При резких изменениях нагрузки или внезапном коротком замыкании может возникнуть так называемый круговой огонь по коллектору, представляющий собой мощную дугу, замыкающуюся непосредственно по коллектору между разноименными щетками или перекидывающуюся па корпус машины. Круговой огонь весьма опасен, так как может привести к тяжелой аварии машины. Изучение этого явления и разработка методов, препятствующих возникновению кругового огня или возможно быстро ликвидирующих
Чтобы показать, как именно нужно сдвигать щетки, предположим, что машина работает генератором Г и что щетки А и В поставлены по линии геометрической нейтрали (рис. 6-1, а). Изобразим э.д.с. еа, наводимую в секции а д о начала коммутации, отрезком, направленным вверх от оси абсцисс (рис. 6-1, б). При работе машины генератором ток ia совпадает по направлению с э.д.с. еа и создает в зоне коммутации поперечное поле якоря, показанное на рис. 6-1, а штриховыми линиями. Применяя правило правой ладони, находим, что когда секция а подходит под щетку А и начинает коммутироваться, то поле якоря наводит в этой секции э.д.с. eaq того же знака, что и э.д.с. еа; поэтому на рис. 6-1, б э.д.с. eaq изображается отрезком, направленным, так же как э.д.с. еа, вверх от оси абсцисс.
Рис. 6-1. Сдвиг щеток для улучшения коммутации в генераторе
За время коммутации Т ток iа изменяется от + ίа до — ίа, и в коммутируемой секции создается реактивная э.д.с. еr, всегда направленная встречно относительно происходящего в секции изменения тока ia; соответственно этому она должна быть изображена отрезком, направленным, так же как э.д.с. еа и eaq, вверх от оси абсцисс. Мы видим, что э. д. с. eaq действует в том же направлении, что и э.д.с. еr, т. е. замедляет коммутацию и, следовательно, оказывает на нее неблагоприятное влияние. Сдвинув щетки по направлению вращения якоря на угол а в положение физической нейтрали (рис. 6-1, о), получаем eaq=0. Но, кроме этого, нужно еще скомпенсировать реактивную э.д.с. еr, создав в коммутируемой секции э.д.с. еr, направленную относительно э.д.с. еr в противоположную сторону; следовательно, на рис. 6-1, б она должна быть изображена отрезком, направленным вниз от оси абсцисс. Сопоставляя э.д.с. еа и ек, видим, что они должны быть разных знаков; другими словами, если э.д.с. еа до коммутации создается в поле северной полярности, то э.д.с. ек во время коммутации должна быть создана в поле южной полярности. Чтобы удовлетворить этому условию, нужно дополнительно сдвинуть щетки с физической нейтрали на некоторый угол у по направлению вращения якоря.
Этот вывод носит общий характер, т. е. для улучшения коммутации машины без добавочных полюсов, работающей в режиме генератора, нужно сдвигать щетки с геометрической нейтрали по направлению вращения якоря на угол β=а+γ.
Если машина работает двигателем при той же полярности основных полюсов и при том же направлении тока в обмотке якоря, то по сравнению с генератором она вращается в противоположную сторону (на рис. 6-1, а — по направлению вращения часовой стрелки). Следовательно, для улучшения коммутации при работе машины двигателем нужно сдвигать щетки с геометрической нейтрали против направления вращения якоря.
Основной недостаток способа создания коммутирующего поля путем сдвига щеток состоит в том, что угол сдвига щеток β должен изменяться в зависимости от нагрузки. В ряде случаев это невозможно, например в машинах закрытого типа или в машинах, работающих при резко переменной нагрузке. Поэтому в таких машинах приходится ставить щетки в некоторое среднее положение, соответствующее некоторой средней нагрузке. Но в этом случае будет получаться излишнее коммутирующее поле при малых нагрузках и недостаточное при больших. При щетках, стоящих на геометрической нейтрали, допустимая величина нескомпенсированной э.д.с. в машинах без добавочных полюсов составляет
При сдвиге щеток в положение, соответствующее половине нагрузки, можно допустить
Добавочные средства борьбы с круговым огнем
Опыт показывает, что при резких изменениях тока круговой огонь может возникнуть даже в машинах с компенсационной обмоткой. Для повышения устойчивости машины в отношении кругового огня применяются следующие добавочные меры.
А. Специальный расчет и экспериментальная наладка коммутации. Машины, предназначенные для работы при перегрузках и резких изменениях тока, рассчитываются так, чтобы при номинальном режиме работы коммутация была несколько ускоренной. Тогда при перегрузках она приобретает замедленный характер, но расчет должен быть произведен так, чтобы в обоих случаях коммутация была достаточно благоприятной.
Об экспериментальной наладке коммутации машины — см. § 6-13.
Рис. 6-10. Схема включения индуктивного шунта и кривые изменения токов i и iд
Б. Индуктивный шунт. Мы знаем, что вихревые токи, возникающие в сплошных частях магнитной цепи машины при резких изменениях тока, препятствуют столь же резкому изменению магнитного потока добавочных полюсов. Чтобы устранить этот недостаток, иногда применяют индуктивный шунт («дивертор»), включаемый по схеме рис. 6-10, а параллельно обмотке добавочных полюсов ДП, а при компенсационной обмотке КО — последовательно с последней. При надлежащем выборе активного сопротивления шунта и его индуктивности можно добиться чтобы при резком изменении тока i ток добавочных полюсов iд изменялся еще резче, и этим ускорить процесс изменения потока добавочных полюсов как при увеличении тока ί, так и при его уменьшении (рис. 6-10, б).
При установившемся режиме работы ток шунта iш<0,1Iн. Основная область применения индуктивных шунтов — машины большой мощности, работающие при резко переменной нагрузке. С той же целью ослабления экранирующего действия вихревых токов сердечники добавочных полюсов выполняются, так же как и сердечники основных полюсов, из листовой стали.
В. Барьеры. Экраны. Быстродействующие автоматы выключения. Чтобы создать препятствие на пути распространения дуги, между щеточными болтами разной полярности устанавливают по длине коллектора барьеры из дугостойкого изолирующего материала. Для защиты обмотки якоря от повреждения дугой устанавливают между коллектором и петушками обмотки якоря, т. е. в поперечном направлении, изолирующий экран. С тою же целью применяют и воздушное дутье, сдувающее дугу в сторону подшипника, защищаемого особой цементноасбестовой перегородкой.
Особенно благоприятны условия образования кругового огня при коротком замыкании машины. Поэтому в цепи якоря устанавливают быстродействующий автомат, размыкающий эту цепь раньше, чем ток короткого замыкания достигнет опасного значения. Автомат системы А. И. Голубева может разомкнуть цепь короткого замыкания за 0,01 сек.
