Коммутация в машинах постоянного тока

Под коммутацией в машинах постоянного тока понимают явления, вызванные изменением направления тока в проводниках обмотки якоря при переходе их из одной параллельной ветви в другую, т. е. при пересечении линии, по которой расположены щетки (от лат. commulatio — изменение). Рассмотрим явление коммутации на примере кольцевого якоря.

На рис. 1 показана развертка части обмотки якоря, состоящей из четырех проводников, части коллектора (две коллекторные пластины) и щетки. Проводники 2 и 3 образуют коммутируемый виток, который на рис. 1, а показан в положении, которое он занимает до коммутации, на рис. 1, в — после коммутации, а на рис. 1, б — в период коммутации. Коллектор и обмотка якоря вращаются в указанном стрелкой направлении с частотой вращения п, щетка неподвижна.

В момент времени до коммутации ток якоря Iя проходит через щетку, правую коллекторную пластину и разделяется между параллельными ветвями обмотки якоря пополам. Проводники 1, 2 и 3 и проводник 4 образуют разные параллельные ветви.

После коммутации проводники 2 и 3 перешли в другую параллельную ветвь и направление тока в них изменилось на противоположное. Это изменение произошло за время, равное периоду коммутации Тk, т. е. за время, которое требуется, чтобы щетка перешла с правой пластины на соседнюю левую (в действительности щетка перекрывает сразу несколько пластин коллектора, но в принципе это не влияет на процесс коммутации).

Рис. 1. Схема процесса коммутации тока

Один из моментов периода коммутации показан на рис. 1, б. Коммутируемый виток оказывается замкнутым накоротко коллекторными пластинами и щеткой. Так как за период коммутации происходит изменение направления тока в витке 2—3, то это означает, что по витку протекает переменный ток, создающий переменный магнитный поток.

Последний индуцирует в коммутируемом витке э. д. с. самоиндукции еL, или реактивную э. д. с. Согласно принципу Ленца, э. д. с. самоиндукции стремится поддержать в проводнике ток прежнего направления. Следовательно, направление еL совпадает с направлением тока в витке до коммутации.

Под действием э. д. с. самоиндукции в короткозамкнутом витке 2—3 протекает большой дополнительный ток iд, так как сопротивление контура мало. В месте контакта щетки с левой пластиной ток iд направлен противоположно току якоря, а в месте контакта щетки с правой пластиной направление этих токов совпадает.

Чем ближе к окончанию периода коммутации, тем меньше площадь контакта щетки с правой пластиной и тем больше плотность тока. По окончании периода коммутации контакт щетки с правой пластиной разрывается и образуется электрическая дуга. Чем больше ток iд, тем мощнее электрическая дуга.

Если щетки располагаются на геометрической нейтрали, то в коммутируемом витке магнитным потоком якоря индуцируется э. д. с. вращения евр. На рис. 2 в увеличенном масштабе показаны проводники коммутируемого витка, расположенные на геометрической нейтрали, и направление э. д. с. самоиндукции еL для генератора, совпадающее с направлением тока якоря в этом проводнике до коммутации.

Направление евр определяется по правилу правой руки и всегда совпадает с направлением еL. В результате iд еще больше увеличивается. Возникающая электрическая дуга между щеткой и коллекторной пластиной может разрушить поверхность коллектора, в результате чего ухудшается контакт между щеткой и коллектором.

Рис. 2. Направление э.д.с. в коммутирующем витке

Для улучшения условий коммутации сдвигают щетки в сторону физической нейтрали. При расположении щеток на физической нейтрали коммутируемый виток не пересекает никакого внешнего магнитного потока и э. д. с. вращения не индуцируется. Если сдвинуть щетки дальше физической нейтрали, как показано на рис. 3, то в коммутируемом витке результирующий магнитный поток будет индуцировать э. д. с. ек, направление которой противоположно направлению э. д. с. самоиндукции еL.

Таким образом, будет скомпенсирована не только э. д. с. вращения, но и э. д. с. самоиндукции (частично или полностью). Как указывалось ранее, угол сдвига физической нейтрали все время меняется и поэтому щетки обычно устанавливают со сдвигом на некоторый средний угол по отношению к ней.

Уменьшение э. д. с. в коммутируемом витке приводит к уменьшению тока iд и ослаблению электрического разряда между щеткой и коллекторной пластиной.

Улучшить условия коммутации можно установкой добавочных полюсов (Nдп и Sдn на рис. 4). Добавочный полюс располагают по геометрической нейтрали. У генераторов одноименный добавочный полюс располагается за основным полюсом по ходу вращения якоря, а у двигателя — наоборот. Обмотки добавочных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря таким образом, чтобы создаваемый ими поток Фдп был направлен навстречу потоку якоря Фя.

Рис. 3. Направление э.д.с. в коммутируемом витке при сдвиге щеток за физическую нейтраль

Рис. 4. Схема включения обмоток добавочных полюсов

Так как оба эти потока создаются одним током (током якоря), то можно подобрать число витков обмотки добавочных полюсов и воздушный зазор между ними и якорем такими, чтобы потоки были равны по значению при любом токе якоря. Поток добавочных полюсов будет всегда компенсировать поток якоря и, таким образом, э. д. с. вращения в коммутируемом витке будет отсутствовать.

Добавочные полюсы обычно делают такими, чтобы их поток индуцировал в коммутируемом витке э. д. с, равную сумме еL + евр. Тогда в момент отрыва щетки от правой коллекторной пластины (см. рис. 1, в) электрическая дуга не возникает.

Выпускаемые промышленностью машины постоянного тока мощностью 1 кВт и выше снабжены добавочными полюсами.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

билеты_ЭМ / 08.Виды коммутаций. Способы улучшения коммутации док

8. Виды коммутаций. Способы улучшения коммутации

По характеру зависимости тока секции от времени в процессе коммутации различают линейную, замедленную и ускоренную коммутации

При линейной коммутации плотность тока по всей скользящей поверхности щетки одинакова и скорость изменения тока постоянна. Линейная коммутация возможна, когда сумма коммутирующих и реактивных ЭДС секции равна нулю. При линейной коммутации искрение под щетками минимальное, так как из-за одинаковой плотности тока на поверхности щеточного контакта эта поверхность эквипотенциальна. (6) Замедленная коммутация происходит тогда, когда реактивные ЭДС секции больше коммутирующих ЭДС.

При замедленной коммутации, вначале процесса скорость изменения тока мала, а в конце коммутации велика.(кривая 2 рис.69) Плотность тока больше под сбегающим краем щетки. Из-за большой неравномерной плотности тока под сбегающим краем щетки происходит неравномерный нагрев поверхности и неравномерное распределение потенциалов, вызывающие искрение.

При ускоренной коммутации скорость изменения тока вначале коммутации больше, чем в конце. Плотность тока меньше под сбегающим краем щетки. Ускоренная коммутация возможна тогда, когда коммутирующие ЭДС секции больше реактивных ЭДС. Если коммутирующие ЭДС незначительно превышают реактивные, то в конце периода коммутации ток коммутирующей секции, изменяя свое направление, вновь достигает величины тока ветви (рисунок 69 кривая 3) .

В этом случае ускоренная коммутация из-за меньшей плотности тока под сбегающим краем щетки, может быть без искрения.(7)

При сильно ускоренной коммутации ток коммутирующей секции в конце периода коммутации возрастает до величины большей, чем ток ветви.

Аналогичным образом, при сильно замедленной коммутации ток коммутирующей секции в конце процесса меньше тока ветви. И в том и в другом случаях, при разрыве коммутирующего контура ток мгновенно становится равным току ветви, с неизбежным искрообразованием между сбегающим краем щетки и коллектора.

Способы улучшения коммутации. Самым распространенным и достаточно совершенным способом улучшения коммутации является применение добавочных полюсов. Добавочные полюса располагают по линиям геометрической нейтрали, над щетками, между основными полюсами машины. Полюсные наконечники добавочных полюсов делают узкими, чтобы только перекрыть зону коммутации. Поле добавочных полюсов индуктирует в коммутирующей секции коммутирующую ЭДС, компенсирующую ЭДС индукции. Поэтому дополнительные полюса включаются последовательно с обмоткой якоря, чтобы поле добавочных полюсов изменялась пропорционально полю реакции якоря, создавая возможность его компенсации в разных режимах.

Самым совершенным способом улучшения коммутации является применение компенсирующей обмотки, укладываемой в пазы полюсных наконечников основных полюсов, и включаемой последовательно с якорем. Она своим полем, изменяющимся пропорционально току якоря, в наиболее возможной степени, компенсирует реакцию якоря. Однако даже если полностью компенсировать реакцию якоря, уменьшить до нуля реактивную ЭДС не удастся, так ламель и щетка не нулевой ширины, между ламелями есть разность потенциалов, и в коммутирующей секции всегда присутствует некий ток, разрыв которого вызывает искрение.

Искрение на коллекторе может возникать не только по причине неудовлетворительной коммутации, но и как следствие механических причин. Такими могут быть плохое закрепление щеток в щеткодержателе, волнистость или эксцентричность коллектора, ослабление нажатия пружин щеткодержателей. Эксплуатационными способами улучшения коммутации является подбор марки щеток, должный уход за щеточно-коллекторным аппаратом, сдвиг щеток по направлению к физической нейтрали. (10

Источник

Вопрос № 5 Коммутация и способы ее улучшения в машинах постоянного тока

Коммутация – процесс переключения секций обмотки из одной параллельной ветви в другую и изменение направления тока в них на обратное. Во время коммутации секции замыкаются накоротко щётками, через кот-е ток из якоря передаётся во внешнюю цепь или из внешнеё цепи в якорь. Коммутация происходила без значительного искрения у контактных поверхностей щёток, т.к. сильное искрение портит поверхность коллектора и щёток и делает длительную оаботу машины невозможной. Классы коммутции Эл.машин:1 – отсутствие исрения, 1 ¼, 1 ½ — слабое искрение под большеё частью щётки, 2, 3 – значит.искрение.

Период коммутации: Тк=bщ/υк bк=(π*Dk)/k – коллекторное деление.

βк= bщ/ bк – коэф-т щёточного перекрытия (2-4)

υк= βк /(к*n) Tk= βк-(a/p-1)/k*n ˜0.001c

Сущ-ет прямолинейная, замедлення и ускоренная коммутация.

Основным способом улучшения коммутации в современных МПТ явл-ся создание коммутирующего Магн.поля с помощью Доп.полюсов. За главным полюсом данной полярности по направлению вращения якоря в режиме Г должен следовать ДП противоположной полярности, а в режиме Д ДП той же полярности.

До нескольк.сотен Вт сдвигают щётки с геом.нейтрали, благодаря чему в зоне коммутации начинает действовать поле главных полюсов.

Компенсационная обмотка, кот-я предотвращает опасность возникновения круг.огня, а также улучщает действие ДП.

Вопрос № 6 Способы регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока.

Существует 3 способа:

Изменение — реостатное регулирование угловой скорости ДПТ.

Изменение — регулирование угловой скорости ДПТ изменением магнитного потока.

Изменение внешнего напряжения — регулирование скорости ДПТ изменением питающего напряжения.

Принцип возможности регулирования системы вращения из ур-ния

1) Изменение — реостатное регулирование угловой скорости ДПТНВ.

,

регулирование возможно только вниз от основной скорости;

все хар-ки пересекаются в точке х.х.;

с уменьшается жесткость ;

диапазон регулирования: ;

регулирование возможно с постоянным моментом на валу двигателя;

2) Изменение Ф_δ — регулирование угловой скорости ДПТНВ изменением магнитного потока.

Изменить I_возб можно 2 способами (изменение Ф возможно только в сторону уменьшения):

регулирование возможно, только вверх от основной скорости;

жесткость механических хар-к уменьшается с

диапазон регулирования угловой скорости ;

регулирование возможно с постоянной мощностью на валу двигателя;

плавность и экономичность зависят от используемой схемы.

3) Изменение внешнего напряжения — регулирование скорости ДПТНВ изменением питающего напряжения.

Изменть U на якоре двигателя (возможно только в сторону уменьшения от U_H) можно при помощи различных преобразователей в качестве которых используется МПТ, тиристорные преобразователи, магнитные усилители, реакторы и т.д.. при регулировании скорости изменением U: при .

, , , .

Схема содержит АД (М₁), генератор = I (М₂) и ДПТНВ (М₃) – скорость которого необходимо регулировать. В сх. содержится реверсивный контактный мостик с помощью которого можно изменить направление тока в ОВ генератора.

Система генератор-двигатель позволяет регулировать скорость двигателя двумя способами: изменением сопротивления R₁ и изменением тока приводит к изменению ЭДС генератора – это все к изменению , при этом все осуществляется вниз от основной скорости. Изменение сопротивления R₂ приводит к изменению I_вз , что приводит к изменению Ф и, соответственно, изменяется угловая скорость. Регулирование идет вверх от основной скорости. .Вывод: получаем систему 2-х зонного регулирования.

Источник