§ 8.7. КОММУТАЦИЯ

Причины искрения щеток. Процесс изменения тока в секциях обмотки якоря при переходе их из одной параллельной ветви в другую называют коммутацией. В более широком смысле под коммутацией понимают все явления и процессы, возникающие под щетками при работе коллекторных электрических машин. Если щетки искрят, то это значит, что машина имеет плохую коммутацию; если искрение отсутствует, то коммутацию называют хорошей. Качество коммутации (интенсивность искрения) в значительной степени определяет работоспособность машины и ее надежность в эксплуатации.

Искрение может вызываться большим количеством причин, которые обычно разбивают на две группы — механические и электромагнитные.

К механическим причинам относятся: биение коллектора, его эллиптичность, шероховатость рабочей поверхности коллектора, наличие выступающих коллекторных пластин и изоляционных прокладок, вибрация щеткодержателей и т. п. Эти причины приводят к вибрации щеток, в связи с чем возможен кратковременный разрыв контакта между щеткой и коллекторными пластинами и возникновение кратковременной электрической дуги. Особенно трудно обеспечить устойчивую работу щеток при больших окружных скоростях коллектора — примерно 50 м/с и выше, что связано с особыми свойствами щеточного контакта.

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. Искрение, вызванное электромагнитными причинами, повреждает поверхность коллектора и приводит к вибрации щеток, т. е. способствует воз­никновению искрения по механическим причинам. Неустой­чивость щеточного контакта, обусловленная механическими причинами, существенно влияет на электромагнитные процессы, происходящие в коммутируемых секциях. Поэтому, как правило, искрение щеток на коллекторе является результатом совместного действия многих причин.

Затраты на ремонт и эксплуатацию коллекторных машин (замену щеток, проточку коллекторов, устранение последствий кругового огня и т. п.) очень велики, и в некоторых машинах за один год составляют около 1/3 стоимости 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. Степени искрения и их характеристики согласно ГОСТу приведены в табл. 8.1.

Степень искрения	Характеристика степени искрения	Состояние коллектора и щеток
1	Отсутствие искрения (темная коммутация)	-
11/4	Слабое точечное искрение под небольшой частью щетки	Отсутствие   почернения   на коллекторе и нагара на щетках
11/2	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, не устраняемых   протиранием  поверхности коллектора бензином, а также следов нагара на щетках
3	Значительное искрение под всем краем щетки с наличием крупных 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, не устраняемое протиранием коллектора бензином, а также подгар и разрушение щеток

Как видно из табл. 8.1, при длительной работе машины допускается слабое искрение под щетками. Однако требования ГОСТа проверяются только при контроле качества коммутации электрических машин, выпускаемых с завода. В эксплуатации может наблюдаться искрение значительно большей интенсивности, поскольку машина работает в форсированных режимах (при перегрузках или повышенной частоте вращения). Повышенное искрение щеток могут вызывать и другие особенности эксплуатации: вибрация и удары машины, работа на высоте более 1000 м над уровнем моря, работа в запыленных. помещениях или в агрессивной среде и т. п. Поэтому технические требования, предъявляемые к разработке машин постоянного тока, должны учитывать условия их будущей эксплуатации.

Основное уравнение коммутации. При вращении якоря секции его обмотки переходят из одной параллельной ветви в другую, вследствие чего направление тока в них изменяется (рис. 8.28). Большую часть времени ток секции равен току параллельной ветви ia = Ia /(2a). Изменение направления тока в секции происходит за время Тк , в течение которого соединенные с секцией коллекторные пластины соприкасаются со щеткой. Это время, в течение которого секция оказывается замкнутой накоротко щеткой, называют периодом коммутации, а секции, в которых изменяется ток,— коммутируемыми. Период коммутации

где bщ — ширина щетки; vк — окружная скорость коллектора.

Рис. 8.28. Схема распределения тока в параллельных ветвях обмотки якоря (а) и график изменения тока в секции (б)

В современных машинах Тк = 0,001 ÷ 0,0001 с, вследствие чего средняя скорость изменения тока в секции (di/dt)cp = 2ia /Тк очень велика. Следовательно, в секции может индуцироваться большая ЭДС само- и взаимоиндукции, называемая реактивной ЭДС,

где Lрез - результирующая индуктивность секции, определяющая значение реактивной ЭДС. Название реактивная обусловлено тем, что, согласно правилу Ленца, эта ЭДС препятствует изменению тока — замедляет его. Кроме реактивной ЭДС в коммутируемой секции индуцируется также ЭДС вращения ек , создаваемая внешним магнитным полем и называемая коммутирующей: где Вк -индукция в воздушном зазоре в зонах, где перемещаются коммутируемые секции.

Индукция Вк может создаваться МДС главных полюсов, МДС реакции якоря, а также МДС добавочных полюсов, которые устанавливают в машинах постоянного тока для улучшения процесса коммутации.

Установим закон изменения тока в секции в период коммутации, полагая для простоты, что ширина щетки равна ширине коллекторной пластины. Рассмотрим три основных этапа коммутации. В первый момент времени (рис. 8.29, а)ток i в коммутируемой секции, присоединенной к пластинам 1 и 2, равен ia и направлен от пластины 2 к пластине 1. Ток щетки 2ia проходит через пластину l, т. е. i1 = 2ia и i2 = 0. В промежуточном положении (рис. 8.29, б) одна часть тока щетки 2ia проходит через пластину 1, а другая часть — через пластину 2, причем
i1 + i2 = 2ia . К концу периода коммутации (рис. 8.29, в)пластина 1 выходит изпод щетки, и ток, проходящий через нее, становится равным нулю.

Рис. 8.29. Схемы распределения тока в коммутируемой секции в различные моменты времени

При этом ток щетки 2ia проходит через пластину 2, т. е. i2 = 2ia и i1 = 0, а ток i в коммутируемой секции изменяет свое направление по сравнению с током в начальный момент коммутации.

Для контура коммутируемой секции, замкнутой щеткой (см. рис. 8.28, б), можно составить уравнение

где i1 и i2 — мгновенные значения токов, проходящих, через пластины 1 и 2; i — ток в коммутируемой секции; R1 и R2 — сопротивления переходного контакта между щеткой и кол-лекторными пластинами: сбегающей 1 и набегающей 2; Rс — сопротивление секции.

Поскольку сопротивление секции всегда значительно меньше сопротивлений щеточного контакта, влияние сопротивления Rс на процесс коммутации весьма незначительно и им можно пренебречь. Тогда вместо (8.17) получим

Это уравнение называют основным уравнением коммутации. Оно является нелинейным дифференциальным уравнением с переменными коэффициентами, так как ЭДС ер пропорцио-нальна di/dt, ЭДС ек является функцией индукции Вк ; сопротивления R1 и R2 являются функциями времени, а также плотности тока в щеточном контакте и скорости ее изменения, т. е. зависят от тока i и его производной по времени.

Коммутация при ширине щетки, равной ширине коллекторной пластины. В первом приближении можно пренебречь различием в падениях напряжения под набегающим и сбегающим краями щеток и положить i1R1 - i2R2 = 0, так как при удовлетворительной коммутации указанная разность не превышает 0,5 В, в то время как обычно ек > 3 ÷ 4 В, а в отдельных случаях достигает 8 - 10 В. При таком допущении основное уравнение коммутации принимает вид

Подставляя в него значение реактивной ЭДС ер = - Lрез di/dt и решая его относительно i, получаем

Следовательно, величина и характер изменения тока i в коммутируемой секции в основном определяются коммутирующей ЭДС. Условием безыскровой коммутации является выход сбегающей коллекторной пластины из-под щетки без разрыва тока, для чего необходимо, чтобы
i1t = Тк = 0 или it = Tк = - iа . Согласно теореме о среднем из (8.20) имеем

Постоянную интегрирования С найдем из начальных условий. Так как в начальный момент коммутации при t = 0 ток it = 0 = iа , то согласно (8.20) получим С = iа . Положив it = Tк = - iа , найдем условие безыскровой коммутации:

откуда

Таким образом, чтобы осуществить безыскровую коммутацию, необходимо в процессе коммутации скомпенсировать. среднее значение реактивной ЭДС. Если внешнее поле сделать постоянным, т. е. ек = ек.ср , то (из 8.20)

и имеется так называемая идеальная прямолинейная коммутация.

При идеальной прямолинейной коммутации (рис. 8.30) ток, проходящий через сбегающий край щетки, линейно уменьшается и в момент времени t = Тк становится равным нулю, т. е. выход коллекторной пластины из-под щетки происходит без разрыва тока.

Рис. 8.30. График изменения тока в коммутируемой секции при идеальной прямолинейной

Рассмотрим более подробно этот важный для практики случай коммутации. При идеальной прямолинейной коммутации плотность тока под щеткой в местах соприкосновения ее с пластинами 1 и 2 (рис. 8.29) остается все время постоянной и равной среднему значению: Δщ1 = Δщ2 = 2iа /sщ = const. Так, например, в месте контакта щетки с коллекторной пластиной 1

Аналогично, для коллекторной пластины 2

Непосредственно плотность тока мало влияет на интенсивность искрения, однако равномерное распределение тока под щеткой способствует уменьшению потерь в щеточном контакте и поэтому считается положительным фактором.

В действительности при работе машины всегда имеются причины, вызывающие неполную компенсацию реактивной ЭДС, т. е. отклонение от условия ер.ср + ек.ср = 0. К этим причинам относятся: технологические допуски при изготовлении коллектора, установке щеткодержателей, установке добавочных полюсов и т. п.; резкие толчки тока нагрузки, перегрузки по току, превышения номинальной частоты вращения, вибрация машины и другие эксплуатационные причины: нестабильность щеточного контакта, из-за которой постоянно изменяется площадь контакта щетки с коллектором, т. е. период коммутации Тк , или даже происходит полный отрыв щетки от коллектора.

Если |ек.ср| < | ep.cp|, то коммутация замедляется, так как, согласно правилу Ленца, ЭДС ер замедляет изменение тока i. Обозначив степень некомпенсации ЭДС через
Δ = (| ep.cp| - |ек.ср|) /| ep.cp|, получим

При этом согласно (8.23) закон изменения тока в коммутируемой секции

При замедленной коммутации (рис. 8.31, а, прямая 2) в момент окончания коммутации при
t = Тк щетка разрывает некоторый остаточный ток iост, вследствие чего между сбегающим краем щетки и сбегающей коллекторной пластиной возникает электрическая дуга. Остаточный ток
iост = i1t = Тк = ia + i или с учетом (8.26) iост = 2ia Δ.

Электромагнитная энергия Wи , выделяющаяся в дуге, возникающей при разрыве остаточного тока, может характеризовать степень искрения. Для рассматриваемого простейшего случая

При ускоренной коммутации (рис. 8.31, а, прямая 3), когда |ек.ср| > | ep.cp|, ток в коммутируемой секции изменяется по закону

т. е. быстрее, чем это требуется для безыскровой работы щеток. Сбегающий край щетки и при ускоренной коммутации разрывает остаточный ток iocm , а следовательно, и в этом случае наблюдается искрение под щетками. Только при идеальной коммутации (прямая 1 на рис. 8.31, а) щетка не разрывает остаточного тока.

При построении кривых изменения тока на рис. 8.31, а не учтено падение напряжения в щеточном контакте. В действительности при быстром увеличении плотности тока под сбегающим краем щетки сопротивление щеточного контакта

Рас. 8.31. Кривые изменения тока в коммутируемой секции в  течение периода коммутации  Тк при пренебрежении сопротивлением щеточного контакта (а) и его учете (б), (в)

резко возрастает, что ведет к уменьшению остаточного тока или полному его устранению, даже в том случае, когда коммутация отличается от идеальной. Типичные кривые изменения тока в коммутируемой секции с учетом влияния сопротивления щеточного контакта приведены на рис. 8.31, б. При незначительном расстройстве коммутации замедление коммутации (кривая 2) или ее ускорение (кривая 3) не приводит к разрыву сбегающим краем щетки остаточного тока. Только значительное замедление (кривая 4) или значительное ускорение (кривая 5) коммутации приводит к возникновению опасного искрения.

При замедленной коммутации уменьшение остаточного тока происходит под действием разности падений напряжения u1 = i1R1; и2 = i2R2 (см. рис. 8.29) .под сбегающим и набегающим краями щетки:

При ускоренной коммутации на завершающем этапе, когда ток изменяет свое направление, в уравнение (8.29) входит сумма падений напряжения:

При этом к концу процесса коммутации резко уменьшается ток i1, т. е. коммутируемая секция заканчивает коммутацию с так называемой ступенью малого тока (рис. 8.31, в). Следовательно, при ускоренной коммутации допустима большая разница между ер и ек , чем при замедленной коммутации. Поскольку в эксплуатации появление погрешности коммутации как в одну, так и другую сторону (т. е. ускоренная и замедленная коммутация) равновероятны, при расчете и наладке машины предпочитают иметь слегка ускоренную коммутацию. Для того чтобы усилить благоприятное влияние падения напряжений u1 + u2 на процесс коммутации, в машинах постоянного тока с затрудненной коммутацией применяют щетки с большим переходным сопротивлением, несмотря на то, что это увеличивает потери мощности в щеточном контакте.

Идеальная прямолинейная коммутация положена в основу инженерных методик расчета коммутации, предложенных рядом авторов. Главным условием этого расчета является взаимная компенсация средних значений реактивной ЭДС ер.ср и ЭДС ек.ср, создаваемой внешним полем.

В расчетной практике для определения среднего значения реактивной ЭДС в секции обмотки якоря часто используют упрощенную формулу, которую можно получить из (8.22). Для этого ток параллельной ветви ia выражают через линейную нагрузку якоря

а период коммутации Тк — через линейную скорость якоря va и число коллекторных пластин К:

В последних формулах N = 2kwc — число активных проводников обмотки якоря; Da и Dк — диаметры якоря и коллектора; К — число коллекторных пластин; wc— число витков в секции;

В результате получим реактивную ЭДС

Индуктивность секции

где Λр — магнитная проводимость для потоков рассеяния секции: пазового Фп ; по лобовым частям Фs и дифференциального Фz (по коронкам зубцов) — рис. 8.32, a; la = li — активная длина якоря (при расчете магнитной проводимости берется удвоенная длина якоря; λp — удельная магнитная проводимость на единицу длины секции.

Поэтому формула (8.33) принимает вид

Удельную проводимость секции с достаточной степенью точности можно принять равной при открытых (рис. 8.31, б) и полузакрытых (рис. 8.32, в) пазах:

Рис. 8.32. Потоки рассеяния секции (а) и размерыпаза, определяющие удельную проводимость секции (б, в)

где hп и bп — высота и средняя ширина паза; hш и bш — высота и ширина щели паза; ls — длина лобовой части секции. Обычно значения λр = 4 ÷ 8 Гн/м.

Общий случай коммутации при ширине щетки, большей коллекторного деления и нескольких проводниках, лежащих в пазу. В общем случае, когда щетка 1 перекрывает несколько коллекторных пластин (рис. 8.33, а), изменение тока происходит одновременно в нескольких секциях 2, лежащих в одном или нескольких пазах. На рис. 8.33, б изображена диаграмма коммутации секций одного паза для обмотки, показанной на рис. 8.33, а. Прямоугольники 3, 4, 5 и 6 показывают распределение во времени индуктивностей Lc секций, которые приняты равными их взаимоиндуктивностям Мс. Ширина каждого прямоугольника равна периоду коммутации

где γ = bш /bк — коэффициент щеточного перекрытия (число коллекторных пластин, перекрываемых щеткой); bк = πDк /K — коллекторное деление — расстояние между серединами соседних коллекторных пластин.

Изменение токов i1, i2, i3 и i4 в рассматриваемых секциях происходит со сдвигом во времени

Время коммутации всех uп секций, лежащих в каждом слое паза, при диаметральном шаге обмотки якоря

Рис. 8.33. Коммутация при перекрытии щеткой нескольких коллекторных пластин (а) и диаграмма коммутации секции одного паза (б)

Рис.   8.34.   Положение  коммутационной  зоны   (а)  и   магнитные потоки, создаваемые в ней коммутируемыми секциями (б)

Коммутация секций происходит в зоне коммутации, т. е. по дуге окружности якоря, в пределах которой перемещаются стороны секций, лежащие в пазах, во время коммутации. Ширину этой зоны bз.к (рис. 8.34, а) можно получить, если умножить время Тп на окружную скорость якоря va :

Ее можно также выразить через ширину щетки и коллекторное деление:

Из рис. 8.33, б следует, что в рассматриваемом случае одновременно может происходить коммутация секций двух пазов — когда начинается коммутация секций любого n-го паза, продолжается коммутация секций предшествующего (n - 1)-го паза; заканчивается коммутация секций n-го паза, когда уже замкнуты накоротко некоторые секции (n + 1)-го паза. Таким образом, при исследовании процесса изменения тока в любой коммутируемой секции нужно учитывать индуктивное влияние секций, расположенных в том же и в соседних пазах.

Для каждой из коммутируемых секций можно вывести уравнение

где - Lс di/dt — ЭДС самоиндукции, возникающая при изменении тока в секции (индуцируемая потоком рассеяния ФL, рис. 8.34, б); -ΣMк diк /dt — ЭДС взаимоиндукции, возникающие в рассматриваемой секции в результате влияния других коммутируемых секций (индуцируемые потоками взаимоиндукции Ф'м и Ф''м ); Мк — взаимоиндуктивность рассматриваемой секции с другой секцией, коммутируемой одновременно; iк — ток в секциях, коммутируемых одновременно; ΣiR — сумма падений напряжений в сопротивлениях коммутируемой секции.

При анализе коммутации обычно рассматривают секции, находящиеся в одной зоне коммутации bз.к , т. е. коммутируемые одной щеткой. При этом условии средняя скорость изменения тока в этих секциях:

где (	∑Δic	)ср =	ia N2pva	=	2pAva	- средняя скорость изменения тока во всех N/(2wс) секциях
	Δt		wc πDa		wc

обмотки якоря; Δiс = iа N/wc -приращение тока в этих секциях за время Δt = τ/va = πDa /(2pva ), соответствующее повороту якоря на одно полюсное деление (рис. 8.34, а). Наличие сравнительно больших потоков взаимоиндукции Ф'М и Ф''М обусловливает постоянство средней скорости изменения полного тока в зоне коммутации, так как при любом отклонении от этого закона в коммутируемых секциях индуцируется большая ЭДС взаимоиндукции стремящаяся ликвидировать указанное отклонение. При этом условии взаимоиндукция соседних пазов проявляется только при скорости изменения тока в коммутируемых секциях, отличной от средней. Индуктивность, обусловленная потоками рассеяния ФL, проявляется при любой скорости изменения тока.

Поэтому при расчете реактивной ЭДС учитывают только взаимоиндуктивность сторон секций, расположенных в одном лазу, принимая коммутацию прямолинейной в среднем. Это положение подтверждено опытами на крупных машинах, при осциллографировании тока во всех коммутируемых секциях (одного или двух пазов). Суммирование токов во всех секциях подтвердило справедливость уравнения (8.42) для любого момента времени:

В каждом слое паза якоря реальной машины находится несколько секций, что дает возможность выполнять для них общую изоляцию относительно корпуса, а это увеличивает коэффициент заполнения паза медью и значительно снижает габариты машины и ее стоимость. Секции, расположенные в одних и тех же пазах, имеют хорошую магнитную связь; их индуктивность Lc приблизительно равна взаимоиндуктивности Мп . Поэтому выход из-под щетки коллекторных пластин, связанных со всеми секциями паза, кроме последней, не вызывает электрической дуги даже при разрыве тока, так как малы переходная индуктивность и энергия, выделяющаяся в дуге. Это явление хорошо известно и в практике эксплуатации коллекторных машин — подгорают пластины коллектора, кратные числу секций в пазу. По указанной причине иногда последнюю секцию в пазу называют самостоятельной, а те секции, которые не вызывают искрения,— несамостоятельными. Следовательно, при расчете коммутации следует стремиться к тому, чтобы не рвался ток при выходе из-под щетки пластины, связанной с самостоятельной секцией, т. е. последней, заканчивающей коммутацию в пазу.

Обозначая iп = i1 + i2 + ... + iп полный ток во всех секциях, лежащих в каждом слое, и принимая Lc = Мп , получаем

т.е. коммутацию нескольких секций, лежащих рядом в одном. пазу, можно рассматривать как коммутацию одной секции, имеющей начальный ток iп в течение времени Тп .

Средняя величина реактивной ЭДС при коммутации всех секций, лежащих в каждом слое паза, с учетом (8.39):

Соответственно из условия ер.ср + ек.ср = 0 должно выбираться и среднее значение коммутирующей ЭДС.

Обычно γ < uп , что обусловливает некоторые особенности коммутации. Типичная диаграмма изменения тока паза iп при коммутации, полученная экспериментально, показана на рис. 8.35, а. На первом этапе, когда начинается коммутация секций второго паза, продолжается коммутация секций предшествующего первого паза. Когда коммутация происходит в секциях двух пазов, скорость изменения тока в секциях рассматриваемого второго паза (dΣ iк /dt)п2 уменьшается и становится равной

где индексы «П1» и «П2» относятся к номерам пазов, в которых в данный момент происходит коммутация тока.

Наибольшая скорость изменения тока в секциях одного паза происходит во время Т'п (рис. 8.35, а), когда коммутируют секции только одного паза.

Рис.  8.35. График изменения  тока  паза (а)  и  распределение  тока между отдельными секциями паза (б) в процессе коммутации: 1—4 — токи в сторонах секций верхнего слоя паза; 5—8 — то  же,  нижнего слоя паза

Когда начинается процесс коммутации в секциях последующего третьего паза, скорость изменения тока снова замедляется. Токи между пазами, в которых находятся коммутируемые секции, распределяются соответственно коммутирующим ЭДС и количеству секций, находящихся в режиме коммутации. Распределение токов между короткозамкнутыми секциями одного паза определяется в основном их активными сопротивлениями, включая сопротивление щеточного контакта. Оно носит в значительной мере случайный характер (рис. 8.35, б), что объясняется нестабильностью щеточного контакта.

В рассматриваемом случае остаточный ток, возникающий при нарушениях коммутации,

а электромагнитная энергия, выделяющаяся на дуге при искрении, связанном с разрывом остаточного тока,

Способы улучшения коммутации. Основным средством улучшения коммутации в современных машинах является применение добавочных полюсов, с помощью которых в коммутационной зоне создается магнитное поле, индуцирующее коммутирующую ЭДС ек.ср требуемой величины. Только в машинах малой мощности (менее 300 Вт) удается обойтись без добавочных полюсов.

Добавочные полюсы устанавливают между главными полюсами (рис. 8.36, а). Они создают в зоне коммутации магнитное поле с такой индукцией Вк , чтобы при вращении якоря в коммутируемых секциях индуцировалась ЭДС ек.ср = - ер.ср . Обмотку добавочных полюсов включают последовательно в цепь якоря, а магнитную систему выполняют ненасыщенной.

Рис. 8.36. Схема расположения главных и добавочных полюсов (а) и кривая магнитного поля в машине (б) с добавочными полюсами: 1 — добавочные  полюсы;  2 — обмотка  добавочных  полюсов;  3 — обмотка возбуждения; 4 — главные полюсы

Поэтому коммутирующая ЭДС ек.ср оказывается пропорциональной току якоря и его линейной скорости va , которая, в свою очередь, пропорциональна частоте вращения:

Следовательно, ЭДС ек.ср изменяется по тому же закону, что и реактивная ЭДС:

Поэтому, если осуществить взаимную компенсацию ЭДС ер.ср + ек.ср = 0 для какогото одного режима работы, то их компенсация автоматически обеспечивается и при других режимах. Полярность добавочных полюсов зависит от направления вращения и режима работы машины. В генераторном режиме полярность добавочного полюса должна быть такой же, как у следующего за ним по направлению вращения главного полюса; в двигательном режиме — как у предшествующего ему по направлению вращения главного полюса. На рис. 8.36,б показано результирующее магнитное поле в воздушном зазоре машины с добавочными полюсами.

Сердечники добавочных полюсов изготовляют обычно массивными из стальной поковки, хотя иногда применяют и шихтованные из листов электротехнической стали. Шихтованные сердечники используют в тех случаях, когда ток якоря содержит переменные составляющие (двигатели пульсирующего тока и т. п.) и требуется, чтобы ЭДС ек тоже содержала переменные составляющие, пропорциональные току якоря.

Значение индукции Вк под добавочным полюсом обычно мало, так как мало и среднее значение коммутирующей ЭДС ек.ср = 3 ÷ 10 В. Однако МДС обмотки добавочных полюсов должна быть очень большой, так как она направлена против поперечной составляющей Faq = τА МДС реакции якоря. Поэтому обмотка каждого полюса должна иметь МДС

где Вк — индукция в воздушном зазоре под добавочными полюсами, которую вычисляют по (8.50) при условии |ек.ср| = |ер.ср|; δдоб и kδдоб — значение и коэффициент воздушного зазора под добавочными полюсами.

При расчете МДС добавочных полюсов обычно не учитывается возможность получения несколько ускоренной коммутации, так как требуемое ускорение достигается путем регулировки воздушного зазора при наладке машины.

Из-за значительной МДС Fдоб поток рассеяния добавочного полюса очень велик и превышает в 2 - 4 раза полезный поток, замыкающийся через якорь. Для уменьшения потока рассеяния, который может вызвать насыщение сердечника добавочного полюса, в крупных машинах кроме основного воздушного зазора δдоб1 делают второй зазор δдоб2 (рис. 8.37, а), устанавливая диамагнитные прокладки между сердечником полюса и ярмом. В этом случае

где Вк1 и Вк2 - индукции в основном и втором зазорах; kδдоб1 — соответствующий коэффициент воздушного зазора; δдоб1 и δдоб2 — значения этих зазоров.

При наличии компенсационной обмотки требуемая МДС добавочного полюса резко уменьшается, так как МДС компенсационной обмотки Fк.о действует против МДС Faq реакции якоря:

Уменьшение требуемой МДС Fдоб позволяет сосредоточить витки обмотки добавочного полюса у якоря (рис. 8.37, б), что способствует снижению потоков рассеяния. Ширину наконечника добавочного полюса в малых машинах выбирают равной ширине зоны коммутации: bдоб ≈ bз.к В крупных машинах с напряженной коммутацией ширину наконечника добавочного полюса выбирают относительно узкой: bдоб = (0,3 ÷ 0,6)bз.к. При такой ширине добавочного полюса распределение индукции в зоне коммутации имеет вид, показанный на рис. 8.37, в, вследствие чего коммутирующая ЭДС в начале зоны коммутации и в конце значительно ниже среднего значения.

Рис. 8.37. Размещение катушек на добавочных полюсах (а, б) и распределение индукции Вкв зоне коммутации (в): 1 - обмотка добавочных полюсов; 2 - добавочный полюс; 3 - диамагнитная прокладка; 4 - корпус (станина)

Рис.8.38. Сдвиг щеток с геометрической нейтрали (а) и кривая магнитного поля в машине без добавочных полюсов (б)

Это приводит к тому, что первая секция паза вступает в коммутацию, а последняя секция выходит из него со «ступенью малого. тока» (см. рис. 8.35, а), что благоприятно влияет на коммутацию, так как предотвращает разрыв тока при случайном нарушении контакта между пластиной и сбегающим краем щетки. Узкие добавочные полюсы требуют повышенной точности сборки машины и установки щеток, поэтому в машинах малой и средней мощности их не применяют.

В некоторых машинах небольшой мощности создание коммутирующей ЭДС осуществляют за счет сдвига щеток с геометрической нейтрали 0 - 0 на некоторый угол α за физи-ческую нейтраль 0' - 0' (рис. 8.38, а, б) так, чтобы коммутируемые секции оказались в зоне действия магнитного поля с индукцией — Врез требуемой величины и направления. В этом случае достигают безыскровой работы машины только для одного направления вращения и при одной определенной нагрузке. Изменять сдвиг щеток в зависимости от направления вращения и режима работы машины практически очень сложно.

Необходимость обеспечения удовлетворительной коммутации накладывает определенные ограничения на габаритные размеры и конструкцию машин постоянного тока. Практика электромашиностроения показывает, что можно достичь безыскровой коммутации лишь тогда, когда реактивная ЭДС в номинальном режиме не превышает некоторого предельного значения. Поэтому в крупных машинах и машинах, работающих при высоких частотах вращения, применяют одновитковые секции и делают неглубокие пазы (не более 4—6 см в наиболее мощных машинах) для уменьшения индуктивности секции. В ряде случаев для уменьшения реактивной ЭДС приходится ограничивать активную длину якоря и его окружную скорость. Все эти меры приводят либо к снижению мощности машины при заданных габаритах, либо к увеличению ее размеров и массы (при заданной мощности). Поэтому машины постоянного тока имеют меньшую мощность, чем машины переменного тока тех же габаритов; при мощности 100 — 1000 кВт это уменьшение составляет 20—25%. Попытки увеличить мощность, допустив увеличение степени искрения на коллекторе, приводят к резкому возрастанию эксплуатационных расходов. Условия коммутации ограничивают также предельную мощность, на которую можно построить машину постоянного тока (при заданной частоте вращения).

Чтобы уменьшить влияние технологических отклонений и вибраций щеток на качество коммутации, применяют обмотки с укороченным шагом и ступенчатые обмотки. В этих обмотках последняя секция паза одного слоя, заканчивая коммутацию, оказывается магнитно связанной с секцией другого слоя, кото­рая остается замкнутой щеткой. Вследствие этого под щеткой выделяется только часть электромагнитной энергии остаточного тока

а другая часть энергии передается в короткозамкнутую секцию.

Поскольку технологические отклонения равновероятны в ту и другую стороны, недокомпенсация реактивной ЭДС ер.ср сменяется перекомпенсацией и поэтому накопления энергии Wи не происходит. Коэффициент связи kсв = Mс /Lс у секций с укороченным шагом достигает значения kсв = 0,4 ÷ 0,6 (с учетом взаимной связи лобовых соединений), благодаря чему существенно уменьшается искрение под щетками. Однако при длительных нарушениях коммутации, когда погрешность Δ = [|ер.ср| - |ек.ср|]/|ер.ср| имеет один знак для трех - пяти пазов, последовательно заканчивающих коммутацию, взаимоиндуктивность указанных секций не имеет значения, так как коммутация секций одного паза не может улучшаться за счет коммутаций секций другого паза (если секции всех пазов коммутируют в одинаковых условиях). Преимуществом ступенчатых обмоток является также и то обстоятельство, что при их использовании происходит более равномерный износ коллектора, так как в пазу имеются две самостоятельные секции, а следовательно, и электромагнитная энергия, выделяющаяся при разрыве остаточного тока паза, распределяется на две коллекторные пластины (соответственно уменьшается их износ). Недостатком ступенчатых обмоток является сложность обеспечения «темной» коммутации, так как условия коммутации двух самостоятельных секций требуют в общем случае различного значения коммутирующей ЭДС. Таким образом, ступенчатые обмотки можно рекомендовать только при очень сложных условиях эксплуатации, характеризующихся работой с частыми нарушениями ком­мутации (толчкообразная нагрузка и т. п.).

Заметное улучшение коммутации происходит также из-за возникновения в проводниках обмотки якоря вихревых и контурных (в сложных обмотках) токов. Часть нескомпенсированной энергии коммутируемых секций выделяется в виде теплоты, создаваемой вихревыми токами, что должно быть учтено при расчете, путем уменьшения результирующей индуктивности секции.

Уменьшению искрения способствует увеличение длины коллектора, однако это ведет к увеличению габаритов и длины машины. Плотность тока под щетками не имеет существенного значения, однако не следует выбирать ее чрезмерной, так как при перегрузках возможен перегрев отдельных коллекторных пластин. Особенно опасно это явление для двигателей постоянного тока, работающих в условиях затяжных пусков (например, для тяговых двигателей электровозов, экскаваторов и т. п.). Во избежание перегрева отдельных пластин и возникновения деформации коллектора плотность тока под щетками при длительных перегрузках таких машин не должна превышать 20 А/см2.

На характер коммутации оказывает также влияние дифференциальный поток рассеяния, проходящий по коронкам зубцов, и поток главных полюсов. Дифференциальный поток рассеяния по коронкам зубцов Фz (рис. 8.39) замыкается через сердечник добавочного полюса. При вращении якоря изменяется положение середины паза с коммутируемыми секциями относительно сердечника (см. положения паза, показанные на рис. 8.39, а, б),

Рис. 8.39. Изменение дифференциального потока рассеяния, проходящего по коронкам зубов, при перемещении паза с коммутируемыми секциями: 1 - сердечник добавочного полюса; 2 - паз

что приводит к изменению потока Фz и периодическому изменению индуктивности секции Lc . Реактивная ЭДС при этом определяется выражением ер = - Lc di/dt + idLc /dt и может существенно отличаться от средней ЭДС ер.ср. В результате возникает искрение под щетками. Для уменьшения дифференциального потока рассеяния целесообразно увеличивать зазор под добавочным полюсом. В машинах большой мощности этот зазор обычно делают равным 8—15 мм, соответственно увеличивая число витков обмотки добавочных полюсов. Иногда, для того чтобы уменьшить скорость изменения потока Фz , на наконечники дополнительных полюсов устанавливают короткозамкнутые витки. Такой виток выполняют из меди или бронзы в виде фланца; он одновременно служит конструктивной деталью, крепящей катушку добавочного полюса. Однако, улучшая коммутацию в стационарных режимах, короткозамкнутые витки будут ухудшать коммутацию при резких изменениях тока якоря.

Влияние главных полюсов на процесс коммутации заключается в том, что поток Фв , созданный обмоткой возбуждения, частично попадает в зону коммутации. При симметричной магнитной системе и чередующейся полярности главных полюсов, как это наблюдается обычно, результирующий поток в зоне коммутации не изменяется, т. е. сохраняется условие ер.ср + ек.ср = 0. Однако поле в зоне коммутации деформируется, усиливаясь, с одной стороны, и уменьшаясь, с другой. На рис. 8.40 показано распределение индукции Вк в зоне коммутации: на рис. 8.40, а — созданной МДС Fв главных полюсов; на рис. 8.40, б — результирующего магнитного поля, возникающего при совместном действии МДС Fдоб добавочных полюсов (оно показано на рис. 8.37, в) и МДС Fв. Нарушение симметрии магнитного поля в зоне коммутации приводит к неблагоприятному характеру коммутации; при этом токосъем переносится на край щетки*.

---

* В генераторном и двигательном режимах чередование полярности главных и добавочных полюсов различно, чем и объясняется наблюдающаяся иногда разница в искрении щеток машины при генераторном и двигательном режимах.

---

Рис. 8.40. Распределение индукции Вк в зоне коммутации

Еще большие расстройства коммутации могут возникнуть из-за нарушения магнитной симметрии машины, например, в результате технологических отклонений при установке щеткодержателей, главных или добавочных полюсов, когда изменяется поле в зоне коммутации. Чтобы уменьшить влияние поля главных полюсов на процесс коммутации, снижают значение полюсного перекрытия α = bi /τ так, чтобы соблюдалось условие (1 - α) τ ≥ 2,5bз.к. В машинах малой мощности, кроме того, увеличивают ширину наконечника добавочного полюса, который «экранирует» зону коммутации от потока главного полюса. В машинах с компенсационной обмоткой МДС главных полюсов меньше, а следовательно, влияние поля главных полюсов на процесс коммутации меньше. Это позволяет несколько увеличивать полюсную дугу, т. е. коэффициент полюсного перекрытия αi .

Особенно велико влияние поля главных полюсов на коммутацию в машинах с несимметричной магнитной системой и в машинах с расщепленными полюсами. При этом изменение потока возбуждения приводит к изменению результирующего потока в коммутационной зоне, а следовательно, и к изменению среднего значения коммутирующей ЭДС. Это обстоятельство затрудняет создание мощных машин с расщепленными полюсами (электромашинных усилителей и регулируемых одноякорных преобразователей).

Важную роль в процессе коммутации играют щетки, которые по своей физической природе являются нелинейными сопротивлениями. При быстром увеличении плотности тока под сбегающим краем щетки сопротивление щетки резко возрастает, что ведет к уменьшению остаточного тока или полному его устранению даже в том случае, когда коммутация является неидеальной. В электрических машинах большой и средней мощности применяют электрографитированные щетки с большим падением напряжения в скользящем контакте (2,4 — 3,5 В на пару щеток). Такие щетки получают в электропечах путем нагревания заготовок из угля и кокса до температуры 2000— 2500 °С, при этом они принимают структуру графита. На рис. 8.41 показаны типичные зависимости падения напряжения 2Δuщ в контакте «коллектор — щетка» от средней плотности тока Δщ для электрографитированных (кривая 1)и угольно-графитных; (кривая 2) щеток, снятые при, медленном изменении тока.

Рис.  8.41.  Вольт-амперные характеристики   щеточного   контакта

Соответствующим выбором марки щетки часто удается улучшить коммутацию машины. Основные правила, которыми руководствуются при выборе щеток, следующие:

1) для быстроходных машин постоянного тока применяют мягкие щетки со средним значением падения напряжения под ними (1,5-2,0 В);

2) для машин постоянного тока с затрудненной коммутацией используют твердые щетки с повышенным падением напряжения под ними (2,4 — 3,5 В);

3) для контактных колец применяют металлографитные щетки с малым падением напряжения (0,1—0,5 В). Технические данные наиболее часто используемых марок щеток и области их применения приведены в табл. 8.2. Подбор щеток обычно производится экспериментально.

При работе электрических машин в условиях повышенной вибрации и больших угловых частотах вращения коллектора (свыше 1500 об/мин) давление на щетку может быть повышено до 50 кПа. Плотность тока щетки должна выбираться в зависимости от частоты вращения коллектора и условий коммутации каждого конкретного типа электрической машины. Коэффициент трения щеток о коллектор принимается равным 0,25 для всех марок щеток.

Оценка коммутационной напряженности машины. Качество коммутации проверяется визуально или с помощью специальных приборов (индикаторов искрения) во время контрольных стендовых испытаний. Однако часто, чтобы составить прогноз работы машины в эксплуатации, необходимо оценить напряженность коммутации теоретически. Такая необходимость возникает как при проектировании машины, так и при выборе типа машины для определенного технологического процесса, характеризующегося величиной и частотой перегрузок, вибрациями машины, частотой пусков, реверсов и т. п.

Типы щеток	Марка щеток	Переходное падение напряжения на пару щеток при рекомендуемой плотности тока, В	Плотность тока, А/см2	Окружная скорость, м/с	Давление на щетку, кПа	Преимущественная область применения
Угольно-гра-фитные	Г-20 Г-21 Г-22	2,9 4,3 2,5	15 5 10	40 30 30	50 15 40	Генераторы в дви га тели с облегченными условиями коммутации и коллекторные машины переменного тока
Графит-ные	Г-3 611М 611ОМ	1,9 2,0 2,0	И 12 15	25 40 90	20-25 20-25 12-22	Генераторы и двигатели с облегченными условиями коммутации и контактные кольца
Электро-графити-рованные	ЭГ2А ЭГ2АФ ЭГ4 ЭГ8 ЭГ14 ЭГ51 ЭГ61 ЭГ71 ЭГ74 ЭГ74АФ ЭГ85	2,6 2,2 2,0 2,4 2,5 2,2 3,0 2,2 2,7 2,3 2,3	10 15 12 10 11 12 13 12 15 15 15	45 90 40 40 40 60 60 40 50 60 50	20-25 15-21 15-20 20-40 20-40 20-25 35-50 20-25 17,5-25 15-21 17,5-35	Генераторы и двигатели со средними и затрудненными условиями коммутации
Метал-логра-фитные	Ml МЗ Мб М20 МГ МГ2 МГ4 МГ64 МГСО МГС5	1,5 1,8 1,5 1,4 0,2 0,5 1,1 0,5 0,2 2,0	15 12 15 12 20 20 15 25 20 15	25 20 25 20 20 20 20 25 20 35	15-20 15-20 15-20 15-20 18-23 18-23 20-25 15-20 18-23 20-25	Низковольтные  генераторы и контактные кольца

Наиболее распространенным критерием напряженности коммутации является среднее значение реактивной ЭДС, так как искрение возникает из-за неполной ее компенсации. Однако вполне определенного допускаемого значения реактивной ЭДС установить не удается, и различные заводы и фирмы придерживаются своих норм, ограничивая значение этой ЭДС 3—10 В. Так, например, по рекомендациям завода «Электросила» в машинах большой мощности с петлевой и лягушачьей обмотками реактивная ЭДС при номинальной нагрузке не должна превышать 7—10 В (меньшие значения относятся к быстроходным машинам с п ≥ 3000 об/мин). При волновых обмотках, которые применяют в машинах с током до 400 А и в тихоходных машинах с большим числом полюсов, реактивная ЭДС не должна превышать 5 В. В машинах средней мощности с диаметром якоря до 30 см, в которых обычно применяют волновые обмотки с несколькими витками в секциях, значение ер.ср должно быть не более 2,5 — 3 В.

Другой критерий основан на определении электромагнитной энергии или мощности, выделяющейся под краем щетки при искрении в процессе коммутации. Электромагнитная энергия, выделяющаяся в возникающей дуге при разрыве остаточного тока iост = 2iпΔ = 2uпiаΔ, составляет Wи =0,5i2ост Lс = 0,5(2uп iа Δ)2Lс=2uп2iа2Δ2Lс .

Соответствующая  мощность,  выделяющаяся   под   краем щетки при искрении и постоянно действующем расстройстве коммутации, Pи = mWи где т — число разрывов остаточного тока в секунду.

Так как искрение возникает при коммутации тока в каждой последней секции паза, то каждый разрыв остаточного тока соответствует перемещению коллектора на uп коллекторных делений. Следовательно,

При этом мощность

Pн =	Kva	2uп2iа2Δ2Lс = uп iа Δ2	2Kwc ia va	Lc = uп ia Δ2	Ava	Lc
	uп πDа		πDа wc		wc

Величина Ava Lc /wc = eр.п представляет собой реактивную ЭДС ер , вычисленную в предположении, что щетка перекрывает одну коллекторную пластину (по формуле 8.33а), поэтому Pи = uп ia Δ2eр.п = iп Δ2eр.п где iп = uп ia - полный ток во всех секциях, лежащих в каждом слое паза. Таким образом, при заданных технологий и условиях эксплуатации мощность, выделяющаяся под щеткой при искрении, зависит от полного тока паза 2iп и реактивной ЭДС, вычисленной в предположении, что bщ = tк . Для более полной оценки напряженности коммутации по величине мощности, выделяющейся под щеткой при искрении, необходимо учитывать коммутационные свойства щеток. При расстройстве коммутации и применении электрографитированных, графитных и угольно-графитных щеток искрение возникает равномерно по всей длине коллекторных пластин (при искрении коллекторные пластины обычно имеют по всей длине равномерный подгар с одного края), в результате чего происходит равномерная эрозия щеток и коллекторных пластин. Износ щетки зависит от удельной мощности, выделяющейся на единице длины края щетки:

При этом kщ = iп lр.п /lщ является показателем коммутационной напряженности машины. Обычно коммутация машины не вызывает затруднений, если kщ < 500 Вт/см. В общем случае значение kщ должно уточняться для каждого типа машины, исходя из особенностей технологии изготовления и условий эксплуатации. При этом должно учитываться демпфирующее действие вихревых токов в проводниках якоря, особенно заметное в машинах большой мощности. Проведенные исследования показывают, что если удельная мощность ри.уд , выделяющаяся под краем щетки, менее 1 Вт/см, то современные электрографитированные щетки уменьшают остаточный ток настолько, что искрение совершенно не наблюдается, т. е. для безыскровой коммутации необходимо, чтобы Δ2kщ ≤ 1 Вт/см. Из этого условия можно определить ориентировочное значение допустимой степени некомпенсации Δпр ≈ ±1/√kщ , или в %

Режимы, при которых Δпр ≤ 1 ÷ 2 %, неизбежно сопровождаются искрением под щетками. Интенсивность износа коллекторных пластин должна определяться значением kк = (kщ /z)2р, так как искрение, повреждающее данную пластину, возникает при выходе пластины из-под каждого щеткодержателя, число которых обычно равно числу полюсов 2р, а число искрящих пластин равно числу пазов z. Рекомендуется, чтобы предельно допустимое значение kк не превышало 20—30 Вт/см (при этом не происходит чрезмерного износа коллектора).

Экспериментальная проверка коммутации и настройка добавочных полюсов. Машины постоянного тока при выпуске с завода проходят контрольные испытания, в которые входит и проверка качества коммутации (обычно визуальная). Головные образцы машин проходят более основательную проверку. коммутации, в процессе которой путем изменения воздушных зазоров в магнитной цепи добавочных полюсов устанавливают оптимальную величину коммутирующей ЭДС.

Рис. 8.42. Схема экспериментальной установки для определения зоны безыскровой работы (а) и примерный вид этой зоны (б, в): Я1 — якорь исследуемой машины: ОВ1 — ее обмотка возбуждения; ДП — ее обмотка добавочных полюсов; Я2 — якорь вспомогательного генератора; ОВ2 — его обмотка возбуждения

Основным методом проверки и наладки коммутации является экспериментальное определение зоны безыскровой работы (путем подпитки обмотки добавочных полюсов). Для этого в обмотку добавочных полюсов от специального генератора (рис. 8.42, а) подают дополнительный ток ΔI (ток подпитки), вследствие чего изменяется ее МДС Fдоб. При этом изменяются индукция Вк в зоне коммутации и коммутирующая ЭДС ек.ср. При проведении опыта, постепенно увеличивая МДС добавочных полюсов, добиваются появления искрения под щетками и фиксируют ток подпитки +ΔI. Затем изменяют направление тока подпитки и повторяют опыт, добиваясь снова появления искрения под щетками при токе — ΔI. Этот опыт проводят при постоянной частоте вращения и и различных значениях тока якоря. По полученным данным строят зону безыскровой работы машины (см. заштрихованную зону на рис. 8.42,б). Обычно при построении зоны безыскровой работы значение тока подпитки ΔI выражают в процентах от номинального тока якоря. Ширина зоны безыскровой работы характеризует устойчивость коммутации машины при случайных отклонениях условий коммутации от оптимальных, что всегда имеется в эксплуатации. При номинальном режиме предельная допустимая неточность компенсации реактивной ЭДС примерно равна половине ширины зоны безыскровой работы.

Обычно добавочные полюсы настраивают так, чтобы середина зоны безыскровой работы соответствовала току подпитки, равному нулю. Этому режиму соответствует слегка ускоренная коммутация. Исключение составляют машины, работающие в широком диапазоне изменения частоты вращения. В этом случае также нужно настраивать добавочные полюсы по средней линии зоны безыскровой работы, но зону снимать при частоте вращения машины, близкой к максимальной (рис. 8.42, б). При такой настройке добавочных полюсов в области малых частот вращения машина недокоммутирована, т. е. поле в зоне коммутации слишком слабое (средняя линия аb зоны безыскровой работы на рис. 8.42, в лежит в области положительных значений тока подпитки ΔI).

Это объясняется тем, что при снижении частоты вращения уменьшается абсолютное значение реактивной ЭДС и увеличивается роль падения напряжения в переходном контакте между щеткой и коллектором, которое не зависит от частоты вращения. В результате резко расширяется область допустимой перекоммутации, т. е. можно было бы увеличить МДС добавочных полюсов. Несоответствие МДС добавочных полюсов оптимальному расположению зон безыскровой работы при малых частотах вращения не имеет практического значения, так как в рассматриваемых режимах машина менее нагружена в коммутационном отношении и имеет более устойчивую коммутацию, чем при большой частоте вращения*.

---

* Это не относится к электродвигателям с последовательным возбуждением, в которых коммутационная напряженность машины определяется условиями эксплуатации и при малых частотах вращения может быть большей из-за увеличения тока якоря.

---