемое протиранием коллектора бензином, а также подгар и разрушение щеток |
В эксплуатации может наблюдаться искрение значительно большей интенсивности, поскольку машина работает в форсированных режимах (при перегрузках или повышенной частоте вращения). Повышенное искрение щеток может вызываться и другими особенностями эксплуатации: вибрацией и ударами машины, работой на высоте более 1000 м над уровнем моря, работой в запыленных помещениях или в агрессивной среде и т.д. Поэтому технические требования, предъявляемые к разработке машин постоянного тока, должны обязательно учитывать условия их будущей эксплуатации.
Основное уравнение коммутации. При вращении якоря секции его обмотки переходят из одной параллельной ветви в другую, вследствие чего в них изменяется направление тока (рис. 2.29, а). Большую часть времени ток секции равен току параллельной ветви ia = Ia/(2a). Изменение направления тока в секции происходит за период времени Тк, в течение которого соединенные с секцией коллекторные пластины соприкасаются со щеткой (рис. 2.29, б). Время Тк, в течение которого секция оказывается замкнутой накоротко щеткой, называют периодом коммутации; секции, в которых изменяется ток, называют коммутируемыми.
Период коммутации
(2.16)где bщ–ширина щетки; vк–окружная скорость коллектора.
Рис. 2.29 – Направление тока в параллельных ветвях обмотки якорк (а) и график изменения тока в секции (б)
В современных машинах Тк – 0,001 ÷ 0,0001с, вследствие чего средняя скорость изменения тока в секции (di/dt)cp – 2iа/Tк очень велика. Следовательно, в секции может индуктироваться большая э.д.с. само- и взаимоиндукции, называемая реактивной э.д.с:
, (2.17)где Lp–результирующая индуктивность секции, определяющая величину реактивной э.д.с.
Название «реактивная» обусловлено тем, что согласно правилу Ленца эта э.д.с. препятствует изменению тока – замедляет его.
Помимо реактивной э.д.с. в коммутируемой секции индуктируется также э.д.с. вращения ек, создаваемая внешним магнитным полем и называемая коммутирующей:
, (2.18)где Вк–индукция в воздушном зазоре, в зонах, где перемещаются коммутируемые секции.
Индукция Вкможет создаваться м. д. с. главных полюсов и реакции якоря, а также м. д. с. добавочных полюсов, которые устанавливают в машинах постоянного тока с целью улучшения процесса коммутации.
Установим закон изменения тока в секции в период коммутации, полагая для простоты, что ширина щетки равна ширине коллекторной пластины. На рис. 2.30 показаны три основных этапа коммутации. В первый момент времени (рис. 2.30, а) ток iв коммутируемой секции, присоединенной к пластинам 1 и 2, равен iaи направлен от пластины 2к пластине 1. Ток щетки 2iaпроходит целиком через пластину 1, т.е. i1 = 2iαи i2= 0. В промежуточном положении (рис. 2.30, б) одна часть тока щетки 2ia проходит по-прежнему через пластину 1, а другая часть – через пластину 2, причем i1 + i2 = 2iа. К концу периода коммутации (рис. 2.30, в) пластина 1 выходит из-под щетки и ток, проходящий через нее, становится равным нулю. При этом ток щетки 2iaпроходит через пластину 2, т.е. i2 = 2iaи i1 = 0, а ток iв коммутируемой секции изменяет свое направление по сравнению с током в начальный момент коммутации.
Рис. 2.30 – Распределение тока в коммутируемой секции в различные моменты коммутации
Для контура коммутируемой секции, замкнутой щеткой (рис. 2.30, б), можно написать уравнение
, (2.19)где i1 и i2–мгновенные значения токов, проходящих через пластины 1 и 2; i-ток в коммутируемой секции; r1и r2–сопротивления переходного контакта между щеткой и коллекторными пластинами: сбегающей 1 и набегающей 2; rс–сопротивление секции.
Поскольку сопротивление секции всегда значительно меньше сопротивлений щеточного контакта, влияние сопротивления rсна процесс коммутации весьма незначительно и им можно пренебречь. Тогда из (2.19) получим
. (2.19а)Это уравнение называют основным уравнением коммутации. Оно является нелинейным дифференциальным уравнением с переменными коэффициентами, так как э.д.с. ерпропорциональна di/dt; э.д.с. екявляется функцией Вк, сопротивления rх· и r2являются функциями времени, а также плотности тока в щеточном контакте и скорости ее изменения, т.е. зависят от тока iи его производной.
Решение уравнения (2.19а) может быть получено при различных упрощающих предположениях. Далее изложены наиболее распространенные методы решения этого уравнения.
Рис. 2.31 – График изменения тока в коммутируемой секции при идеальной прямолинейной коммутации
Коммутация сопротивлением при ширине щетки, равной ширине коллекторной пластины. Из рис. 2.30, б следует, что токи ilи i2, проходящие через сбегающую и набегающую коллекторные пластины,
i1 = ia + i; i2 = ia– i (2.20)
Подставляя значения i1и i2в уравнение (2.19а) и решая его относительно i, получим
. (2.21)Если предположить, что сопротивления r1и r2 не зависят от плотности тока и определяются только площадями соприкосновения s1и s2щетки с коллекторными пластинами 1 и 2, то отношение сопротивлений
.В этом случае уравнение (2.21) принимает вид
. (2.21а)Если подобрать ектак, чтобы в любой момент времени выполнялось условие