Электрические машины: машины постоянного тока

Подождите немного. Документ загружается.

5 Коммутация машин постоянного тока

5.1 Причины искрения

При вращении якоря рядом расположенные коллекторные пластины по-

очередно входят в соприкосновение со

щеткой, при этом секции, присоединен-

ные к этим

пластинам, замыкаются щеткой, а при дальнейшем перемещении

якоря переходят в другую параллельную

ветвь. При этом ток в секциях меняет

направление на

противоположное. Процесс изменения тока в секциях обмотки

якоря при переходе их из одной параллельной ветви в другую называют

комму-

тацией (рисунок 21).

Рисунок 21 − Схема распределения тока в параллельных ветвях обмотки якоря (а) и

график изменения тока в

секции (б)

В более широком смысле под коммутацией понимают все явления и про-

цессы, возникающие под щетками при работе коллекторных электрических

машин. Секция, замкнутая щеткой, называется коммутируемой секцией, а вре-

мя, в течение которого происходит это замыкание, – периодом коммутации.

Период коммутации

= b

КОЛ

где

– ширина щетки;

КОЛ

– окружная скорость коллектора.

Если щетки

искрят, то это значит, что машина имеет плохую коммута-

цию; если искрение отсутствует, то коммутацию называют хорошей. Качество

коммутации (интенсивность искрения) в значительной степени определяет ра-

ботоспособность 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 эллиптич-

ность, 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 крат-

ковременный разрыв контакта между щеткой и коллекторными пластинами и

возникновение кратковременной электрической дуги. Особенно трудно обеспе-

чить устойчивую работу щеток при больших окружных скоростях коллектора

(примерно 50 м/с и выше), что связано с особыми свойствами щеточного кон-

такта. Электромагнитные причины приводят к тому, что даже в случае идеаль-

ного состояния щеточного контакта при выходе коллекторной пластины

из-под

щетки происходит разрыв электрической

цепи, по которой проходит ток, и воз-

никает короткая электрическая

дуга, повреждающая сбегающие части щетки и

коллекторных

пластин. Искрение, вызванное электромагнитными причинами,

повреждает поверхность коллектора и приводит к вибрации

щеток, т. е. способ-

ствует возникновению искрения по механическим

причинам. Неустойчивость

щеточного

контакта, обусловленная механическими причинами, существенно

влияет на электромагнитные

процессы, происходящие в коммутируемых секци-

ях. 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 коммута-

ции) под сбегающим краем щетки, из-под которого выходят пластины коллек-

тора при его

вращении. Степени искрения и их характеристики согласно

ГОСТ 183-74 приведены в таблице 4.

Таблица 4 – Характеристика степени искрения

Степень

искрения

Характеристика степени искрения Состояние коллектора и щеток

1 Отсутствие искрения (темная коммутация) -

1/4

Слабое точечное искрение под небольшой

частью щетки

Отсутствие почернения на коллекто

ре и

нагара на щетках

1/2

Слабое искрение под большей частью щетки Появление следов почернения на кол-

лекторе, легко устраняемых протирани-

ем

поверхности коллектора бензином, а

также следов нагара на щетках

Искрение под всем краем щетки. Допускает-

ся только при кратковременных толчках

на-

грузки и перегрузках

Появление следов почернения на кол-

лекторе, не устраняемых протиранием

поверхности коллектора

бензином, а

также следов нагара на щетках

Значительное искрение под всем краем щет-

ки с наличием крупных вылетающих

искр.

Допускается только для моментов прямого

(без реостатных ступеней) включения или

реверсирования машин, если при этом ко

л-

лектор и щетки остаются в

состоянии, при-

годном для дальнейшей работы

Значительное почернение на коллекто-

ре, не устраняемое протиранием ко

л-

лектора

бензином, а также подгар и раз-

рушение щеток

Как видно из таблицы 4, при длительной работе машины допускается

слабое искрение под

щетками. Однако требования ГОСТа проверяются только

при контроле качества коммутации электрических

машин, выпускаемых с заво-

да. В эксплуатации может наблюдаться искрение значительно большей интен-

сивности, поскольку машина работает в форсированных режимах (при пере-

грузках или повышенной частоте

вращения). Повышенное искрение щеток

мо-

гут вызывать и другие особенности

эксплуатации: вибрация и удары машины,

работа на высоте

более 1000 м над уровнем моря, работа в запыленных поме-

щениях или в агрессивной среде и

т. п. Поэтому технические требования,

предъявляемые к разработке машин постоянного

тока, должны учитывать усло-

вия их будущей

эксплуатации.

5.2

Способы улучшения коммутации

Практикой установлено, что для удовлетворительной коммутации сред-

нее значение ЭДС в секции не должно превышать

0,5–0,7 В. Наилучшим спо-

собом улучшения коммутации в машинах постоянного тока является

установ-

ка дополнительных полюсов

, с помощью которых в коммутационной зоне

создается магнитное

поле, индуцирующее коммутирующую ЭДС требуемой

величины. В настоящее время дополнительные полюсы применяют во всех ма-

шинах мощностью свыше

1 кВт. Только в машинах малой мощности (менее

300 Вт) удается обойтись без добавочных полюсов. Дополнительные полюсы

располагают между основными полюсами по линиям геометрических

нейтра-

лей (рисунок 22). Число дополнительных полюсов обычно равно числу главных

полюсов, и только у машин небольшой мощности число их иногда уменьшают

в 2 раза. Щетки у машин с дополнительными полюсами также устанавливают

на геометрической

нейтрали. Поток дополнительных полюсов имеет встречное

направление по отношению к потоку якоря

Φq в зоне коммутации. Дополни-

тельные полюсы создают в зоне коммутации магнитное поле с такой индукцией

, чтобы при вращении якоря в коммутируемых секциях индуцировалась

коммутирующая ЭДС

, компенсирующая реактивную ЭДС Е

. Поэтому об-

мотку добавочных полюсов включают последовательно в цепь

якоря, а

маг-

нитную систему выполняют ненасыщенной

. В этом случае коммути-

рующая ЭДС

пропорциональна току якоря и его линейной скорости.

Магнитное поле каждого дополнительного полюса создается катушкой,

расположенной на его

сердечнике. Катушки соединяются между собой, образуя

обмотку возбуждения дополнительных

полюсов. Полюсы должны иметь чере-

дующуюся

полярность, которая должна быть согласована с полярностью глав-

ных полюсов

так, чтобы наводимая его полем ЭДС Е

была направлена на-

встречу реактивной

ЭДС. В генераторном режиме полярность добавочного по-

люса должна быть такой

же, как у следующего за ним по направлению враще-

ния главного

полюса; в двигательном режиме — как у предшествующего ему

по направлению вращения главного

полюса. Сердечники добавочных полюсов

изготовляют обычно массивными из стальной поковки, иногда применяют и

шихтованные из листов электротехнической

стали.

1 – добавочные полюсы; 2 – обмотка добавочных полюсов; 3 – обмотка возбуждения; 4 – главные полюсы

Рисунок 22 – Схема расположения главных и добавочных полюсов в машине

Создание коммутирующего поля путем сдвига щеток с геометриче-

ской нейтрали

применяется в машинах, не имеющих дополнительных полю-

сов. Щетки сдвигаются с нейтрали таким образом, чтобы коммутируемые сек-

ции располагались за физической

нейтралью, в зоне, где имеется поле главных

полюсов (рисунок 23).

Рисунок 23 − Сдвиг щеток с геометрической нейтрали

Для того чтобы коммутирующая ЭДС, которая будет наведена в секции,

имела

направление, противоположное реактивной ЭДС, щетки следует сместить

с геометрической нейтрали по направлению вращения якоря у генераторов и

против направления вращения у

двигателей. Угол сдвига щеток устанавливается

экспериментально до прекращения искрения щеток при

определенном, неизмен-

ном токе

якоря. Рассматриваемый способ улучшения коммутации имеет

сущест-

венный

недостаток, заключающийся в том, что компенсацию реактивной ЭДС

при неизменном положении щеток можно получить только для одного значения

тока

якоря. При других значениях тока якоря полной компенсации происходить

не

будет. Еще один недостаток состоит в том, что этот способ нельзя применять

для

машин, работающих с изменением направления

вращения.

Так как искрение щеток связано с разрывом тока коммутируемой секции,

то существуют меры по улучшению

коммутации, направленные на уменьшение

коммутируемого

тока. Уменьшение этого тока можно получить снижением ре-

зультирующей ЭДС в коммутируемой секции и

увеличением сопротивления

коммутируемой секции

Уменьшение реактивной ЭДС Е

. В первую очередь, этот способ от-

носится к

машинам, не имеющим дополнительных полюсов. Снижение

воз-

можно

путем увеличения числа секций обмотки якоря, чтобы уменьшить

число витков в каждой из

них. Обычно у машин средней и большой мощности

= 1, и только у машин небольшой мощности секции имеют несколько вит-

ков.

Стремятся уменьшить длину якоря также за счет увеличения его

диаметра. С повышением мощности машины для уменьшения реактивной ЭДС

снижают номинальную частоту вращения, а, следовательно, и окруж-

ную скорость

якоря. Снижение

в большинстве случаев нецелесообразно, так

как при этом увеличиваются размеры

машины. Поэтому машины постоянного

тока имеют меньшую

мощность, чем машины переменного тока тех же габари-

тов; при мощности

100–1000 кВт это уменьшение составляет 20–25 %.

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.

Увеличение сопротивления цепи коммутируемой секции R

. Это

сопротивление практически равно переходному сопротивлению щеточного

кон-

такта, так как сопротивление самой секции относительно мало и им обычно пре-

небрегают. В машинах постоянного тока применяют щетки с повышенным

значением переходного

сопротивления

, выполненные, главным образом, из

графита с

примесями (марок ЭГ, Г и др.). Как уже отмечалось ранее, электриче-

ские свойства щеточного контакта обычно характеризуются

величиной, завися-

щей от переходного

сопротивления, — переходным падением напряжения на пару

щеток

ΔU

при номинальной плотности тока. Для указанных щеток значение

ΔU

лежит в пределах 1,7–2,7 В. Чем тяжелее условия коммутации, тем целесо-

образнее выбирать щетки с большим значением

ΔU

. Металлические щетки в

машинах постоянного тока, как правило, не применяют, так как они имеют малое

переходное падение

напряжения. Только в машинах с низким номинальным на-

пряжением (

27–30 В) применяют медно-графитовые щетки.

При выборе щеток следует также иметь в виду, что при увеличении

ΔU

возрастают электрические потери в щеточном контакте, что приводит к сниже-

нию КПД

машины. По этой причине применение щеток с необоснованно боль-

шим значением

ΔU

нежелательно. Подбор щеток обычно производится экс-

периментально.

В электрических машинах большой и средней мощности применяют

электрографитированные щетки с большим падением напряжения в

скользя-

щем

контакте (

2,4–3,5 В на пару щеток). Такие щетки получают в электропе-

чах путем нагревания заготовок из угля и кокса до температуры

2 000–2 500 °С, при этом они принимают структуру графита.

Соответствующим выбором марки щетки часто удается улучшить комму-

тацию

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 облас-

ти их применения приведены в

таблице 5.

Таблица 5 – Типы щеток

Тип щетки

Марка

щетки

Переходное

падение

на-

пряжения на

пару щеток

при

рекомен-

дуемой

плот-

ности

тока, В

Плотность

тока,

А/см

Ок-

руж-

ная

ско-

рость,

м/с

Давле-

ние на

щетку,

кПа

Преимущественная область

применения

1 2 3 4 5 6 7

Г-20 2,9 15 40 50 Ге

нераторы и двигатели с

Угольно-

графитовые

Г-21

Г-22

4,3

2,5

облегченными усло

виями

коммутации и коллектор-

ные машины

переменно

го

тока

Г-З 1,9 11 25 20-25

Генераторы и двигатели с

Графитовые

611М

611ОМ

2,0

20-25

12-22

облегченными усло

виями

коммутации и контакт

ные

кольца

Окончание таблицы 5

1 2 3 4 5 6 7

Электрографи-

тированные

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

20-25

15-21

15-20

20-40

20-25

35-50

20-25

17,5-25

15-21

17,5-35

Генераторы и двигатели

со средними и

затруднен-

ными условиями

комму-

тации

Ml 1,5 15 25 15-20

М3 1,8 12 20 15-20

М6 1,5 15 25 15-20

Металло-

графитные

М20

МГ

МГ2

1,4

0,2

0,5

15-20

18-23

Низковольтные генерато-

ры и контактные кольца

МГ4 1,1 15 20 20-25

МГ64 0,5 25 25 15-20

МГСО 0,2 20 20 18-23

МГС5 2,0 15 35 20-25

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 коллектор-

ных

пластин. Особенно опасно это явление для двигателей постоянного тока,

работающих в условиях затяжных

пусков (например, для тяговых двигателей

электровозов, экскаваторов и т. п.).

При работе электрических машин в условиях повышенной вибрации и

больших угловых частотах вращения

коллектора (свыше

1 500 об/мин) давле-

ние на щетку может быть повышено до

50 кПа. Плотность тока щетки должна

выбираться в зависимости от частоты вращения коллектора и условий

комму-

тации каждого конкретного типа электрической

машины. Во избежание пере-

грева отдельных пластин и возникновения деформации коллектора плотность

тока под щетками при длительных перегрузках таких машин не должна

превы-

шать

20 А/см

. Коэффициент трения щеток о коллектор принимается равным

0,25 для всех марок щеток.

Уменьшение линейной нагрузки А. Снизить результирующую удель-

ную проводимость коммутируемой секции можно следующими

способами:

1) применением менее глубоких, но более широких открытых пазов на

якоре;

2) применением ступенчатых обмоток и обмоток с укороченным шагом;

3) применением более широких щеток. При более широких щетках уве-

личивается период коммутации, уменьшается скорость изменения тока в ком-

мутируемой секции

(di/dt) и, несмотря на возрастание количества индуктивно

связанных

секций, реактивная ЭДС в большинстве случаев уменьшается.

Для улучшения коммутации в сложных петлевых обмотках устанавлива-

ют уравнительные соединения первого и второго

рода.

6 Генераторы постоянного тока

Классификация. Свойства машин постоянного тока обусловлены, в ос-

новном, способом питания обмотки возбуждения. В зависимости от способа

включения этой обмотки относительно обмотки якоря различают следующие

типы

машин (рисунок 24):

с независимым возбуждением — обмотка возбуждения получает

питание от постороннего источника постоянного

тока;

с параллельным возбуждением — обмотка возбуждения подклю-

чена параллельно к обмотке

якоря;

с последовательным возбуждением — обмотка возбуждения

включена последовательно с обмоткой якоря и

нагрузкой;

со смешанным возбуждением — имеются две обмотки возбужде-

ния: одна подключена параллельно якорю, а другая — последовательно с на-

грузкой.

а – независимое; б – параллельное; в – последовательное; г – смешанное

Рисунок 24 – Способы возбуждения машин постоянного тока

Генераторы рассматриваемых типов имеют одинаковое устройство и от-

личаются лишь выполнением обмотки

возбуждения. Обмотки независимого и

параллельного

возбуждения, имеющие большое число витков, изготовляют из

провода малого

сечения; обмотку последовательного возбуждения, имеющую

небольшое число

витков,— из провода большого сечения. Генераторы малой

мощности иногда выполняют с постоянными магнитами. Свойства таких

генераторов близки к свойствам генераторов с независимым

возбуждением.

Рисунок 25 − Принципиальная схема генератора с независимым возбуждением

Генератор с независимым возбуждением. В генераторе этого типа

(рисунок 25) ток возбуждения

не зависит от тока якоря I

, который равен то-

ку нагрузки

. Ток I

определяется только положением регулировочного рео-

стата

Р В

, включенного в цепь обмотки возбуждения:

(6)

+ R

Р В

где

– напряжение источника питания обмотки возбуждения;

– сопротивление обмотки возбуждения;

Р В

– сопротивление регулировочного реостата.

Обычно ток возбуждения невелик и составляет

1–3 % от номинального

тока

якоря. Основными характеристиками, определяющими свойства генерато-

ров постоянного

тока, являются:

характеристика холостого хода, внеш-

няя

, регулировочная и нагрузочная.

а – холостого хода; б – внешняя; в – регулировочная

Рисунок 26 − Характеристики генератора с независимым возбуждением

Характеристикой холостого хода (рисунок 26, а) называют зависи-

мость

= U

= f(I

) при I

= 0 и n = const. При холостом ходе машины, ко-

гда цепь нагрузки

разомкнута, напряжение

на зажимах обмотки якоря равно

ЭДС

= Ce⋅n⋅Φ. Частота вращения якоря n поддерживается неизменной, и

напряжение при холостом ходе зависит только от магнитного потока

Φ, т. е. то-

ка возбуждения

. Поэтому характеристика U

= f(I

) подобна магнитной ха-

рактеристике

= f(I

). Характеристику холостого хода легко получить экспе-

риментально. Для этого сначала устанавливают ток возбуждения таким, чтобы

≈ 1,25⋅U

НОМ

, затем уменьшают ток возбуждения до нуля и снова увеличи-

вают его до прежнего

значения. При этом получаются восходящая и нисходя-

щая ветви характеристики, которые выходят из одной точки. Расхождение вет-

вей объясняется наличием гистерезиса в магнитопроводе

машины. При

= 0 в

обмотке якоря потоком остаточного магнетизма индуцируется остаточная ЭДС

ОСТ

, которая составляет 2–4 % от U

НОМ

Внешней характеристикой (рисунок 26, б) называют зависимость

U = f(I

) при n = const и I

= const. В режиме нагрузки напряжение генератора

U = Е − I

ΣR

(7)

где

ΣR

– сумма сопротивлений всех обмоток, включенных последова-

тельно в цепь

якоря (обмоток якоря, добавочных полюсов и компенсационной).

С увеличением нагрузки на уменьшение напряжения

U влияют:

1) падение напряжения во внутреннем сопротивлении ΣR

машины;

2) уменьшение ЭДС

Е в результате размагничивающего действия реак-

ции

якоря.

Изменение напряжения при переходе от режима номинальной нагрузки к

режиму холостого хода