Коммутация: общие положения. Причины искрения на коллекторе, способы улучшения коммутации. Виды обмоток якоря. Потери и КПД машин постоянного тока, страница 3

Характер протекания коммутационного процесса в маши­нах постоянного тока зависит от закона изменения тока в секции за период, когда она замкнута щеткой. На ток в коммутируемой секции оказывает влияние целый ряд фак­торов, часть из которых трудно учесть аналитически. По­этому обычно при составлении уравнений, описывающих коммутационный процесс, принимают ряд допущений, глав­ным из которых является допущение, связанное с учетом скользящего контакта между щеткой и коллектором. Вольтамперные характеристики щеточного контакта не имеют аналитического выражения, поэтому при расчетах эту характеристику описывают приближенным аналитическим выражением (аппроксимируют характеристику).

Существует различный подход к аппроксимации вольтамперных характеристик щеточного контакта. В дальнейшем будем пользоваться ап­проксимацией, принятой в так называемой классической тео­рии коммутации.

В основу классической тео­рии коммутации положено предположение, что переход­ное сопротивление между щет­кой и коллектором r_Щ являет­ся постоянным и не зависит от плотности тока в щетке I_щ, т. е. принимается линейный харак­тер вольтамперной характери­стики . Несмотря на то что принятое допу­щение далеко от реальности (рис. 44.4), результаты анализа, полученные на основе классической теории, позволяют выявить основные законо­мерности процесса коммутации и определить способы ее улучшения.

Рис. 44.5. К выводу уравнения коммутации

Процесс коммутации рассмотрим на примере простой петлевой обмотки. В целях большей наглядности возьмем кольцевую обмотку якоря, а ширину щетки b_Щ примем равной ширине коллекторной пластины b_K. При заданном на­правлении вращения якоря (рис. 44.5) коммутация секции 1 начнется с того момента времени, когда коллекторная пластина 2 войдет в соприкосновение с правым краем щет­ки, который называют набегающим краем. С этого момента секция 1 будет замкнута щеткой и в ней будет происходить изменение тока i При дальнейшем перемещении якоря спу­стя период коммутации Т_K коллекторная пластина 1 выйдет из соприкосновения со щеткой под левым ее краем (сбега­ющим краем). В этот момент коммутация секции 1 закан­чивается, и она переходит в другую параллельную ветвь обмотки, а ток в ней меняет направление на противополож­ное по сравнению с его направлением до начала коммута­ции.

Для определения закона изменения тока в коммутируе­мой секции для момента времени t(0<t<T_K) в соответст­вии с рис. 44.5 можем записать следующую систему урав­нений:

по первому закону Кирхгофа (для пластин 1 и 2)

по второму закону Кирхгофа (контур коммутируемой секции)

В уравнении (44.6) не учитывались сопротивления сек­ции и проводников, соединяющих секцию с коллектором. Эти сопротивления малы по сравнению с переходными со­противлениями в щеточном контакте под сбегающей частью r_Щ1 и под набегающей частью r_Щ2; — сумма ЭДС в коммутируемой секции, состоящая из реак­тивной ЭДС и ЭДС, наводимой в этой секции при вращении ее в магнитном поле в зоне коммутации.

Из совместного решения уравнений (44.5) и (44.6) по­лучим

где  — переходное сопротивление щеточного контакта.

Переходные сопротивления r_Щ1 и r_Щ2 обратно пропор­циональны площадям соприкосновения щетки с соответст­вующей коллекторной пластиной:  и ; здесь l_Щ — длина щетки в осевом направлении машины; b_Щ1 и b_Щ2 - ширина сбегающей и набегающей части щетки соответственно.

При вращении якоря площадь  будет увели­чиваться, а площадь  — уменьшаться (υ_K — окружная скорость коллектора). В соответствии с этим можно записать

Подставляя (44.8) в (44.7), получаем в окончательном виде выражение для тока i в коммутируемой секции:

Характер изменения тока i за период коммутации зави­сит от значения и знака суммарной ЭДС , дей­ствующей в коммутируемой секции. В зависимости от этого различают три вида коммутации: прямолинейную, замед­ленную и ускоренную.

Прямолинейная коммутация в машинах постоянного то­ка будет в том случае, когда . Для этого реактивная ЭДС е_P в любой момент времени должна быть скомпенси­рована ЭДС е_BP, наводимой при пересечении коммутируе­мой секцией линий внешнего магнитного поля. Такое маг­нитное поле в зоне коммутации чаще всего создается допол­нительными полюсами (см. § 44.6). При этом условии ток в коммутируемой секции будет равен: