Основное условие безыскровой работы заключается в том, чтобы к моменту, когда сбегающая кромка коллекторной пластины, выходящей из-под щетки, покидает зону устойчивого контакта, ток между этой пластиной и щеткой обращался бы в нуль. В этом случае в зоне газового разряда нет разрыва тока и невозможны перенапряжения, вызывающие ГРП.
Сформулированное выше является также условием того, чтобы к моменту, когда прекращается соприкосновение сбегающей пластины с зоной устойчивого контакта, был бы полностью закончен процесс реверсирования тока в секции. Если это условие не будет соблюдено, то будет иметь место разрыв тока между пластиной и щеткой и принудительное, почти мгновенное, окончание процесса реверсирования тока в секциях (см. 6.2, б)· Самоиндукция секций обусловливает в этом случае появление импульсных перенапряжений [6.2, 3].
6.2.1. Изменение тока в секции и в пластинах.
На рис. 6.2, а приведен график изменения токов, текущих через коллекторные пластины Пн и Пс, iпн, iп,с ("набегающий" и "сбегающий" соответственно), и тока включенной между ними секции обмотки ic за период коммутации ТК9 в течение которого пластины замкнуты щеткой, имеющей ширину bщ (при постоянной частоте вращения на графике можно откладывать bщ вместо Тк).
График на рис. 6.2, а соответствует случаю, когда в секции, замкнутой щеткой, не возникает ЭДС самоиндукции е Такой случай может иметь место при очень медленном вращении якоря, либо если приняты меры для введения в секцию коммутирующей ЭДС вращения ек, равной и противоположной ЭДС самоиндукции. Кроме того, рис. 6.2, а соответствует случаю, когда сопротивление секции Rc (точнее, отношение Rc/Lc, где Lc — коэффициент самоиндукции) настолько мало, что им можно пренебречь. В этом случае имеет место "прямолинейная" коммутация, когда токи iп н, in c пропорциональны площади соприкосновения пластин со щеткой и плотность тока под щеткой постоянна. Как видно из рис. 6.2, а, плотность тока на набегающем и сбегающем краях щетки, когда она перекрывает пластину на ширине Аb, т. е. отношения in H/Ab и inc/Ab соответственно равны tg ан и tgac.
Наличие самоиндукции секций и ЭДС ец замедляет процесс реверсирования тока, что приводит к замедленной коммутации (рис. 6.2, б, кривая 7), характеризующейся повышенной токовой нагрузкой сбегающего края щетки.
Рис. 6.2. Изменение тока в секции, замкнутой щеткой:
а — "прямолинейная коммутация"; б - различные формы кривой тока в КЗ секции; 1 - замедленная коммутация (недокоммутация); 2 — ускоренная коммутация со "ступенью малого тока" (без разрыва тока на сбегающем краю щетки) ; 3 — сильно ускоренная коммутация (перекоммутация); в — влияние сопротивления секции на форму тока; г - влияние неодинаковых сопротивлений секций в случае искрения пластины, связанной с секцией С2; д - влияние неодинаковых сопротивлений секций в случае искрения пластины, связанной с секцией С1
Разница между действительным током в секции и током в ней при прямолинейной коммутации называется добавочным током коммутации 1К>Д. Этот ток в отличие от рабочего тока 1Я, текущего вдоль щетки, замыкается поперек щетки, вызывая перегрузку одного ее края и разгрузку другого. Как видно из рис. 6.2, б, на сбегающем краю щетки может в этом случае иметь место разрыв тока и весьма высокая плотность тока («с » 90°).
При разрыве тока освобождается запасенная в магнитном поле секции энергия
вызывающая импульс напряжения и ГРП.
Очевидно, что для обеспечения безыскровой работы, в соответствии с сформулированным выше условием, процесс коммутации должен быть ускорен. Ускорение достигается с помощью внешнего магнитного поля, например поля добавочных полюсов, индуктирующего в секциях, замкнутых щеткой, так называемую коммутирующую ЭДС ек, направленную против реактивной ЭДС.
Если ек будет точно компенсировать реактивную ЭДС eR и сопротивление секций будет очень мало, то получается прямолинейная коммутация. Прямолинейная коммутация не означает, однако, безыскровую коммутацию, так как равенство плотностей тока на набегающем и сбегающем краях при существенно различных контактных условиях не гарантирует отсутствие искрения. Ток между сбегающей пластиной и щеткой при прямолинейной коммутации существует до последнего момента коммутации и его разрыв при неполностью идентичных условиях коммутации отдельных секций всегда возможен.
Для получения безыскровой коммутации за счет усиления ек стремятся к еще большему ускорению процесса, при котором можно получить форму тока, соответствующую кривой 2 на рис. 6.2, б· При этом плотность тока на сбегающем краю щетки обращается в нуль. В кривой тока секции образуется при этом "ступень малого тока", т. е. пологий участок в конце периода коммутации. Предел ускорению процесса коммутации ставит повышенная плотность тока на набегающем краю щетки (перекоммутация), которая может привести к искрению набегающего края, особенно при повышенном уровне вибрации щетки. Кроме того, если слишком ускорить коммутацию, то ек вызывает в КЗ секции добавочный ток коммутации обратного знака. Разрыв этого тока на сбегающем краю щетки также вызывает искрение (рис. 6.2, б, кривая 5). Такой случай может иметь место при неодинаковых сопротивлениях секций стержневой обмотки вследствие некачественной пайки стержней и уравнительных соединений с коллектором и между собой. Сопротивление секции сказывается в увеличении плотности тока на сбегающем и набегающем краях щетки (рис. 6.2, в). Если для секции С1 с минимальным сопротивлением коммутация близка к безыскровой, то для секции С2 с максимальным сопротивлением (рис. 6.2, г) плотность тока на сбегающем краю будет увеличенной (угол ас2) и может иметь место искрение. Если ускорить коммутацию так, чтобы для секций С2 появилась ступень малого тока, то для секций С1 будет иметь место перекоммутация и искрение на пластинах, связанных с этой секцией (рис. 6.2, д).
6.2.2. Прямолинейная коммутация.
Понятие процесса прямолинейной коммутации (ПК), характеризующейся постоянной скоростью изменения тока в замкнутой щеткой секции, дает четкие исходные положения для расчета и настройки коммутации.
Среднее значение реактивной ЭДС секции при ПК, В,
(6Л)
где
λ — магнитная проводимость для потока рассеяния секции при длине пакета стали 1 см; гк — окружная скорость коллектора, см/с; wc — число витков в секции; А — линейная нагрузка якоря, А/см; v — окружная скорость якоря, см/с; / — длина пакета стали, см; λ = 5 -г 10, и она тем больше, чем больше отношение hjbn (hn и bn — высота и ширина паза).
Если бы удалось обеспечить условие ек = ~eR для каждого момента времени коммутации и для каждой секции, то не было бы ограничения мощности ЭМ постоянного тока по коммутации.
Однако в реальной электрической машины, вследствие ряда конструктивных (размещения обмотки в пазах) и технологических причин (механической несимметрии, разницы в сопротивлениях секций и т. п.) создаются неодинаковые условия коммутации отдельных секций и, следовательно, не может быть получена одинаково совершенная компенсация eR для каждой секции обмотки якоря. В результате имеет место остаточная ЭДС AeRi способная вызывать искрение и ограничивающая максимальный допустимый ток якоря — ток искрения /и. Чем меньше отношение AeR/ eR, тем выше степень компенсации (/— AeR/eR) и тем выше коммутационное совершенство ЭМ. Возможность достижения высоких степеней компенсации, близких к 1, зависит от коммутационных свойств обмоток и щеток, параметров коммутирующего поля, технологических причин.
Индукция под дополнительным полюсом, Тл,
(6.2)
6.2.3. Коммутационные свойства обмоток. Они оцениваются значением eR, относительным изменением этой величины в процессе коммутации, стабильностью коммутационных параметров (индуктивности секций). Значение eR в первую очередь зависит от числа витков в секции, связанного в свою очередь с напряжением между пластинами коллектора.
При размещении обмоток в пазах ЭДС eR секций зависит уже не только от само индукции, но и от взаимной индукции по отношению к другим коммутирующим секциям, стороны которых лежат в тех же пазах. Количество замкнутых щеткой секций, лежащих в одном пазу β, периодически увеличивается от нуля до Ьщ/tк и затем снова уменьшается до нуля. Соответственно по ступенчатой кривой изменяется общий объем тока КЗ секций, суммарный поток рассеяния паза и eR.
Очевидно, что придать такой же характер изменения величине ек невозможно. Она изменяется во времени по плавной кривой, соответствующей средним значениям eR. В результате появляется составляющая некомпенсированной ЭДС AeR, изменяющаяся во времени с коллекторной частотой.
расположение секций в пазах приводит также к различию их конечных имеющих место в конце процесса коммутации индуктивностей.
Для секций, выходящих из коммутации, при наличии в пазах других замкнутых щеткой секций, вследствие магнитной связи между ними имеет место демпфирование быстрых изменений потока рассеяния в момент разрыва щеткой добавочного тока коммутации (за счет индуцирования токов в секция, замкнутых щеткой), уменьшение индуктивности и импульса напряжения между щеткой и пластиной. Для секции, выходящей из зоны коммутации последней (в пазу), это не имеет места, что создает ухудшенные условия коммутации этой секции. Такая неидентичность проявляется часто в виде почернения пластин, расположенных на расстоянии K/Z друг от друга. Если с целью устранения этого явления усилить ек, то может ухудшиться коммутация других секций (перекоммутация). Для устранения этого явления могут применяться обмотки, у которых последняя секция (для нереверсивных электрических машин) или первая и последняя секции в пазу (для реверсивных) имеют меньшее число витков.
Конечная индуктивность секций зависит от степени магнитной связи их с замкнутыми щеткой секциями того же паза и от степени магнитной связи с секциями, замкнутыми щетками другой полярности. В то время как первые связи должны быть по возможности сильными и одинаковыми для всех секций, вторые должны быть по возможности слабыми.
Первое условие зависит от типа и схемы обмотки, второе, главным образом, от укорочения шага. Особенно высокими коммутационными свойствами обладают ступенчатые обмотки, у которых выравниваются коммутационные условия для всех секций, а также петлевые обмотки с полным числом уравнительных соединений, лягушачьи обмотки и обмотки с параллельными секциями [0.9, 6.3].
Существенным фактором является также реакция обмотки на возможный местный дефект коллекторной поверхности, приводящий к периодическому изменению нагрузки отдельных бракетов щеткодержателей. При этом периодически изменяется ток в уравнительных соединениях. Для того чтобы этот процесс не сопровождался ухудшением коммутации, индуктивность уравнительных соединений должна быть минимальной. Для этой цели лягушачья обмотка (у которой секции волновой обмотки, обладающие заметной индуктивностью, играют роль уравнительных соединений) иногда снабжается уравнительными соединениями со стороны коллектора.
Следует иметь в виду, что в многоходовых обмотках, у которых с соседние пластины коллектора принадлежат к разным ветвям обмотки, между этими пластинами могут появляться значительные напряжения, индуцированные полем главных или добавочных полюсов, ухудшающие коммутацию. Эти обмотки, особенно при неполном числе уравнительных соединений, особо чувствительны к механическим дефектам (дефектам коллекторной поверхности, вибрации щеток и т. п.), так как они приводят к мгновенному перераспределению тока по параллельным ветвям обмотки, что сопровождается импульсами напряжения и искрением. Характерно, что при этом может наблюдаться искрение и появление следов эрозии под серединой щетки.
Значение индукции коммутирующего поля и формы ее кривой.
Поскольку eR = /я, необходимо, чтобы выполнялось условие ек = /я. В случае применения добавочных полюсов (ДП) это достигается за счет возбуждения этих полюсов током якоря и отсутствия насыщения в магнитной цепи.
Условие ек = /я, однако, может нарушаться при больших токах вследствие насыщения стальных участков магнитопровода, по которому замыкается поток ДП, и запаздывания этого потока при быстрых изменениях /я. Причиной такого запаздывания являются токи, индуцируемые в массивных частях магнитопровода и в сердечнике ДП при изменениях его потока. Появляющаяся в результате ЭДС heR ограничивает наибольший допустимый по искрению ток якоря, а при нестационарных режимах может приводить к повреждению УТ вплоть до появления кругового огня.
Для уменьшения влияния насыщения (спрямления характеристики намагничивания) и уменьшения запаздывания потока ДП увеличивается МДС обмотки и одновременно (для сохранения необходимого значения потока) увеличивается воздушный зазор. Поскольку увеличение воздушного зазора между якорем и наконечником ДП сверх определенного значения нежелательно, так как в коммутационную зону начинает проникать поле главных полюсов, с помощью немагнитной прокладки между магнитопроводом и ДП создается второй воздушный зазор.
Если эти меры недостаточны, например для электродвигателей, работающих при ударных нагрузках, электродвигателей постоянного тока, работающих от пульсирующего напряжения (с питанием от выпрямителей и т. п., см. § 1.3), то применяются шихтованный магнитопровод и сердечник ДП.
Для уменьшения запаздывания применяются также реакторы (индуктивные шунты), включаемые параллельно обмоткам ДП [6.17]. Для создания оптимального коммутационного поля в крупных приводах ЭМ возможно применение систем автоматического корректирования МДС обмотки ДП.
Ступенчатый характер изменения ек во времени накладывает определенные условия на форму коммутирующего поля (особенно вблизи сбегающего края) и тем самым на форму наконечников добавочных полюсов.
Форма наконечников ДП играет особо существенную роль при многоходовых обмотках с широкими щетками. Для простых обмоток и при относительно узкой щетке форма наконечника ДП, по-видимому, имеет меньшее значение, чем ширина наконечника и размер воздушного зазора между якорем и ДП. Обязательным является, однако, такой суммарный (интегральный) эффект действия ек, чтобы к моменту выхода секции (пластины) из зоны непосредственного контакта нескоммутированный ток был бы достаточно мал.
Следует также отметить возможность колебания поля ДП и значения ек (особенно при малом зазоре между наконечником и якорем и при узком наконечнике) вследствие изменения проводимости, обусловленной наличием зубцов якоря, что нежелательно.
Степень согласования формы кривых eR и ек в существенной мере зависит от ширины щетки.
С точки зрения уменьшения длины коллектора выгодно иметь по возможности широкую щетку, однако при этом расширяется коммутационная зона и ее края могут попадать под воздействие поля ГП, что недопустимо. Увеличение bщ удлиняет период коммутации, что уменьшает eRi однако рост числа перекрытых щеткой пластин β и числа одновременно коммутирующих секций в пазу примерно во столько же раз увеличивает ее.
Однако при увеличении β возрастает число ступеней в кривой eR при уменьшении высоты ступени AeR, что благоприятно для коммутации. Увеличение Ьщ обычно положительно сказывается на механической устойчивости контактирования. Дать оценку суммарного влияния всех указанных выше факторов можно только экспериментально.
В ЭМ без ДП можно улучшить коммутацию введением в коммутирующую секцию ЭДС вращения, индуцированной в этой секции магнитным потоком, проходящим между краем наконечника ГП и якорем. Для этой цели щетки сдвигаются с нейтрали по направлению вращения якоря у генераторов и против направления вращения у двигателей. Компенсация ЭДС eR в этом случае несовершенна и для получения удовлетворительной коммутации при различных токах якоря может потребоваться изменение сдвига щеток.
Коммутирующие свойства щеток.
По причинам, изложенным выше, в реальных электрических машинах всегда имеет место нескомпенсированная коммутирующим полем остаточная ЭДС Ае^, изменяющаяся с частотой Кп/60. Ограничение добавочных токов коммутации и искрения, вызванных этой ЭДС, зависит от коммутирующих свойств щеток.
При отклонении коммутации от прямолинейной, когда нарушается равенство плотностей тока под щеткой, падение напряжения между щеткой и сбегающей и набегающей пластинами становится различным. Разность этих двух напряжений всегда направлена так, чтобы выравнивать плотности тока. Она может рассматриваться как коммутирующая ЭДС, развиваемая щеткой. В случае замедленной коммутации эта ЭДС стремится ускорить процесс; в случае ускоренной — замедлить. Ее действие особо важно в стадии, непосредственно предшествующей разрыву цепи короткого замыкания секции. Коммутирующая ЭДС ек,щ может быть измерена (см. п. 6.8.6).
Хотя понятие коммутирующих свойств щетки шире понятия коммутирующей ЭДС, в первом приближении можно считать, что коммутирующие свойства тем выше, чем больше переходное падение напряжения в контакте щетка—коллектор. Этот параметр входит в число приводимых в стандартах и каталогах на щетки, что позволяет с учетом других стандартных параметров [6.9] провести первоначальный выбор марок щеток, которые желательно опробовать на ЭМ данного типа. В общем справедливо правило, согласно которому для электрических машин с высоким значением eR применяются щетки с большим переходным падением напряжения.
Прямым способом оценки коммутирующих свойств щеток является определение относительной ширины зоны безыскровой коммутации на типовой электрической машины [6.1].
Рекомендации по применению конкретных марок щеток приводятся в [6.9].
Круговой огонь.
При работе ЭМ постоянного тока с напряжением на коллекторе > 200 В возможно возникновение мощной дуги, перебрасывающейся по коллектору, замыкающей щеткодержатели разной полярности и питающую сеть накоротко. Термическое действие такой дуги выводит обычно УТ из строя. Причиной кругового огня может быть загрязнение "дорожек" маслом, содержащим угольную пыль, и наличие заусенцев на краях пластин.
Другой причиной может быть сильное искрение с выбросом дуги из-под сбегающего края щетки при условии, что напряжения между пластинами вблизи этого края достигают 30—50 В. Такой режим может возникать в ЭМ без компенсационной обмотки при ударных токах КЗ (например, на тяговых двигателях при отрыве и обратном касании токосъемника и контактного провода, особенно в режимах большой скорости при ослабленном потоке возбуждения).
Для проверки стойкости тяговых электродвигателей, питаемых от контактной сети, к круговому огню проводится опыт включения вращающегося двигателя после краткого перерыва питания под напряжение с постепенным увеличением напряжения до значения, когда после включения возникает круговой огонь или (что лучше) его начальная фаза. При таких испытаниях подбираются индуктивные шунты и проверяются другие способы форсировки поля ДП и защиты от кругового огня. Эти испытания с целью уменьшения степени повреждения УТ проводятся с включением в цепь быстродействующей защиты, способной разорвать цепь питания за время, меньшее, чем время прохода коллекторной пластиной расстояния между щеткодержателями разной полярности, и системы гашения поля.
Аналогичным испытаниям могут подвергаться генераторы с постепенным повышением ударного тока КЗ.
