Меню

Коммутация коллекторных машин постоянного тока



Коммутация коллекторных машин постоянного тока

4.3. Коммутация в коллекторных машинах постоянного тока

Необходимым условием долговечности коллекторной машины постоянного тока является отсутствие искрения под щетками, так как искры быстро разрушают пластины коллектора и щетки.

Причины искрения могут быть механическими и электрическими. Основная механическая причина искрения — это ухудшение контакта между коллектором и щетками.

Электрической причиной является неудовлетворительная коммутация. Коммутацией в электрических машинах называется совокупность явлений происходящих при изменении направления тока в секциях обмотки якоря во время замыкания щетками этой секции накоротко.

Время, в течение которого секция обмотки вращающегося якоря замкнута щеткой накоротко, называется периодом коммутации:

в щ — ширина щетки;

V k — окружная скорость коллектора.

Если бы в коммутируемой секции не индуктировалось ЭДС, то ход процесса коммутации тока в секции определялся бы только соотношением сопротивлений контактов щетки с двумя пластинами коллектора (рис.4.6).

Рис. 4.6. К расчету коммутационного процесса в коммутируемой секции якоря

Будем считать, что ширина щетки не больше ширины одной коллекторной пластины и пренебрегать относительно небольшими сопротивлениями проводников, соединяющих обмотку якоря с коллектором, и самой секции, по сравнению с переходным сопротивлением r щ контакта щетки и коллектора.

Переходное сопротивление r 1 контакта с пластиной, уходящей из-под щетки, должно возрастать во время коммутации, достигая бесконечности в конце периода коммутации:

T- период коммутации;

t — время, прошедшее с момента начала коммутации.

В то же время переходное сопротивление контакта со второй пластиной уменьшается:

Ток I, поступающий в щетку из обмотки якоря, должен распределиться между двумя пластинами коллектора обратно пропорционально их переходным сопротивлениям:

С другой стороны, согласно первому закону Кирхгофа:

Решив эту систему уравнений, найдем ток в коммутируемой секции:

В начальный момент времени при t=0 этот ток , а в конце коммутации при t=T он будет .

Ток I является током лишь одной параллельной ветви обмотки якоря; в общем случае при 2а параллельных ветвей, ток якоря .

Следовательно, в общем случае

Такая коммутация называется прямолинейной или равномерной (рис. 4.7а). В этом идеальном случае плотность тока под всей щеткой неизменна во все время коммутации, благодаря чему отсутствуют коммутационные причины искрения.

Рис. 4.7. Законы изменения тока коммутируемой секции якоря при линейной (а) и нелинейной (б) коммутации.

Мы рассмотрели идеальный случай. В реальных условиях неизбежно возникают ЭДС самоиндукции в коммутирующей секции l L и ЭДС взаимоиндукции , индуктируемая изменениями тока в соседних секциях, коммутируемых одновременно. Обе эти ЭДС согласно принципу Ленца противодействуют изменению тока в секции, задерживают это изменение. Результирующая ЭДС:

Её можно выразить следующим образом:

Реактивная ЭДС задерживает изменение тока (рис. 4.7б) и делает коммутацию замедленной в течение большей части периода, но к концу периода, когда уходящая пластина выйдет из-под щетки, ток в секции принудительно примет значение . Следовательно, в конце периода неизбежно ускоренное изменение величины тока в секции, что вызывает увеличение реактивной ЭДС. Одновременно плотность тока под щеткой становится неравномерной. Она сильно возрастает у края пластины, которая выходит из-под краев щетки, а это может вызвать сильное нагревание щетки и пластины коллектора. Обе эти причины могут обусловить искрение — возникновение электрических дуг под щеткой со стороны уходящей пластины коллектора.

Для того, чтобы скомпенсировать действие реактивной ЭДС, необходимо противопоставить ей вторую ЭДС, называемую коммутирующей ЭДС . Таким образом, условие идеальной коммутации:

Коммутирующая ЭДС создается посредством движения витков коммутируемой секции во внешнем магнитном поле. В большинстве случаев e k индуктируется магнитным полем дополнительных полюсов машины Ф д.п. . Следовательно,

При изменениях нагрузки изменяется реактивная ЭДС, пропорциональная току якоря, но одновременно в такой же мере меняется и коммутирующая ЭДС, т. к. обмотка дополнительных полюсов соединена последовательно с якорем.

Усилив поле дополнительных полюсов путем увеличения числа витков их обмотки, можно сделать , что обусловит ускоренную коммутацию. Она осуществляется в машинах, предназначенных для особо тяжелых условий работы, например, частого реверсирования.

В машинах малой мощности для создания коммутирующего магнитного поля вместо дополнительных полюсов применяется сдвиг щеток с геометрической нейтрали. При таком сдвиге в коммутируемой секции ЭДС индуктируется главным магнитным полем, причем в генераторе щетки должны быть сдвинуты по направлению вращения якоря, а в двигателе — против направления вращения.

Особо опасный случай неблагоприятной коммутации представляет собой круговой огонь по коллектору. Это — мощная электрическая дуга, замыкающаяся непосредственно по коллектору или даже перекидывающаяся на станину машины, при этом повреждение машины может быть весьма значительным. Круговой огонь возникает при резком броске тока якоря, что вызывает увеличение реактивной ЭДС, а она создает мощную дугу между щеткой и краем уходящей пластины. Эта дуга удерживается и растягивается вследствие вращения коллектора; в результате возникает короткое замыкание непосредственно на коллекторе машины, разрушающее коллектор и щетки.

Источник

Коммутация в машинах постоянного тока

Коммутация в машинах постоянного токаПод коммутацией в машинах постоянного тока понимают явления, вызванные изменением направления тока в проводниках обмотки якоря при переходе их из одной параллельной ветви в другую, т. е. при пересечении линии, по которой расположены щетки (от лат. commulatio — изменение). Рассмотрим явление коммутации на примере кольцевого якоря.

На рис. 1 показана развертка части обмотки якоря, состоящей из четырех проводников, части коллектора (две коллекторные пластины) и щетки. Проводники 2 и 3 образуют коммутируемый виток, который на рис. 1, а показан в положении, которое он занимает до коммутации, на рис. 1, в — после коммутации, а на рис. 1, б — в период коммутации. Коллектор и обмотка якоря вращаются в указанном стрелкой направлении с частотой вращения п, щетка неподвижна.

В момент времени до коммутации ток якоря Iя проходит через щетку, правую коллекторную пластину и разделяется между параллельными ветвями обмотки якоря пополам. Проводники 1, 2 и 3 и проводник 4 образуют разные параллельные ветви.

После коммутации проводники 2 и 3 перешли в другую параллельную ветвь и направление тока в них изменилось на противоположное. Это изменение произошло за время, равное периоду коммутации Тk, т. е. за время, которое требуется, чтобы щетка перешла с правой пластины на соседнюю левую (в действительности щетка перекрывает сразу несколько пластин коллектора, но в принципе это не влияет на процесс коммутации).

Схема процесса коммутации тока

Рис. 1. Схема процесса коммутации тока

Читайте также:  Бью сама себя током

Один из моментов периода коммутации показан на рис. 1, б. Коммутируемый виток оказывается замкнутым накоротко коллекторными пластинами и щеткой. Так как за период коммутации происходит изменение направления тока в витке 2—3, то это означает, что по витку протекает переменный ток, создающий переменный магнитный поток.

Последний индуцирует в коммутируемом витке э. д. с. самоиндукции еL, или реактивную э. д. с. Согласно принципу Ленца, э. д. с. самоиндукции стремится поддержать в проводнике ток прежнего направления. Следовательно, направление еL совпадает с направлением тока в витке до коммутации.

Под действием э. д. с. самоиндукции в короткозамкнутом витке 2—3 протекает большой дополнительный ток iд, так как сопротивление контура мало. В месте контакта щетки с левой пластиной ток iд направлен противоположно току якоря, а в месте контакта щетки с правой пластиной направление этих токов совпадает.

Чем ближе к окончанию периода коммутации, тем меньше площадь контакта щетки с правой пластиной и тем больше плотность тока. По окончании периода коммутации контакт щетки с правой пластиной разрывается и образуется электрическая дуга. Чем больше ток iд, тем мощнее электрическая дуга.

Если щетки располагаются на геометрической нейтрали, то в коммутируемом витке магнитным потоком якоря индуцируется э. д. с. вращения евр. На рис. 2 в увеличенном масштабе показаны проводники коммутируемого витка, расположенные на геометрической нейтрали, и направление э. д. с. самоиндукции еL для генератора, совпадающее с направлением тока якоря в этом проводнике до коммутации.

Направление евр определяется по правилу правой руки и всегда совпадает с направлением еL. В результате iд еще больше увеличивается. Возникающая электрическая дуга между щеткой и коллекторной пластиной может разрушить поверхность коллектора, в результате чего ухудшается контакт между щеткой и коллектором.

Направление э.д.с. в коммутирующем витке

Рис. 2. Направление э.д.с. в коммутирующем витке

Для улучшения условий коммутации сдвигают щетки в сторону физической нейтрали. При расположении щеток на физической нейтрали коммутируемый виток не пересекает никакого внешнего магнитного потока и э. д. с. вращения не индуцируется. Если сдвинуть щетки дальше физической нейтрали, как показано на рис. 3, то в коммутируемом витке результирующий магнитный поток будет индуцировать э. д. с. ек, направление которой противоположно направлению э. д. с. самоиндукции еL.

Таким образом, будет скомпенсирована не только э. д. с. вращения, но и э. д. с. самоиндукции (частично или полностью). Как указывалось ранее, угол сдвига физической нейтрали все время меняется и поэтому щетки обычно устанавливают со сдвигом на некоторый средний угол по отношению к ней.

Уменьшение э. д. с. в коммутируемом витке приводит к уменьшению тока iд и ослаблению электрического разряда между щеткой и коллекторной пластиной.

Улучшить условия коммутации можно установкой добавочных полюсов (Nдп и Sдn на рис. 4). Добавочный полюс располагают по геометрической нейтрали. У генераторов одноименный добавочный полюс располагается за основным полюсом по ходу вращения якоря, а у двигателя — наоборот. Обмотки добавочных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря таким образом, чтобы создаваемый ими поток Фдп был направлен навстречу потоку якоря Фя.

Направление э.д.с. в коммутируемом витке при сдвиге щеток за физическую нейтраль

Рис. 3. Направление э.д.с. в коммутируемом витке при сдвиге щеток за физическую нейтраль

Схема включения обмоток добавочных полюсов

Рис. 4. Схема включения обмоток добавочных полюсов

Так как оба эти потока создаются одним током (током якоря), то можно подобрать число витков обмотки добавочных полюсов и воздушный зазор между ними и якорем такими, чтобы потоки были равны по значению при любом токе якоря. Поток добавочных полюсов будет всегда компенсировать поток якоря и, таким образом, э. д. с. вращения в коммутируемом витке будет отсутствовать.

Добавочные полюсы обычно делают такими, чтобы их поток индуцировал в коммутируемом витке э. д. с, равную сумме еL + евр. Тогда в момент отрыва щетки от правой коллекторной пластины (см. рис. 1, в) электрическая дуга не возникает.

Выпускаемые промышленностью машины постоянного тока мощностью 1 кВт и выше снабжены добавочными полюсами.

Источник

Л 12. Тема: «Коммутация в машинах постоянного тока»

§1. Причины, вызывающие искрение на коллекторе.

При работе машины постоянного тока щетки и коллектор образуют скользящий контакт. Площадь контакта щеток выбирается по величине рабочего тока машины, приходящегося на одну щетку, и по допустимому значению плотности тока для выбранной марки щеток.

Если по какой-либо причине щетка прилегает к коллектору не всей поверхностью, а лишь частью ее, то возникают чрезмерные местные плотности тока, которые приводят к появлению искрения на коллекторе. Причиной возникновения чрезмерной плотности тока может быть также увеличение тока в щетке.

Причины, вызывающие искрение на коллекторе, разделяются на механические, потенциальные и коммутационные. К механическим причинам относятся: слабое давление щеток на коллектор, неправильная конфигурация или негладкая поверхность коллектора, загрязнение поверхности коллектора, выступание изоляции над коллекторными пластинами, неплотное закрепление траверсы, пальцев или щеткодержателей. В этом случае нарушается контакт щетки с коллектором, что приводит к искрению.

Потенциальные причины искрения появляются при возникновении напряжения между соседними коллекторными пластинами, превышающего допустимые пределы. В этом случае искрение наиболее опасно (может быть электрическая дуга).

Коммутационные причины искрения вызываются физическими процессами, происходящими в машине при переходе секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую.

§2. Физическая сущность коммутации и ее влияние на работу машины.

При вращении якоря машины постоянного тока коллекторные пластины поочередно вступают в соприкосновение со щетками. При этом переход щетки с одной пластины на другую сопровождается переключением секции обмотки из одной параллельной ветви в другую и изменением тока в этой секции.

Процесс изменения тока в секциях при переключении их из одной параллельной ветви в другую называется коммутацией. Секция, в которой происходит коммутация, называется коммутирующей секцией, а время, в течение которого происходит процесс коммутации, называется периодом коммутации Тк. Величина периода коммутации определяется отрезком времени, начиная с момента, когда коллекторная пластина вступает в соприкосновение со щеткой, и кончая моментом, когда пластина полностью выходит из соприкосновения с этой щеткой.

где k – число коллекторных пластин;

n – скорость вращения якоря;

вк – расстояние между серединами соседних коллекторных пластин (коллекторное деление).

Рассмотрим процесс коммутации при условии:

  1. щетки расположены на геометрической нейтрали;
  2. в коммутирующей секции в течение всего периода коммутации не индуктируются электродвижущие силы;
  3. ширину щетки примем равной коллекторному делению (вщ= вк).
Читайте также:  Взаимодействие параллельных токов когда направление токов противоположно 1

В начальный момент коммутации (рис.1а) контактная поверхность щетки касается только пластины 1, а секция 1 (коммутирующая секция) относится к левой параллельной ветви обмотки и ток в ней i= .

Затем пластина 1 постепенно сбегает со щетки и на смену ей набегает пластина 2. В результате коммутирующая секция оказывается замкнутой щеткой, и ток в ней постепенно уменьшается. Объясняется это тем, что токи i1 и i2 в пластинах 1 и 2 обратно пропорциональны переходным сопротивлениям rщ1 (между щеткой и сбегающей пластиной 1) и rщ2 (между щеткой и набегающей пластиной 2).

Что же касается тока в коммутирующей секции I, то он равен разности токов i1 и i2.

По мере того, как пластина 1 теряет контакт со щеткой, возрастает величина rщ1 и поэтому уменьшается ток i1. Одновременно щетка переходит на пластину 2, при этом сопротивление rщ2 уменьшается и ток i2 увеличивается. Когда же контактная поверхность щетки равномерно перекрывает обе коллекторные пластины rщ1= rщ1 (рис.1б), ток в коммутирующей секции становится равным нулю, т.к. i1=i2 или i1-i2=0. В конце процесса коммутации щетка полностью переходит на пластину 2 (рис.1в), а ток в коммутирующей секции i вновь достигает величины . Однако, по направлению этот ток противоположен току в начале коммутации, а сама коммутирующая секция теперь оказалась в правой параллельной ветви обмотки якоря.

Таким образом, за период коммутации ток в коммутирующей секции изменяется от –i до –i, а график изменения тока представляет собой прямую линию. Такую коммутацию называют прямолинейной, или идеальной.

Прямолинейная коммутация является наиболее желательным видом коммутации, т.к. она не вызывает в машине никаких вредных последствий. Плотность тока под щеткой в течение всего периода коммутации остается неизменной. Объясняется это тем, что при прямолинейной коммутации величина тока в контакте щетка — коллекторная пластина изменяется пропорционально изменению площади этого контакта.

Однако в реальных условиях работы машин постоянного тока процесс коммутации протекает значительно сложнее. Дело в том, что период коммутации обычно весьма мал и приблизительно составляет 10 -4 . . . 10 -5 с. При таком быстром изменении тока в коммутирующей секции возникает значительная э.д.с. самоиндукции

где Ls – индуктивность секции;

i – ток в коммутирующей секции.

Обычно в пазу якоря (каждом пазу) находятся несколько активных сторон (не менее двух), принадлежащих разным секциям. При этом все эти секции одновременно находятся в состоянии коммутации будучи замкнутыми разными щетками (см.рисунок).

При этом следует учесть, что обычно ширина щетки больше коллекторного деления (вщ> вк) и каждая щетка замыкает одновременно несколько секций.

Так как активные стороны коммутирующих секций лежат в одних пазах, то изменяющийся магнитный поток каждой из этих сторон наводит в других э.д.с. взаимоиндукции.

где — взаимная индуктивность одновременно коммутирующих секций.

Отсюда обе э.д.с. создают в коммутирующей секции результирующую э.д.с.

которая препятствует изменению тока в коммутирующей секции и поэтому называется реактивной. Кроме того, под влиянием реакции якоря магнитная индукция в зоне коммутации (на геометрической нейтрали) приобретает некоторое значение Вк, под действием которой в коммутирующей секции наводится э.д.с. внешнего поля.

где l – длина активных сторон секции;

V – линейная скорость движения секции;

ωS – число витков в секции.

Таким образом, в коммутирующей секции наводятся э.д.с.

Если машина не имеет добавочных полюсов, то э.д.с. ер и ек направлены согласованно и создают в коммутирующей секции добавочный ток коммутации iк такого же направления, что и рабочий ток этой секции I в начальный период коммутации. Такое взаимодействие токов iк и i приводит к тому, что изменение тока в коммутирующей секции задерживается.

Замедляющее действие тока коммутации объясняется тем, что этот ток создается, главным образом, реактивной э.д.с., которая, как известно, своим действием препятствует изменению тока в электрической цепи. Поэтому в момент равномерного перекрытия щеткой пластин 1 и 2 ток в коммутирующей секции не достигает нулевого значения, как это происходит при идеальной коммутации. Ток в коммутирующей секции достигает нулевого значения во втором полупериоде коммутации, т.е. коммутация становится криволинейно замедленной.

Добавочный ток коммутации iк, замыкаясь в коммутирующей секции, проходит через щеточный контакт.

Рис. Распределение плотности тока в контакте щетки при замедленной коммутации.

Это приводит к тому, что плотность тока под набегающим краем щетки уменьшается, а под сбегающим – увеличивается, достигая к концу периода коммутации значительной величины. При значительных нагрузках машины плотность тока под сбегающим краем щетки может достигнуть недопустимо больших значений, вызвать перегрев щетки и явится причиной искрения.

§3. Способы улучшения коммутации.

Итак, основной причиной неудовлетворительной коммутации в машинах постоянного тока является добавочный ток коммутации. Улучшить коммутацию можно за счет:

  • увеличения щеточного контакта, зависящего от технических данных щеток (целесообразно использовать твердые щетки – угольно-графитные, графитные и электрографитированные), обеспечивает наибольшую величину переходного сопротивления. Однако у них мала допускаемая плотность тока, что ведет к повышению щеточного контакта (применяются в машинах с высоким напряжением).

Обычно используются графитные щетки, с тем условием коммутации –

  1. Угольно-графитные, а в машинах пониженного напряжения (до 30 В) – медно- или бронзо-графитные.
  2. Целесообразно применять щетки шириной в 2-3 коллекторных деления (это повышает э.д.с. взаимоиндукции, но упрочняет щетки).
  3. Заметное влияние на величину ер (реактивной э.д.с.) оказывает тип обмотки якоря.

Если обмотка с укороченным шагом, то еМ уменьшается (э.д.с. взаимоиндукции). Результирующая э.д.с. ер уменьшается уменьшением индуктивности секций LS, следовательно, уменьшением числа витков секции. LS= , а также выполнением пазов якоря открытыми и неглубокими.

Величина ер может быть значительно уменьшена или даже полностью устранена, если создать в зоне коммутации магнитную индукцию такой величины и знака, чтобы в коммутирующих секциях индуктировалась э.д.с. внешнего поля ек равная по величине и противоположно направленная ер. В этом случае суммарная э.д.с. в коммутирующей секции станет равной нулю, и коммутация будет прямолинейна.

Для создания требуемой магнитной индукции в зоне коммутации в машинах мощностью более 0,3 кВт применяют добавочные полюса, располагая их между главными.

Намагничивающая сила дополнительных полюсов должна быть направлена против намагничивающей силы реакции якоря Faq, чтобы скомпенсировать ее и создать сверх того коммутирующее поле для компенсации реактивной э.д.с. ер.

Читайте также:  Повышение силы тока в цепи постоянного тока

За главным полюсом данной полярности по направлению вращения якоря в режиме генератора должен следовать добавочный полюс противоположной полярности, а в режиме двигателя – дополнительный полюс той же полярности.

Обычно намагничивающая сила добавочных полюсов на 15. . . 30% больше намагничивающей силы якоря.

Если величину намагничивающей силы добавочных полюсов сделать больше указанной, то ек становится больше ер и в коммутирующей секции появляется ток коммутации iк, направленный противоположно рабочему току секции i= в начальный период коммутации.

В этом случае коммутация становится криволинейно ускоренной. При этом плотность тока увеличивается под набегающим краем щетки.

Добавочные полюса обеспечивают удовлетворительную коммутацию в машине только в пределах номинальной нагрузки (Iн). При перегрузках машины происходит насыщение магнитной цепи добавочных полюсов, из-за чего коммутация становится опять замедленной, т.к. ер изменяется пропорционально току нагрузки Iа, а повышение ек задерживается из-за насыщения магнитной цепи.

Насыщению магнитной цепи способствует магнитный поток рассеяния. Чтобы этого не было делают прокладки в добавочном полюсе (между ним и станиной), разбивая ФS на две части.

Сдвиг щеток применяется в машинах мощностью менее 0,3 кВт, т.к. они выполняются без добавочных полюсов.

  • в генераторе щетки поворачивают в сторону вращения генератора;
  • в двигателе щетки поворачивают против вращения якоря.

Источник

4.3. Коммутация в коллекторных машинах постоянного тока

Необходимым условием долговечности коллекторной машины постоянного тока является отсутствие искрения под щетками, так как искры быстро разрушают пластины коллектора и щетки.

Причины искрения могут быть механическими и электрическими. Основная механическая причина искрения – это ухудшение контакта между коллектором и щетками.

Электрической причиной является неудовлетворительная коммутация. Коммутацией в электрических машинах называется совокупность явлений происходящих при изменении направления тока в секциях обмотки якоря во время замыкания щетками этой секции накоротко.

Время, в течение которого секция обмотки вращающегося якоря замкнута щеткой накоротко, называется периодом коммутации:

, (4.8)

вщ – ширина щетки;

Vk – окружная скорость коллектора.

Если бы в коммутируемой секции не индуктировалось ЭДС, то ход процесса коммутации тока в секции определялся бы только соотношением сопротивлений контактов щетки с двумя пластинами коллектора (рис.4.6).

Рис. 4.6. К расчету коммутационного процесса в коммутируемой секции якоря.

Будем считать, что ширина щетки не больше ширины одной коллекторной пластины и пренебрегать относительно небольшими сопротивлениями проводников, соединяющих обмотку якоря с коллектором, и самой секции, по сравнению с переходным сопротивлением rщ контакта щетки и коллектора.

Переходное сопротивление r1 контакта с пластиной, уходящей из-под щетки, должно возрастать во время коммутации, достигая бесконечности в конце периода коммутации:

r1=rщ,

T- период коммутации;

t – время, прошедшее с момента начала коммутации.

В то же время переходное сопротивление контакта со второй пластиной уменьшается:

. (4.10)

Ток I, поступающий в щетку из обмотки якоря, должен распределиться между двумя пластинами коллектора обратно пропорционально их переходным сопротивлениям:

, (4.11)

С другой стороны, согласно первому закону Кирхгофа:

(4.12)

Решив эту систему уравнений, найдем ток в коммутируемой секции:

. (4.13)

В начальный момент времени при t=0 этот ток, а в конце коммутации при t=T он будет.

Ток I является током лишь одной параллельной ветви обмотки якоря; в общем случае при 2а параллельных ветвей, ток якоря .

Следовательно, в общем случае

. (4.14)

Такая коммутация называется прямолинейной или равномерной (рис. 4.7а). В этом идеальном случае плотность тока под всей щеткой неизменна во все время коммутации, благодаря чему отсутствуют коммутационные причины искрения.

Рис. 4.7. Законы изменения тока коммутируемой секции якоря при линейной (а) и нелинейной (б) коммутации.

Мы рассмотрели идеальный случай. В реальных условиях неизбежно возникают ЭДС самоиндукции в коммутирующей секции lL и ЭДС взаимоиндукции , индуктируемая изменениями тока в соседних секциях, коммутируемых одновременно. Обе эти ЭДС согласно принципу Ленца противодействуют изменению тока в секции, задерживают это изменение. Результирующая ЭДС:

. (4.15)

Её можно выразить следующим образом:

. (4.16)

Реактивная ЭДС задерживает изменение тока (рис. 4.7б) и делает коммутацию замедленной в течение большей части периода, но к концу периода, когда уходящая пластина выйдет из-под щетки, ток в секции принудительно примет значение . Следовательно, в конце периода неизбежно ускоренное изменение величины тока в секции, что вызывает увеличение реактивной ЭДС. Одновременно плотность тока под щеткой становится неравномерной. Она сильно возрастает у края пластины, которая выходит из-под краев щетки, а это может вызвать сильное нагревание щетки и пластины коллектора. Обе эти причины могут обусловить искрение – возникновение электрических дуг под щеткой со стороны уходящей пластины коллектора.

Для того, чтобы скомпенсировать действие реактивной ЭДС, необходимо противопоставить ей вторую ЭДС, называемую коммутирующей ЭДС . Таким образом, условие идеальной коммутации:

(4.17)

Коммутирующая ЭДС создается посредством движения витков коммутируемой секции во внешнем магнитном поле. В большинстве случаев ek индуктируется магнитным полем дополнительных полюсов машины Фд.п. . Следовательно,

. (4.18)

При изменениях нагрузки изменяется реактивная ЭДС, пропорциональная току якоря, но одновременно в такой же мере меняется и коммутирующая ЭДС, т. к. обмотка дополнительных полюсов соединена последовательно с якорем.

Усилив поле дополнительных полюсов путем увеличения числа витков их обмотки, можно сделать , что обусловит ускоренную коммутацию. Она осуществляется в машинах, предназначенных для особо тяжелых условий работы, например, частого реверсирования.

В машинах малой мощности для создания коммутирующего магнитного поля вместо дополнительных полюсов применяется сдвиг щеток с геометрической нейтрали. При таком сдвиге в коммутируемой секции ЭДС индуктируется главным магнитным полем, причем в генераторе щетки должны быть сдвинуты по направлению вращения якоря, а в двигателе – против направления вращения.

Особо опасный случай неблагоприятной коммутации представляет собой круговой огонь по коллектору. Это – мощная электрическая дуга, замыкающаяся непосредственно по коллектору или даже перекидывающаяся на станину машины, при этом повреждение машины может быть весьма значительным. Круговой огонь возникает при резком броске тока якоря, что вызывает увеличение реактивной ЭДС, а она создает мощную дугу между щеткой и краем уходящей пластины. Эта дуга удерживается и растягивается вследствие вращения коллектора; в результате возникает короткое замыкание непосредственно на коллекторе машины, разрушающее коллектор и щетки.

Источник