Что такое коммутация тягового двигателя

Что такое коммутация тягового двигателя

Коммутация. При вращении якоря секции его обмотки попеременно проходят под полюсами разной полярности и тем самым переключаются из одной параллельной ветви в другую. Процесс переключения секций из одной параллельной ветви в другую, называемый коммутацией, сопровождается изменением тока в секции и замыканием этой секции щеткой накоротко. Секции, замкнутые накоротко в процессе коммутации, называются коммутируемыми секциями. Коммутация в секции начинается с момента, когда коллекторные пластины перекрываются набегающим краем щетки, а заканчивается в момент выхода указанных коллекторных пластин из-под сбегающего края щетки. Рассмотрим процесс коммутации в одной из секций обмотки якоря при различных положениях щетки. Для простоты будем считать, что ширина щетки равна ширине коллекторной пластины. В начале коммутации (рис. 60, а) щетка перекрывает коллекторную пластину 1 и ток якоря /я разветвляется на две части, при этом по каждой параллельной ветви (правой и левой) протекают токи /я/2. В процессе вращения якоря щетка начинает перекрывать две коллек • торные пластины 1 я 2, при этом замыкает накоротко коммутируемую секцию /, 4, обо-

значаемую жирной линией. В момент равномерного перекрытия пластин / и 2 (рис. 60, б) через коммутируемую секцию ток протекать не будет, а в параллельных ветвях будут протекать токи /я/2.

В конце коммутации (рис. 60, в) щетка вновь будет перекрывать пластину 2, Ток в ком-мутируемой секции будет направлен противоположно его направлению в начале коммутации (см. рис, 60, а),

Таким образом, за время коммутации, определяемое частотой вращения якоря, рассматриваемая секция переходит из левой параллельной ветви в правую, За этот период токи в проводниках 2 и 3 остаются неизменными, равными /н/2, так как проводник 2 остается все время в правой, а проводник 3 — в левой параллельной ветви. Ток же в секции 1, 4 изменяется. В начальный период он уменьшается до нуля, это происходит в момент, когда щетка перекроет одинаковую площадь коллекторных пластин / и 2, дальнейшее движение секции /, 4 изменит направление тока на обратное, и он начнет увеличиваться. В конце периода коммутации к моменту схода щетки с коллекторной пластины / ток достигнет значения /я/2. Секция /, 4 в этот период будет находиться в первой ветви обмотки якоря (см. рис. 60, в).

Рассмотренный процесс коммутации не вызывает каких-либо неприятных последствий. Однако в обычных условиях работы тяговых двигателей коммутация протекает более сложно. Изменение тока от +1я/2 до —/я/2 происходит очень быстро—-примерно за 0,0001—0,001 с, а щетка перекрывает одновременно несколько коллекторных пластин. Измеиеиие тока в коммутируемых секциях приводит к изменению магнитного потока, который пронизывает проводники соседних секций. В результате этого в коммутируемой секции возникают э. д. с. самоиндукции и э. д. с. взаимоиндукции, совместно они представляют реактивную э. д. с. «р, В замкнутой накоротко секции реактивная э. д. с. ер вызывает

добавочный ток коммутации /н •= ер/гк. Сопротивление короткозамкнутой секции гк обычно очень мало и поэтому ток /к достигает больших значений.

Ток /к увеличивает общий ток в коммутируемой секции и сильно влияет на характер коммутации. Ввиду того что ток в коммутируемой секции в процессе коммутации стремится уменьшиться, а затем изменить свой знак, э. д, с. ер и ток коммутации /„ согласно правилу Леица должны противодействовать этому уменьшению; следовательно, в первую половину периода коммутации оии будут иметь направление, совпадающее с направлением тока в коммутируемой секции. Ток коммутации /к уменьшает ток *, (рис. 61) под набегающим краем щетки и увеличивает ток !а под сбегающим краем. Плотность тока под щетками становится неравномерной — повышенной под сбегающим краем щетки и пониженной под небагающим. В момент схода щетки с коллекторной пластины плотность тока может достичь большого значения, что приведет к повышенному искрению.

Читайте также:  Champion lm5347 какой двигатель

Рис. 62. К оценке качества коммутации:

Щ — — щетка; КП — коллекторная пластина; X — место образования искры

При неблагоприятном процессе коммутации между щеткой и пластиной может появиться электрическая дуга. Дуга может переходить от пластины к пластине, что приведет к возникновению кругового огня.

Для оценки качества коммутации применяют специальную шкалу, которая включает в себя пять степеней искрения (рис. 62). Нормальными для продолжительной работы двигателя считаются степени искрения 1, и 1 */я. Работа тягового двигателя со степенью искрения 2 допускается лишь при кратковременных перегрузках, а со степенью искрения 3, как правило, не допускается.

. Способы улучшения коммутации. Причин неудовлетворительной коммутации тяговых двигателей много, однако основной причиной искрения под щетками является добавочный ток коммутации /н, вызванный реактивной э. д. с. ер, следовательно, улучшить коммутацию можно уменьшением реактивной э. д, с. ер, уменьшением тока коммутации /н путем увеличения сопротивления в цепи коммутируемой секции и создания компенсирующей э. д. с. ен в коммутирующих секциях. Для увеличения суммарного сопротивления в цепи коммутируемой секции подбирают электрографитированные щетки, имеющие большое сопротивление, кроме того, увеличивают переходное сопротивление между щеткой и коллектором. Уменьшение реактивной э. д. с. при меньшей индуктивности секции предусматривают в конструкции тягового двигателя: секции делают одновитковыми и пазы якоря открытыми и не очень глубокими, Так как индуктивность верхнего слоя всегда меньше индуктивности нижнего слоя, то для уравнивания индуктивности одну сторону каждой секции располагают в верхнем слое, а другую — в нижнем.

Качество коммутации зависит и от ширины щетки: чем больше щетка одновременно перекрывает пластин коллектора, тем больше коммутируется секций и, следовательно, увеличивается реактивная э. д. с.

Компенсирующую э. д. с. еп в тяговых двигателях создают с помощью системы дополнительных полюсов. Магнитное поле дополнительных полюсов воздействует на поле реакции якоря в зоне коммутации и индуктирует в коммутируемой секции компенсирующую э.д.с. ея. Так как э. д. с. ер зависит от тока якоря, то для обеспечения ее компенсации з. д. с. ек должна также зависеть от тока якоря. С этой целью катушки дополнительных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря. Если компенсирующая э. д. с. еп равна реактивной э. д. с. ер, то будут иметь место идеальные условия коммутации (/,

Рис. 63. Нескомпенсированная э. д. с. ер’, возникающая вследствие насыщения магнитной цепи дополнительных полюсов

медленным, вследствие чего в коммутируемой секции появится некомпенсированная э. д. с. ер, которая вызовет искрение под щеткой (рис. 63). Для увеличения предельной нагрузки насыщения магнитной цепи дополнительных полюсов их выполняют сплошными из литой стали, а поперечное сечение делают таким, чтобы индукция магнитного поля в стали сердечников была сравнительно небольшой, кроме этого, воздушный зазор под дополнительными полюсами делают значительно большим, чем под главными полюсами.

Источник

Что такое коммутация тягового двигателя

Процесс изменения направления тока в замыкаемых накоротко щетками секциях якорной обмотки с помощью коллектора и щеточного механизма называется коммутацией.

Секции якоря, в которых происходят изменения направления тока, называются коммутируемыми.

Условия работы тяговых двигателей на электропоездах значительно тяжелее, чем при стендовых испытаниях. На процесс коммутации влияет ряд эксплуатационных факторов. Большое влияние на работу тяговых двигателей оказывает трение, возникающее при работе под током тягового двигателя между пластинами коллектора и щетками. Наиболее частыми являются механические причины искрения под щетками, основными из которых являются: выступающая изоляция между пластинами коллектора; загрязнение рабочей поверхности коллектора; искажение формы рабочей поверхности коллектора (подгары, царапины, неровности, овальность или эксцентричность и т. д.); перекос щеток, ослабление направляющего действия щеткодержателей; предельный износ щеток, недостаточное нажатие на щетку и плохая пригонка щетки к коллектору; динамическое воздействие на щетку и щеточный аппарат неровностей пути, биение якоря в результате его небаланса, повышенного износа подшипников вала якоря, зубчатой передачи и т. д.

Читайте также:  Что такое датчик фаз газ 31105 406 двигатель

Искрения в результате этих факторов могут вызвать такие необратимые нарушения в тяговом двигателе, что эксплуатация его станет невозможной. В чем же состоит сущность коммутационного процесса?

В тяговых двигателях электропоездов применяют волновые якорные обмотки с одновитковыми секциями — витками (рис. 70). Конец витка / соединяют с коллекторной пластиной, к которой подсоединяется начало витка 2, расположенного под второй парой полюсов. Конец витка 2 соединен с началом витка 3 и т. д. до тех пор, пока последний виток (конец) не будет соединен с началом витка /. Таким образом, обмотка якоря представляет собой замкнутую электрическую цепь, которую щетки разделяют на две параллельные ветви. Учитывая, для простоты изучения, что якорь двигателя вращается очень медленно и что сила тока в короткозамкну-той секции будет изменяться также очень медленно, можно считать, что э. д. с. самоиндукции ничтожно мала и ею можно пренебречь.

Рис. 70. Одновитковые секции обмотки якоря:

/ — 4 витки обмотки

Рассмотрим процессы, которые происходят в этом случае. Обмотка якоря двигателя (рис. 71, а) и вместе с ней коллектор при неподвижной щетке /, ширина которой принимается равной ширине коллекторной пластины, перемещаются по стрелке. В тот момент, когда положительная щетка имеет контакт только с одной коллекторной пластиной, электрический ток, проходящий через щетку и коллекторную пластину в, делится на две равные части. Половина тока 1/2 через секцию Б идет в левую параллельную ветвь, половина 1/2 —- через секцию В в правую параллельную ветвь и далее к отрицательной щетке, где эти величины тока складываются и возвращаются к минусовому зажиму источника тока.

Когда щетка / коснется коллекторной пластины б (рис. 71, б), площадь ее соприкосновения с пластиной в начнет уменьшаться по мере вращения якоря. Тогда ток от щетки пойдет к щеткам бив. Причем ток, проходящий по секциям обмотки якоря Б, будет уменьшаться по мере увеличения площади соприкосновения щетки с пластиной б и уменьшения площади соприкосновения с пластиной в. В момент, когда эти площади станут равны, ток в короткозамкнутой секции Б будет равен нулю, а началом левой параллельной ветви станет уже секция А.

При дальнейшем вращении якоря площадь контакта щетки / с коллекторной пластиной б будет превышать площадь контакта с пластиной в, и по секции Б вновь начнет протекать увеличивающийся ток, но уже противоположного направления. Когда щетка / потеряет контакт с пластиной в (рис. 74, в), ток в секции Б будет равен половине тока 1/2, проходящего через щетку /.

Таким образом, процесс изменения тока в секции полностью закончится и секция Б перейдет из левой параллельной ветви в правую параллельную ветвь.

В дальнейшем, когда до щетки / дойдет пластина а, начнется процесс изменения тока в секции А. Процесс изменения тока (коммутация) в секции якоря двигателя начинается тогда, когда коллекторное деление той пары щеток, между которыми подключена секция, перекрывается набегающим краем щетки. Оканчивается же процесс коммутации в момент выхода рассматриваемого коллекторного деления из-под противоположного сбегающего края щетки.

Время Т, в течение которого секция замкнута накоротко щеткой, называется периодом коммутации. Витки обмотки присоединены к коллекторным пластинам и к щетке подводится ток /. Этот ток, пройдя через щетку в обмотку якоря, разветвляется в ней. Токи +1/2 и —1/2 (рис. 72) в параллельных цепях обмотки одинаковы по величине, но противоположны по направлению.

Читайте также:  Что может стучать в двигателе ока

Как отмечалось выше, при вращении якоря коллекторные пластины перемещаются относительно неподвижных щеток и наступает момент, когда сопротивления площадей левой и правой половин щеточного контакта равны. Тогда ток, притекающий к щетке, делится поровну между пластинами / и 2. Таким образом,

за период коммутации Т ток в секции А\ меняется на величину 21/2 = 1. Однако с изменением тока в секции А\ изменяется и магнитный поток Фь, окружающий ее. Поэтому в ней наводится э. д. с. самоиндукции

Рис. 72. Распределение токов в коммутационной секции

где п — частота вращения якоря.

Направление э. д. с. самоиндукции определяется правилом Ленца и оно таково, что препятствует изменению тока. Обычно в пазах якоря помещается не одна активная сторона секции, а несколько. Кроме того, щетка имеет такую ширину, что перекрывает сразу несколько коллекторных пластин, поэтому

процесс коммутации происходит не в одной секции, а в нескольких одновременно.

Магнитные потоки секции замыкаются через одни и те же соседние зубцы якоря и охватывают не только проводники, токами которых они созданы, но и соседние, лежащие в этих пазах. При этом каждый из потоков при своем изменении наводит как э. д. с. самоиндукции ех в стороне секции, током которой он создан, так и э. д. с. взаимоиндукции ем во всех остальных секциях. Полная э. д. с, появляющаяся в секциях обмотки якоря, называется реактивной э. д. с. ер и равна сумме э. д. с. самоиндукции и э. д. с. взаимоиндукции:

Э. д. с. коммутации ек, наводимая в короткозамкнутой секции магнитным потоком дополнительных полюсов, полностью компенсирует реактивную э. д. с. ер в той же секции, поэтому

Рис. 73. Схема появления кругового огня (а) и кривые распределения индукции в воздушном зазоре (б)

магнитное поле главных полюсов. Такое искажение магнитного поля главных полюсов магнитным полем якоря называется реакцией якоря.

При нагрузке двигателя магнитные поля якоря и главных полюсов взаимодействуют таким образом, что под одной половиной каждого из полюсов они складываются, а под другой вычитаются. В результате этого равномерное распределение индукции под полюсами нарушается (кривая 4 на рис. 73,6).

При полной компенсации потока реакции якоря в зоне коммутации дополнительными полюсами результирующая индукция

вв = вв0 + вря. (16)

Следовательно, чем больше реакция якоря, тем больше нарушается равномерное распределение индукции под полюсами. Это приводит к резкому росту напряжения между пластинами на отдельных участках коллектора. Немалую опасность представляет возникновение отрицательной индукции (площадь Б на рис. 73,6), при развитии которой может произойти быстро развивающийся процесс перемагничивания двигателя реакцией якоря. Таким образом, в случае появления дуги между двумя коллекторными пластинами в результате случайного загрязнения изоляционного расстояния между ними дуга может распространиться по коллектору между двумя щетками различной полярности.

Вышеописанный процесс при определенных условиях (ионизация воздуха, наличие пыли.и т. д.) может произойти при напряжении между пластинами, превышающем 35—38 В. В условиях эксплуатации мерами предупреждения искрения являются содержание в чистоте поверхности коллектора, конуса, канавок между пластинами коллектора, своевременное удаление с рабочей поверхности подтеков, царапин, заусенцев, смена сколотых и изношенных щеток, содержание в норме щеткодержателей и т. д.

Для улучшения процесса коммутации пользуются двумя основными способами. Самым распространенным способом является применение дополнительных полюсов, которые создают в коммутационной зоне магнитное поле, наводящее в коммутирующих секциях э. д. с.

Источник