Способы улучшения коммутации машин постоянного тока.

Магнитная система

Остов – являясь корпусом машины, одновременно выполняет роль магнитопровода;

Главные полюса – создающие основной магнитный поток, состоят из сердечников и катушек.

Двухполюсная машина имеет два разноименных полюса расположенных напротив друг друга. Катушки главных полюсов включаются последовательно и встречно по направлению тока, так чтобы они образовывали разную полярность

Величина магнитного потока для магнитной цепи определяется по формуле:

где:

I*W– магнитодвижущая сила, определяется как произведение силы тока Iна количество витков катушек на обеих полюсах W

R магн магнитное сопротивление цепи состоящее из сопротивления остова; 2-х сердечников полюсов; сердечника якоря и 2-х воздушных зазоров.

Двухполюсная машина имеет одну пару полюсов и один магнитный поток выходящий из северного полюса пронизывающий тело якоря и уходящий в южный полюс.

У многополюсных машин количество магнитных потоков соответствует количеству главных полюсов. Соединения обмоток возбуждения могут выполняться различным способом.

Последовательное соединение всех катушек главных полюсов, обеспечивает относительно более равные по величине магнитные потоки. Но при очень больших токах нагрузки применяется смешанное соединение катушек полюсов.

Магнитные потоки относительно равны, так как по катушкам полюсов проходит один и тот же ток, а катушки имеют равное количество витков. Разность потоков образуется за счет неодинаковых воздушных зазоров из-за неточностей изготовления и сборки.

На разность магнитных потоков оказывает влияние качество контактов в соединениях катушек полюсов и возможная неравномерность распределения тока по параллельным ветвям.

Обмотка якоря

Применяются основных три вида обмотки якоря:

Петлевая;

Волновая;

Смешанная

Простая петлевая обмотка:

Шаг по коллектору 1; шаг по пазам якоря диаметральный. Укладка обмотки производится последовательно с 1-й на 2-ю; со 2-й на 3-ю и так до конца последняя секция укладывается с последней на 1-ю коллекторную пластину.

Петлевая обмотка имеет параллельные ветви прохождения по ней тока равно числу главных полюсов. Она применяется для машин работающих с большим током нагрузки.

В связи с тем, что при вращении якоря в каждой параллельной ветви число последовательно работающих секций постоянно меняется в процессе работы в каждой параллельной ветви создается собственная ЭДС отличная от ЭДС в других параллельных ветвях. Так по нашей схеме между 6 и 15, а также между 25 и 34 коллекторными пластинами последовательно находятся по 9 секций, а между 5 и 35 также между 24 и 16 коллекторными пластинами последовательно находятся по 8 секций. Учетом реальной толщины щеток в процессе вращения якоря количество последовательных секций между положительными и отрицательными щетками будет постоянно меняться от 7 до 9 секций. С учетом того, что в реальной машине напряжение одной секции по расчетам составляет 14-16 Вольт, то разница ЭДС в параллельных секциях может достигать от 14 до 32 Вольт.

По этой причине в обмотке якоря между секциями создается разность потенциалов, под воздействием которой возникает уравнительный ток.

Отдельные уравнительные токи I₁иI₂ проходят не загружая щеточный аппарат машины, но токи I_3-4 и I_5-6 проходят через щеточный аппарат, усложняя работу щеток, повышая плотность тока в переходном контакте Щетка-Коллектор вызывают повышенное искрение под щетками и способствуют образования кругового огня.

Для разгрузки щеток от уравнительных токов при простой петлевой обмотке применяют уравнительные соединения 1-го рода. Которые соединят друг с другом коллекторные пластины одновременно находящиеся под плюсовыми или минусовыми щетками.

Уравнительные соединения чаще всего делают не на всех подряд коллекторных пластинах. А с учетом ширины щеток через одну и ли через две коллекторные пластины.

Для увеличения большего тока в машинах большой мощности применяется сложная (двузаходная) петлевая обмотка, имеющая увеличенный на одну шаг по коллектору. Секция начинается на 1-й коллекторной пластине, а заканчивается не на 2-й, а на 3-й коллекторной пластине. Такая обмотка имеет как бы два хода по коллектору один по четным коллекторным пластинам, а второй по нечетным пластинам. Так как щетка имеет ширину позволяющую перекрывать не одну а 3-4 коллекторные пластины количество параллельных ветвей удваивается. Такая обмотка обеспечивает прохождение тока в 2 раза большей величины, но при этом напряжение рабочее также в два раза должно быть снижено.

Такая обмотка имеет уравнительные соединения второго рода. Средняя точка каждой секции соединена со средней коллекторной пластиной секции. На примере секция начинается на 5-й, заканчивается на 7-й. средняя 6-я пластина. Такими уравнительными соединениями связывают четный и нечетный ход обмотки якоря.

Волновая обмотка

Применяется только на многополюсных машинах, это обмотка предназначается для работы с большим напряжением. Шаг по пазам якоря не отличается от петлевой обмотки, а шаг по коллектору у нее равен двум (электрическим) диаметрам.

Последователь уложенные секции простой волновой обмотки образуют две параллельные ветви прохождения тока, причем рабочие стороны последовательно включенных секций располагаются под всеми полюсами машины и оказываются в абсолютно равных условиях и равных магнитных потоках.

При этом часть секций накоротко замкнута одноименными щетками, и выполняет роль уравнительных соединений.

Если увеличить число коллекторных пластин на одну или уменьшить на три и сохраним шаг по коллектору получим сложную двухзаходную волновую обмотку.

Реакция якоря

Главные полюса электрической машины создают основной магнитный поток, который под подошвой полюса должен быть равномерным. Обеспечивая равное воздействие на активные проводники обмотки якоря. Но такой поток сохраняется только на холостом ходу.

Как только машина начинает работать под нагрузкой и в обмотке якоря появляется ток обмотка якоря создает свой магнитный поток, направленный перпендикулярно магнитному потоку главных полюсов. В результате взаимодействия этих двух магнитных потоков происходит искажение магнитного потока главных полюсов, это явление и получило название РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ.

В результате реакции якоря нарушается равномерность магнитного потока под подошвами главных полюсов он ослабляется с одной стороны полюса и усиливается с другой стороны. У генераторов усиление поля происходит под сбегающим краем полюсов, а у двигателя наоборот под набегающим краем полюса. А также происходит смещение оси симметрии магнитного потока с геометрической на физическую нейтраль.

Последствия реакции якоря.

1. Неравномерное распределение магнитного потока главных полюсов и как следствие уменьшение суммарного магнитного потока и уменьшение мощности машины.

2. Ухудшение условий коммутации. повышенное искрение под щетками.

3. В момент прохождения активными проводниками секций под краями полюсов с увеличенным магнитным потоком резко возрастает напряжение на коллекторных пластинах этой секции. Возможность возникновения кругового огня.

Устранение вредных последствий реакции якоря.

На машинах малой мощности до 1 кВт., работающих с постоянной нагрузкой и не меняющих направление вращения применяется сдвиг щеток с геометрической на физическую нейтраль. Щеткодержатели устанавливаются на поворотную траверсу. Во время работы машины, поворачивая траверсу, находят положение с минимальным искрением щеток и потреблением наименьшего тока и в этом положении траверсу закрепляют.

В машинах большей мощности обязательно применяются добавочные полюса, которые устанавливают на геометрической нейтрали, между главными полюсами. Добавочные полюса создают магнитный поток направленный встречно магнитному потоку обмотки якоря, а чтобы эти два потока всегда соответствовали друг другу катушки добавочных полюсов всегда включаются последовательно с обмоткой якоря.

Полярность дополнительных полюсов

Для машин мощностью более 250 кВт дополнительно используют компенсационную обмотку, укладываемую в пазы подошвы главных полюсов и включенных в схему машины также как и дополнительные полюса, последовательно с обмоткой якоря.

Коммутация

Понятие коммутация – это изменение состояния электрической цепи, то есть любое ее изменение. Но если в обычных электрических цепях переключения происходят относительно редко, то при работе любой электрической машины переключения в большом количестве происходят постоянно. Рассмотрим переход секции якоря из одной параллельной ветви в другую в момент когда ее коллекторные пластины проходят под щеткой.

Первая позиция-начало коммутации рабочий ток в секции протекает по часовой стрелке с 16 на 17 коллекторную пластину;

Вторая позиция- секция с 16 на 17 коллекторные пластины накоротко замкнута щеткой рабочего тока в ней нет;

Третья позиция-окончание коммутации. 16 коллекторная пластина вышла из под щетки и ток в секции протекает против часовой стрелки с 17 на 16 коллекторную пластину.

А процесс коммутации перешел на следующую секцию. И это одновременно происходит под всеми щетками машины.

Так, как этот процесс протекает за очень короткое время, в коммутируемой секции создается реактивная ЭДС состоящая из ЭДС самоиндукции и ЭДС взаимоиндукции. И эти обе ЭДС направлены на поддержание в коммутируемой секции тока предшествующего процессу коммутации.

е_р = е_с + е_в

На рисунке видно, что активные проводники двух, одновременно коммутирующих секций, находятся в одном пазу и наводят друг в друге ЭДС взаимоиндукции.

В результате действия реакции якоря в этих же проводниках, пересекающих геометрическую нейтраль создается еще и 3-я ЭДС вращения, (е_вр) которая направлена также как и реактивная ЭДС. А так как секции накоротко замкнуты щетками в них возникает ток коммутации.

Коммутирующий ток проходя через коллекторные пластины и щетки приводит к перераспределению силы тока между коллекторными пластинами и щеткой. Так между щеткой и набегающей коллекторной пластиной ток нагрузки и коммутирующий ток направлены встречно друг другу, следовательно результирующий ток перехода уменьшается, а на сбегающей коллекторной пластине ток нагрузки и коммутирующий ток направлены в одну сторону, следовательно результирующий ток перехода увеличивается. При этом, так как коллекторная пластина уходит из под щетки и площадь контакта стремительно уменьшается, плотность тока нарастает и в момент отрыва коллекторной пластины от щетки происходит разрыв тока большой плотности, что и приводит к образованию искрения.

Таким образом, коммутация электрических машин постоянного тока характеризуется степенью искрения под щетками. Различают 5 степеней коммутации.

	темная	Практически искрения нет	Допускается работа машины без ограничения
	слабая	Незначительное искрение
	средняя	Искрение наблюдается на половине щеточного пространства
	сильная	Искрение наблюдается на большей части щеточного пространства	Не допустимые режимы работы машины
	тяжелая	Сплошное искрение с вылетом крупных снопов огня

Магнитная система

Остов – являясь корпусом машины, одновременно выполняет роль магнитопровода;

Главные полюса – создающие основной магнитный поток, состоят из сердечников и катушек.

Двухполюсная машина имеет два разноименных полюса расположенных напротив друг друга. Катушки главных полюсов включаются последовательно и встречно по направлению тока, так чтобы они образовывали разную полярность

Величина магнитного потока для магнитной цепи определяется по формуле:

где:

I*W– магнитодвижущая сила, определяется как произведение силы тока Iна количество витков катушек на обеих полюсах W

R магн магнитное сопротивление цепи состоящее из сопротивления остова; 2-х сердечников полюсов; сердечника якоря и 2-х воздушных зазоров.

Двухполюсная машина имеет одну пару полюсов и один магнитный поток выходящий из северного полюса пронизывающий тело якоря и уходящий в южный полюс.

У многополюсных машин количество магнитных потоков соответствует количеству главных полюсов. Соединения обмоток возбуждения могут выполняться различным способом.

Последовательное соединение всех катушек главных полюсов, обеспечивает относительно более равные по величине магнитные потоки. Но при очень больших токах нагрузки применяется смешанное соединение катушек полюсов.

Магнитные потоки относительно равны, так как по катушкам полюсов проходит один и тот же ток, а катушки имеют равное количество витков. Разность потоков образуется за счет неодинаковых воздушных зазоров из-за неточностей изготовления и сборки.

На разность магнитных потоков оказывает влияние качество контактов в соединениях катушек полюсов и возможная неравномерность распределения тока по параллельным ветвям.

Обмотка якоря

Применяются основных три вида обмотки якоря:

Петлевая;

Волновая;

Смешанная

Простая петлевая обмотка:

Шаг по коллектору 1; шаг по пазам якоря диаметральный. Укладка обмотки производится последовательно с 1-й на 2-ю; со 2-й на 3-ю и так до конца последняя секция укладывается с последней на 1-ю коллекторную пластину.

Петлевая обмотка имеет параллельные ветви прохождения по ней тока равно числу главных полюсов. Она применяется для машин работающих с большим током нагрузки.

В связи с тем, что при вращении якоря в каждой параллельной ветви число последовательно работающих секций постоянно меняется в процессе работы в каждой параллельной ветви создается собственная ЭДС отличная от ЭДС в других параллельных ветвях. Так по нашей схеме между 6 и 15, а также между 25 и 34 коллекторными пластинами последовательно находятся по 9 секций, а между 5 и 35 также между 24 и 16 коллекторными пластинами последовательно находятся по 8 секций. Учетом реальной толщины щеток в процессе вращения якоря количество последовательных секций между положительными и отрицательными щетками будет постоянно меняться от 7 до 9 секций. С учетом того, что в реальной машине напряжение одной секции по расчетам составляет 14-16 Вольт, то разница ЭДС в параллельных секциях может достигать от 14 до 32 Вольт.

По этой причине в обмотке якоря между секциями создается разность потенциалов, под воздействием которой возникает уравнительный ток.

Отдельные уравнительные токи I₁иI₂ проходят не загружая щеточный аппарат машины, но токи I_3-4 и I_5-6 проходят через щеточный аппарат, усложняя работу щеток, повышая плотность тока в переходном контакте Щетка-Коллектор вызывают повышенное искрение под щетками и способствуют образования кругового огня.

Для разгрузки щеток от уравнительных токов при простой петлевой обмотке применяют уравнительные соединения 1-го рода. Которые соединят друг с другом коллекторные пластины одновременно находящиеся под плюсовыми или минусовыми щетками.

Уравнительные соединения чаще всего делают не на всех подряд коллекторных пластинах. А с учетом ширины щеток через одну и ли через две коллекторные пластины.

Для увеличения большего тока в машинах большой мощности применяется сложная (двузаходная) петлевая обмотка, имеющая увеличенный на одну шаг по коллектору. Секция начинается на 1-й коллекторной пластине, а заканчивается не на 2-й, а на 3-й коллекторной пластине. Такая обмотка имеет как бы два хода по коллектору один по четным коллекторным пластинам, а второй по нечетным пластинам. Так как щетка имеет ширину позволяющую перекрывать не одну а 3-4 коллекторные пластины количество параллельных ветвей удваивается. Такая обмотка обеспечивает прохождение тока в 2 раза большей величины, но при этом напряжение рабочее также в два раза должно быть снижено.

Такая обмотка имеет уравнительные соединения второго рода. Средняя точка каждой секции соединена со средней коллекторной пластиной секции. На примере секция начинается на 5-й, заканчивается на 7-й. средняя 6-я пластина. Такими уравнительными соединениями связывают четный и нечетный ход обмотки якоря.

Волновая обмотка

Применяется только на многополюсных машинах, это обмотка предназначается для работы с большим напряжением. Шаг по пазам якоря не отличается от петлевой обмотки, а шаг по коллектору у нее равен двум (электрическим) диаметрам.

Последователь уложенные секции простой волновой обмотки образуют две параллельные ветви прохождения тока, причем рабочие стороны последовательно включенных секций располагаются под всеми полюсами машины и оказываются в абсолютно равных условиях и равных магнитных потоках.

При этом часть секций накоротко замкнута одноименными щетками, и выполняет роль уравнительных соединений.

Если увеличить число коллекторных пластин на одну или уменьшить на три и сохраним шаг по коллектору получим сложную двухзаходную волновую обмотку.

Реакция якоря

Главные полюса электрической машины создают основной магнитный поток, который под подошвой полюса должен быть равномерным. Обеспечивая равное воздействие на активные проводники обмотки якоря. Но такой поток сохраняется только на холостом ходу.

Как только машина начинает работать под нагрузкой и в обмотке якоря появляется ток обмотка якоря создает свой магнитный поток, направленный перпендикулярно магнитному потоку главных полюсов. В результате взаимодействия этих двух магнитных потоков происходит искажение магнитного потока главных полюсов, это явление и получило название РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ.

В результате реакции якоря нарушается равномерность магнитного потока под подошвами главных полюсов он ослабляется с одной стороны полюса и усиливается с другой стороны. У генераторов усиление поля происходит под сбегающим краем полюсов, а у двигателя наоборот под набегающим краем полюса. А также происходит смещение оси симметрии магнитного потока с геометрической на физическую нейтраль.

Последствия реакции якоря.

1. Неравномерное распределение магнитного потока главных полюсов и как следствие уменьшение суммарного магнитного потока и уменьшение мощности машины.

2. Ухудшение условий коммутации. повышенное искрение под щетками.

3. В момент прохождения активными проводниками секций под краями полюсов с увеличенным магнитным потоком резко возрастает напряжение на коллекторных пластинах этой секции. Возможность возникновения кругового огня.

Устранение вредных последствий реакции якоря.

На машинах малой мощности до 1 кВт., работающих с постоянной нагрузкой и не меняющих направление вращения применяется сдвиг щеток с геометрической на физическую нейтраль. Щеткодержатели устанавливаются на поворотную траверсу. Во время работы машины, поворачивая траверсу, находят положение с минимальным искрением щеток и потреблением наименьшего тока и в этом положении траверсу закрепляют.

В машинах большей мощности обязательно применяются добавочные полюса, которые устанавливают на геометрической нейтрали, между главными полюсами. Добавочные полюса создают магнитный поток направленный встречно магнитному потоку обмотки якоря, а чтобы эти два потока всегда соответствовали друг другу катушки добавочных полюсов всегда включаются последовательно с обмоткой якоря.

Полярность дополнительных полюсов

Для машин мощностью более 250 кВт дополнительно используют компенсационную обмотку, укладываемую в пазы подошвы главных полюсов и включенных в схему машины также как и дополнительные полюса, последовательно с обмоткой якоря.

Коммутация

Понятие коммутация – это изменение состояния электрической цепи, то есть любое ее изменение. Но если в обычных электрических цепях переключения происходят относительно редко, то при работе любой электрической машины переключения в большом количестве происходят постоянно. Рассмотрим переход секции якоря из одной параллельной ветви в другую в момент когда ее коллекторные пластины проходят под щеткой.

Первая позиция-начало коммутации рабочий ток в секции протекает по часовой стрелке с 16 на 17 коллекторную пластину;

Вторая позиция- секция с 16 на 17 коллекторные пластины накоротко замкнута щеткой рабочего тока в ней нет;

Третья позиция-окончание коммутации. 16 коллекторная пластина вышла из под щетки и ток в секции протекает против часовой стрелки с 17 на 16 коллекторную пластину.

А процесс коммутации перешел на следующую секцию. И это одновременно происходит под всеми щетками машины.

Так, как этот процесс протекает за очень короткое время, в коммутируемой секции создается реактивная ЭДС состоящая из ЭДС самоиндукции и ЭДС взаимоиндукции. И эти обе ЭДС направлены на поддержание в коммутируемой секции тока предшествующего процессу коммутации.

е_р = е_с + е_в

На рисунке видно, что активные проводники двух, одновременно коммутирующих секций, находятся в одном пазу и наводят друг в друге ЭДС взаимоиндукции.

В результате действия реакции якоря в этих же проводниках, пересекающих геометрическую нейтраль создается еще и 3-я ЭДС вращения, (е_вр) которая направлена также как и реактивная ЭДС. А так как секции накоротко замкнуты щетками в них возникает ток коммутации.

Коммутирующий ток проходя через коллекторные пластины и щетки приводит к перераспределению силы тока между коллекторными пластинами и щеткой. Так между щеткой и набегающей коллекторной пластиной ток нагрузки и коммутирующий ток направлены встречно друг другу, следовательно результирующий ток перехода уменьшается, а на сбегающей коллекторной пластине ток нагрузки и коммутирующий ток направлены в одну сторону, следовательно результирующий ток перехода увеличивается. При этом, так как коллекторная пластина уходит из под щетки и площадь контакта стремительно уменьшается, плотность тока нарастает и в момент отрыва коллекторной пластины от щетки происходит разрыв тока большой плотности, что и приводит к образованию искрения.

Таким образом, коммутация электрических машин постоянного тока характеризуется степенью искрения под щетками. Различают 5 степеней коммутации.

	темная	Практически искрения нет	Допускается работа машины без ограничения
	слабая	Незначительное искрение
	средняя	Искрение наблюдается на половине щеточного пространства
	сильная	Искрение наблюдается на большей части щеточного пространства	Не допустимые режимы работы машины
	тяжелая	Сплошное искрение с вылетом крупных снопов огня

Способы улучшения коммутации машин постоянного тока.

1 направленные на уменьшение реактивной ЭДС (е_с и е_в):

Применение одновитковых секций;

Укороченный ход по пазам якоря (применение хордовой вместо диаметральной обмотки);

Ступенчатая укладка секций в пазы якоря;

Применение якорей с безпазовой укладкой обмотки;

Укорачивание активной длинны обмотки якоря.

2 направленные на уменьшение ЭДС вращения:

Мероприятия по устранению вредных последствий реакции якоря;

- поворот щеток с геометрической на физическую нейтраль;

- установка дополнительных полюсов;

- применение компенсационной обмотки главных полюсов.