Лекции / Лекция 29 Процесс коммутации МПТ

Процесс коммутации МПТ

Машины постоянного тока в подавляющем большинстве случаев работают не в установившихся, а в переходных режимах работы: частых пусков, реверсов, торможения, широкого регулирования скорости вращения, сопровождающихся значительными всплесками тока. В этих условиях работоспособность машин почти полностью определяется состоянием их коллекторно-щеточного узла.

Нередки случаи, когда машины постоянного тока проектируются, исходя главным образом из условий минимума стоимости, допустимого нагрева активных частей, механической прочности и т.д., а расчет коммутации носит весьма приближенный характер. Такое положение приводит к большим затруднениям при наладке коммутации выполненных машин, особенно машин больших мощностей.

Сущность процесса коммутации. При вращении якоря коллек-

торные пластины поочередно входят в соприкосновение со щеткой. При этом секции, присоединенные к этим пластинам, замыкаются щеткой накоротко, а при дальнейшем перемещении якоря переходят в другую параллельную ветвь обмотки.

При переходе секции из одной параллельной ветви в другую ток в ней меняет направление на противоположное. Процесс переключения секции из одной параллельной ветви в другую носит название коммутации. Секция, накоротко замкнутая щеткой, называется коммутируемой секцией, а время, в течение которого происходит это замыкание, – периодом коммутации.

Период коммутации Tк зависит от ширины щетки bщ и окруж-

ной скорости коллектора

vк Dn Kbкn ,

60 60

Для простой петлевой обмотки справедливо

стин и их ширина; n – частота вращения якоря.

Процесс коммутации протекает весьма быстро, в течение долей секунды. Так, для машины с K 100, щ 2 и n 1500 об/мин пери-

од коммутации в соответствии с (3.1) равен

60 2

Tк 100 1500 0,0008 с.

При работе машины может наблюдаться искрение в щеточном контакте (между щеткой и коллектором). Сильное искрение вызывает повреждение поверхности коллектора и щеток и делает работу машины невозможной. Степень искрения под сбегающим краем щетки (под тем краем, из-под которого выходят пластины коллектора при его вращении) согласно ГОСТ 183-74** оценивается в соответствии с данными, приведенными в табл. 3.1. Степени искрения 1, 1¼ и 1½ допускаются для длительной работы машины, степени 2 и 3 – только кратковременно. Как видно из табл.3.1, оценка степени искрения производится визуально (субъективно), хотя в настоящее время разработаны и объективные способы оценки.

Анализ причин искрения. Искрение щеток на коллекторе может происходить по нескольким причинам, которые условно можно разделить на механические, потенциальные и электромагнитные.

Механические причины искрения связаны с некачественным изготовлением коллектора и щеточного аппарата. Неровная поверхность коллектора, отдельные выступающие коллекторные пластины, биение коллектора из-за его эксцентриситета или овальности, заедание и вибрация щеток в щеткодержателях и ряд других причин приводят к механическому нарушению контакта между щеткой и коллектором и появлению искрения.

Причиной потенциального искрения является повышение напряжения между соседними коллекторными пластинами Uк max . При

неблагоприятных условиях это может привести к аварийному явлению

– круговому огню на коллекторе. Электромагнитная причина искрения является основной и связана с протеканием электромагнитных процессов в коммутируемых секциях. При коммутации в секции, замкнутой щеткой, происходит изменение направления тока на противоположное. Так как секция обладает индуктивностью LS , то в ней будет наво-

диться ЭДС самоиндукции es . В общем случае, когда ширина щетки больше ширины одной коллекторной пластины щ 1 , одновремен-

но коммутируются рядом лежащие секции, которые могут иметь электромагнитную связь с рассматриваемой секцией. Поэтому помимо ЭДС самоиндукции в каждой коммутируемой секции наводятся ЭДС

взаимной индукции от соседних коммутируемых секций eм . ЭДС

коммутируемой секции, равная сумме ЭДС самоиндукции и ЭДС взаимной индукции, называется реактивной ЭДС eр :

eр es eм .

Реактивная ЭДС по правилу Ленца стремится задержать изменение тока в коммутируемой секции, и ее направление совпадает с направлением тока в секции до начала коммутации. Кроме реактивной ЭДС в коммутируемой секции наводится ЭДС вращения eвр от внешнего поля,

имеющегося в зоне коммутации. Обычно середина этой зоны совпадает с геометрической нейтралью машины (поперечной осью). Внешнее поле создается или поперечным полем якоря, или дополнительными полюсами. В зависимости от направле-

тока iä в коммутируемой секции ния внешнего поля ЭДС вращения может иметь согласное или

встречное направление с реактивной ЭДС.

Таким образом, при работе машины в коммутируемой секции действует результирующая ЭДС

e eр eвр ,

которая создает добавочный ток коммутации iд , протекающий в кон-

туре, образованном коммутируемой секцией и щеткой, как показано на

секции ab протекает ток, равный току параллельной ветви, в направлении от начала секции к ее концу. Как только щетка по мере вращения якоря набежит на первую коллекторную пластину (рис. 3.2, б), ток в щетку начинает поступать по двум параллельным путям – через обе коллекторные пластины, и в течение всего времени коммутации происходит перераспределение тока между коллекторными пластинами 2 и 1. По мере движения щетки по коллектору ток в коллекторной пластине 1 растет, а в пластине 2 уменьшается.

Во время коммутации секция, ab оказывается замкнутой накоротко щеткой. Ток i, протекающий по секции, называют током коммутируемой секции.

Ток коммутируемой секции уменьшается от ia до нуля, а затем изменяет знак на противоположный и вновь возрастает до величины тока параллельной ветви ia .

По окончании процесса коммутации весь ток проходит через коллекторную пластину 1 (рис. 3.2, в):

i1 2ia , i2 0 .

Ток в коммутируемой секции протекает от конца секции к ее началу, т.е. в противоположном направлении.

Процесс изменения тока в коммутируемой секции при ширине щетки, равной ширине коллекторной пластины, в общем виде опивается следующим дифференциальным уравнением:

где Lc – индуктивность коммутируемой секции; Rc – активное сопро-

тивление секции и петушков; r1 , r2 – сопротивление щеточного кон-

такта набегающего и сбегающего краев щетки; eк – ЭДС внешнего поля, или коммутирующая ЭДС; i1, i2 – токи через набегающий и

сбегающий края щетки.

Коммутация представляет собой весьма сложный процесс, зависящий от большого числа различных факторов. Труднее всего поддается математическому описанию процесс изменения сопротивления щеточного контакта набегающего и сбегающего краев щетки при движении щетки по коллектору. Сложность заключается в том, что удель-

ное сопротивление щеточного контакта является функцией многих переменных (плотности тока, атмосферных условий, продолжительности работы машины, температуры коллектора, площади контакта и т.д.).

Не случайно, поэтому большинство работ по коммутации посвящено теории щеточного контакта. Многочисленные исследования вольтамперных характеристик щеток показали, что сопротивление щеточного контакта является нелинейной функцией плотности тока. Следовательно, уравнение (3.2) является нелинейным дифференциальным уравнением, и решения в общем виде не имеет.

Точное решение уравнения (3.2) возможно только численными методами. Приближенное решение возможно путем аппроксимации действительной зависимости сопротивления щеточного контакта от плотности тока какой-либо простой зависимостью, причем точность приближения во многом зависит от принятых допущений.

В этом аспекте в настоящее время заслуживают внимание следующие теории коммутации:

1)классическая;

2)на основе допущения Uщ const ;

3)оптимальной коммутации.

Общими для этих теорий являются следующие допущения: 1) полное механическое совершенство щеток и коллектора при любых скоростях вращения; 2) толщина изоляционной прокладки между коллекторными пластинами принимается бесконечно малой.

Природа щеточного контакта. Одной из первых появилась ги-

потеза непрерывного контакта, т.е. такого контакта, при котором ток равномерно распределяется по всей поверхности щетки. Основным допущением, вытекающим из этой гипотезы, положенной в основу классической теории коммутации, явилось допущение постоянства удельного сопротивления щеточного контакта и независимости его от плотности тока, т.е. rщ const .

Однако эха гипотеза не могла объяснить характера зависимости падения напряжения в щеточном контакте от плотности тока, да и само удельное сопротивление щеточного контакта, как показали эксперименты, является явно выраженной функцией плотности тока под щеткой.

В 30-х годах И. Нейкирхен выдвинул гипотезу точечного контакта, согласно которой скользящий контакт рассматривается как совокупность точек перебегающего непосредственного контакта, действительная поверхность которых в десятки раз меньше всей поверхности щетки. Передача тока от щетки к коллектору и обратно осуществ-

ляется через: 1) непосредственный механический контакт между щеткой и коллектором; 2) мельчайшие частицы медной и графитной пыли; 3) ионизированные воздушные щели между щеткой и коллектором.

Площадь непосредственного механического контакта состоит из отдельных контактных точек. Так как при работе машины происходит механическое истирание щетки, то эти контактные точки непрерывно смещаются в различных направлениях. В связи с тем, что площадь контактных точек значительно меньше расчетной поверхности щетки, плотности тока в этих точках очень велики.

Сдействительной поверхностью контакта граничит клиновидное пространство между поверхностями щетки и коллектора; причем на некотором участке этого пространства частицы угольной или металлической пыли образуют так называемую пылевую зону.

Пылевая зона проводит ток только при наличии некоторого напряжения между поверхностями щетки и коллектора. При протекании тока через скользящий контакт в результате электрического износа происходит выделение мелких зерен, диаметром порядка 0,5..1,5 мкм, причем количество зерен пропорционально плотности тока. Следовательно, с увеличением плотности тока проводимость переходного слоя между щеткой и коллекторной пластиной должна возрастать.

Спылевой зоной граничит зона пробоя, в которой расстояния между поверхностями щетки и коллектора еще настолько малы, что ток проводится путем ионной и электронной эмиссии, но лишь при условии предварительного соприкосновения поверхностей. Эта проводимость преобладает при больших плотностях тока под щеткой.

В последние годы большое внимание уделяется изучению контактной поверхности коллекторных пластин.

В воздухе всегда есть влага и всегда содержатся различные окислы. Поэтому при прохождении тока через слой щеточного контакта возникает явление электролиза. В результате электролиза на коллекторе образуется блестящая пленка окислов меди, называемая политурой коллектора. Пленка окиси меди имеет повышенную твердость и тепловую устойчивость.

Исследования показали, что собственное электрическое сопротивление поверхностной пленки окиси меди велико и, когда пленка не нарушена механически, протекание тока через нее осуществляется путем пробоя. Электрический пробой пленки окиси меди получил название фриттинга. Напряжение пробоя определяется толщиной плен-

ки. При толщине пленки окиси меди в 50..400 Ǻ напряжение пробоя составляет 0,5..1,5 В (1 Ǻ = 10-10 м).

Разрушение пленки окиси меди вследствие фриттинга приводит к образованию металлических мостиков (токопроводящих пятен). Исследования поверхности коллектора показали, что поверхностная пленка окиси меди испещрена малыми пятнами эллиптической формы, вытянутыми в направлении вращения коллектора. Электрическое сопротивление таких пятен по сравнению с сопротивлением самой пленки практически равно нулю.

Особенность скользящего контакта состоит в том, что токопроводящие пятна при перемещении коллекторной пластины от одной щетки до другой успевают в значительной степени окислиться кислородом воздуха. Окисление ускоряется под действием высоких температур, имеющих место в точках электрического контакта. Исследования, проведенные Е. Хольмом, показали, что окисление почти полностью уничтожает токопроводящие пятна в течение одного или нескольких оборотов коллектора.

Таким образом, электрическая проводимость через пленку окиси меди осуществляется в условиях протекания двух взаимно противоположных процессов: с одной стороны, процесс разрушения пленки путем механического истирания и фриттинга, сопровождающийся образованием токопроводящих пятен; с другой стороны, окисление токопроводящих пятен кислородом воздуха. Эти процессы находятся в динамическом равновесии. Количество и размеры токопроводящих пятен определяются величиной тока и временем формирования политуры коллектора. С увеличением плотности тока количество токопроводящих пятен растет, следовательно, сопротивление скользящего контакта уменьшается.

Ф. Шретером были обнаружены полупроводящие свойства коллекторной пленки. Исследования показали, что полупроводящие свойства окисной пленки меди во многом определяются температурой коллекторных пластин. При нагревании коллектора до 70°, токопроводящие свойства пленки резко увеличиваются, сопротивление поверхностной пленки стремится к нулю.

Изложенная теория щеточного контакта подтверждается экспериментами. Она позволяет объяснить характер вольтамперных характеристик скользящего контакта и характер зависимости rщ f i .

Вольтамперные характеристики скользящего контакта. Для теоретического анализа коммутации важным моментом является выбор правильной аппроксимации свойств щеточного контакта. Наиболее наглядно свойства щеточного контакта отражены в его вольтамперных характеристиках, представляющих собой зависимости падения

напряжения между щеткой и коллекторной пластиной от величины протекающего тока (или плотности тока).

Экспериментальные исследования показали, что на очертание вольтамперных характеристик щеток оказывают влияние очень многие факторы: материал щеток, состояние коллекторной оксидной пленки, степень и характер вибраций щеточно-коллекторного узла, температура щеток и коллектора, удельное давление в щеточном контакте, полярность щеток и т.д.

На рис. 3.3 приведены вольт-амперные характеристики щеток

тановившихся значений падения напряжения на сопротивлении щеточного контакта.

Четырехсекундные вольт-амперные характеристики щеток (кривая б на рис. 3.3) снимаются при прохождении через скользящий контакт импульсов тока указанной длительности. Очевидно, что в течение столь короткого времени политура коллектора не претерпевает существенных изменений. Температура коллекторных пластин остаётся постоянной, в то время как при снятии статических вольт-амперных характеристик каждая точка характеристики снимается при качественно различной политуре коллектора и разной температуре коллекторных пластин.

Падение напряжения под катодными щетками, если материал не содержит примесей металла, выше, чем под анодными. Это ведет к некоторому различию хода коммутации в секциях, замыкаемых разнополярными щетками.