Коммутация: общие положения. Причины искрения на коллекторе, способы улучшения коммутации. Виды обмоток якоря. Потери и КПД машин постоянного тока

Общие сведения

При вращении якоря коллекторные пластины поочеред­но входят в соприкосновение со щеткой, при этом секции, присоединенные к этим пластинам, замыкаются щеткой, а при дальнейшем перемещении якоря переходят в другую параллельную ветвь (рис. 44.1). При переходе секций из одной параллельной ветви в другую ток в них меняет на­правление на противоположное.

Процесс переключения секций из одной параллельной ветви в другую носит название коммутации. Секция, замк­нутая щеткой, называется коммутируемой секцией, а время, в течение которого происходит это замыкание, — периодом коммутации.

Период коммутации Т_K зависит от ширины щетки b_Щ и окружной скорости коллектора υ_K. Для простой петлевой обмотки (рис. 44.2, а)

Так как , то, подставляя это вы­ражение в (44.1), получаем

где  — коэффициент щеточного перекрытия (обыч­но β_щ=1,5÷3); К, b_K — число и ширина коллекторных пластин; n — частота вращения якоря, об/мин.

Рис. 44.1. Коммутация тока в секции

Рис. 44.2. Коммутируемые сек­ции

В сложной петлевой обмотке секция замкнута в течение " времени перемещения коллектора на размер дуги  (рис. 44.2 б) и

Учитывая, что т=а/р, и подставляя значение υ_K, полу­чаем

Выражение (44.4) является наиболее общим и примени­мо как для петлевых, так и для волновых обмоток.

Процесс переключения секции из одной параллельной ветви в другую — процесс коммутации — протекает весьма быстро, в течение долей секунды.

Например, для машины, имеющей К=120, (β_Щ = 2, т=1000 об/мин, а/р=1, период коммутации

При коммутации машины может наблюдаться искрение в щеточном контакте на коллекторе. Сильное искрение вы­зывает порчу поверхности коллектора и щеток и делает длительную работу машины невозможной. Качество коммутации согласно ГОСТ 183-74 оценивается степенью искре­ния под сбегающим краем щетки, т. е. под тем краем щетки, из-под которого выходят пластины коллектора при его вра­щении (табл. 44.1).

Таблица 44.1. Таблица искрения щеток машин постоянного тока

Степень искрения (класс коммутации)	Характеристика степени искрения	Состояние коллектора и щеток
1	Отсутствие искрения   (темная коммутация)	Отсутствие почернения на коллекторе и нагара на щетках
	Слабое    точечное    искрение под небольшой частью щетки
	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 перегрузке	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 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, не устраняе­мое протиранием поверхности коллектора бензином, а также подгар и разрушение щеток

Степени искрения 1,  и  допуска­ются для длительной работы машины, степень 2 — только кратковременно. Оценку степени искрения производят ви­зуальным наблюдением.

Причины искрения

Искрение щеток на коллекторе   может   происходить по разным причинам, которые можно разделить на механические, электромагнитные и потенциальные.

Механические причины искрения связаны с некачественным изготовлением коллектора и щеточного аппарата. Неровная   поверхность   коллектора,   выступание   отдельных коллекторных пластин, заедание и вибрация щеток в щеткодержателях, биение коллектора и т. д. приводят к нарушению контакта между щеткой и коллектором   и появлению искрения. Поэтому при изготовлении машины предъявляются жесткие требования к обработке поверхности коллекторно-щеточного узла. Электромагнитная причина искрения является основной и  связана   с   протеканием   электромагнитных   процессов в коммутируемых секциях. Сущность  этих   процессов   заключается в следующем. При   коммутации,   когда секция замкнута щеткой, в ней происходит изменение направления тока на противоположное. Как уже отмечалось ранее, это изменение протекает быстро. Так как секция имеет определенную индуктивность L_S, то в ней будет наводиться ЭДС самоиндукции . В общем случае, когда ширина щетки больше одной коллекторной пластины  (β_Щ>1), одновременно коммутируется ряд рядом лежащих секций, которые могут иметь магнитную связь с рассматриваемой секцией. Поэтому кроме ЭДС самоиндукции в каждой коммутируемой секции наводятся ЭДС взаимной индукции от соседних коммутируемых секций . Кроме того, в барабанном якоре ЭДС взаимной индукции   будут  наводиться  от секций, коммутируемых   соседними    щетками, так как стороны этих секций обычно располагаются в одних пазах с коммутируемой.   ЭДС коммутируемой   секции,   равная сумме