Способы возбуждения машин постоянного тока
Свойства машин постоянного тока в значительной степени определяются способом включения обмотки возбуждения, т.е. способом возбуждения. По способам возбуждения машины постоянного тока можно классифицировать следующим образом, см. рисунок 4.12:
– машины с возбуждением от постоянных магнитов;
– машины независимого возбуждения, в которых обмотка возбуждения (ОВ) питается постоянным током от источника, электрически не связанного с обмоткой якоря;
– машины параллельного возбуждения, в которых обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены параллельно;
– машины последовательного возбуждения, в которых обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены последовательно;
– машины смешанного возбуждения, в которых имеются две обмотки возбуждения – параллельная ОВ1 и последовательная ОВ2;
– машины с возбуждением постоянными магнитами.
Рис 4.12. Способы возбуждения машин постоянного тока.
Начала и концы обмоток машин постоянного тока согласно стандарту обозначаются следующим образом
– обмотка якоря – Я1 и Я2,
– обмотка добавочных полюсов – Д1 и Д2,
– компенсационная обмотка – К1 и К2,
– обмотка возбуждения независимая – M1 и М2,
– обмотка возбуждения параллельная (шунтовая) – Ш1 и Ш2,
– обмотка возбуждения последовательная (сериесная) – С1 и С2.
Коммутация
Коммутацией называется процесс изменения тока в секции, замкнутой накоротко щеткой при переходе секции из одной ветви обмотки в другую. Визуально плохая коммутация выражается в том, что машина искрит. Безыскровая коммутация является необходимым условием длительной и надежной работы машины.
Рассмотрим якорь с простой волновой обмоткой, когда коммутирует только одна секция с током 
в каждой параллельной ветви.
Рис. 4.13. Коммутация тока при 
: щетка расположена на пластине 2; щетка расположена на пластине 1; промежуточное положение щетки.
Предположим, что ширина щетки 
равна коллекторному делению 
, а толщина изоляции между пластинами 
мала и ей можно пренебречь:
,
– ширина пластины.
В момент, когда щетка находится над пластиной 2 (рисунок 4.13) токи распределяются следующим образом: в проводнике 2 ток 
; в проводнике 1 ток 
; в секции между пластинами 1 и 2 течет ток i от b к d (положительное направление); т.е. 
.
Спустя некоторое время 
щетка перейдет с пластины 2 и расположится над пластиной 1 (рисунок 4.13). В этот момент
, 
, 
.
За время ток в рассматриваемой коммутируемой секции изменяется от 
до 
, т.е. на 
. Этот процесс называется коммутацией тока якоря и составляет сущность явлений, которые образуют коммутационный процесс. Время 
, за которое происходит коммутация тока, называется периодом коммутации.
Положение щетки над пластиной 2 соответствует начальному моменту коммутации тока 
, а положение щетки над пластиной 1 – конечному моменту коммутации . В промежуточные моменты щетка будет находиться частично над пластиной 1, а частично над пластиной 2 (рисунок 4.13). В этом случае имеем замкнутую цепь, образованную щеткой, пластинами 1 и 2 и присоединенной к ним секцией.
При бесконечно малой скорости на окружности коллектора 
в комутируемой секции не индукцируется ЭДС. Ток встречает на своем пути только сопротивление коммутирующей секции 
, соединительных проводников 
и сопротивление контакта между коллектором и щеткой. Сопротивлениями коллекторных пластин и щетки можно пренебречь. Коммутацию, определяемую только активными сопротивлениями, называют коммутацией сопротивлением. Как правило, преобладающее значение имеет сопротивление контакта щетки, а сопротивлением секции можно пренебречь.
Прямолинейная коммутация. При коммутации сопротивлением ( , 
, 
) не индукцируется ЭДС в коммутируемой секции. Для замкнутой цепи, образованной коммутирующей секцией и щеткой (см. рис. 4.14), имеем
,
где 
и 
– сопротивления контакта тех частей щетки, которые в данный момент перекрывают пластины 1 и 2. При прочих равных условиях сопротивления и обратно пропорциональны площадям 
и 
соответствующих частей щетки:
, 
,
где 
– ширина щетки по оси коллектора; 
– скорость на окружности коллектора; 
– время, истекшее с начала коммутационного процесса.
Тогда
.
Следовательно, с учетом соотношения
.
Поскольку от якоря к щетке подводится ток , то независимо от момента времени
.
Решая совместно последние уравнения, получаем:
и 
.
Тогда
.
Следовательно, коммутирующий ток изменяется от времени линейно, поэтому коммутация называется прямолинейной. Площадь набегающего края щетки 
, сбегающего 
. Следовательно, плотность тока
и 
,
где 
и 
– углы, образованные с осью времени касательными к кривой 
в начальной и конечной ее точках. При прямолинейной коммутации эти углы равны 
на всем протяжении кривой независимо от момента времени, поэтому плотности тока во всех точках контакта под набегающим и сбегающим краями щетки одинаковы 
.
Рис. 4.14. Коммутация сопротивлением: прямолинейная коммутация; общий случай коммутации сопротивлением.
Коммутация сопротивлением при , 
, 
. Для замкнутой цепи, образованной коммутирующей секцией и щеткой,
.
Сопротивление щеточного контакта обратно пропорционально плошали щетки 
, тогда
и 
,
отсюда
и 
.
В коллекторной пластине 1 и 2 (см. рисунок 4.14)
и 
.
Тогда уравнение коммутируемой секции
,
или 
.
Решая это уравнение относительно 
, получим
.
Кривая показана на рисунке 4.14, пунктиром изображен ток при прямолинейной коммутации.
Коммутация при скорости на окружности коллектора 
, . При вращении якоря с определенной частотой вращения в коммутирующей секции возникают две ЭДС:
– ЭДС самоиндукции 
вследствие изменения сцепленного с этой секцией магнитного потока от некоторого значения 
определяемого током в начальный момент коммутации, до значения 
, определяемого током в конечный момент коммутации)
– ЭДС внешнего поля 
, индуцируемая в коммутирующей секции внешним полем, находящимся в зоне коммутации.
ЭДС самоиндукции создает в коммутирующей цепи добавочный ток коммутации 
, который стремится скомпенсировать происходящие в этой цепи изменения тока. Поскольку по мере набегания щетки на пластину 1 (рисунок 4.15) ток 
растет, а ток 
уменьшается, то направление тока показано на рисунке 4.15.
Рис. 4.15. Ток , создаваемый ЭДС .
ЭДС внешнего поля меняет знак в зависимости от направления внешнего поля. Для коммутирующей цепи (см. рисунке 4.15) уравнение ЭДС коммутации имеет следующий вид:
.
Считая что 
и 
, имеем
.
Учитывая соотношения
, и , ,
получим
.
Выразим ток :
.
Таким образом, коммутирующий ток представляет собой сумму двух токов – тока прямолинейной коммутации 
и налагающегося на него добавочного тока коммутации 
, обусловленного суммой ЭДС 
.
Замедленная коммутация при . Предположим, что 
, тогда добавочный ток коммутации:
.
Считают, что 
, тогда при и 
сопротивление 
; при 
сопротивление 
.
Зависимость 
имеет вид U-образной кривой.
Рис. 4.16. Зависимости от времени в процессе коммутации: тока ; сопротивления 
; тока .
Если наложить ток на ток прямолинейной коммутации , то получим кривую коммутирующего тока , проходящую выше графика прямолинейной коммутации. При действии ЭДС , ток достигает определенного значения позже, чем при прямолинейной коммутации. Поэтому такая коммутация называется замедленной.
Ускоренная коммутация при возникает при 
, когда ЭДС внешнего поля действует навстречу ЭДС самоиндукции . Ток меняет знак на противололожный относительно замедленной коммутации. При этом
.
где индекс 1 – набегающий край; 2 – сбегающий край.
При резко ускоренной коммутации 
и 
.
Причины искрения щеток
Работа машины постоянного тока часто сопровождается искрением щеток (в основном на сбегающем крае). Искрение щеток – опасное явление и может нарушить работу машины. Однако требование абсолютно безыскровой («темной коммутации») является чрезмерным, т.к. слабое искрение под небольшой частью щеток неопасно для машины.
| Степень искрения | Характеристика степени искрения | Состояние коллектора и щеток |
| Отсутствие искрения («темная коммутация») | Нормальное | |
| 1,25 | Слабое точечное искрение под небольшой частью полюса | Отсутствие почернения на коллекторе и нагара на щетках |
| 1,5 | Слабое искрение под небольшой частью щетки | Появление следов почернения на коллекторе, устраняемых протиранием поверхности коллектора бензином, а также следов нагара на щетках |
| Искрение под всем краем щетки. Допускается при кратковременных толчках нагрузки и перегрузках | Появление следов почернения на коллекторных не устраняемых протиранием бензином, а также следов нагара на щетках | |
| Значительное искрение под всем краем щетки с наличием крупных вылетающих искр. Допускается только для моментов прямого безреостатного включения или реверсирования машин, если при этом коллектор и щетки остаются в состоянии, пригодном для работы. | Значительное почернение на коллекторе, не устраняемое протиранием поверхности коллектора бензином, а также подгар и разрушение щеток. |
Причины искрения:
Механическиепричины искрения – слабое давление щеток на коллектор, биение коллектора, его эллиптичность или негладкая поверхность, загрязнение поверхности коллектора, выступание миканитовой изоляции над медными пластинами, неплотное закрепление траверсы, пальцев или щеткодержателей, а также другие причины, вызывающие нарушение электрического контакта между щеткой и коллектором.
Потенциальные причины искрения появляются при возникновении напряжения между смежными коллекторными пластинами, превышающего допустимое значение. В этом случае искрение наиболее опасно, так как оно обычно сопровождается появлением на коллекторе электрических дуг.
Коммутационные причины искрения создаются физическими процессами, происходящими в машине при переходе секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую.
Иногда искрение вызывается целым комплексом причин. Выяснение причин искрения следует начинать с механических, так как их обнаруживают осмотром коллектора и щеточного устройства. Труднее обнаружить и устранить коммутационные причины искрения.