Главная | Обратная связь

Физические процессы коммутации

 

При вращении якоря секции обмотки непрерывно переходят из одной параллельной ветви в другую и в них происходит изменение направления тока. Процесс переключения секции из одной параллельной ветви в другую и называется коммутацией. В более широком смысле слова под коммутацией понимают совокупность явлений, связанных с изменением направления тока в секциях при переходе их из одной параллельной ветви в другую, и передачей тока через скользящий контакт между коллектором и щеткой. Процессы, возникающие при этом в секциях и под щетками, называются коммутационными, переключаемая секция называется коммутируемой, а время, в течение которого происходит процесс коммутации — периодом коммутации Т_к. Коммутацию рассмотрим на примере простой петлевой обмотки (рисунок 1.31), при условии, что ширина щеток b_щ равна ширине коллекторной пластины b_{k .} В реальной машине щетка перекрывает несколько пластин и процесс коммутации происходит сразу в нескольких секциях. За время переключения сила тока в короткозамкнутой (коммутируемой) секции изменяется от значения i_a до того же значения в обратном направлени, т.е. от +i_a до –i_a.

Установим закон изменения коммутационного тока, причины и последствия его изменения. При вращении коллектора пластина 1 постепенно сбегает со щетки, а пластина 2 набегает на щетку, происходит замыкание секции щеткой через коллекторные пластины 1 и 2 накоротко. Для контура короткозамкнутой секции можно составить уравнение ЭДС по второму закону Кирхгофа

Σe = ΣiRk (1.23)

где Σe – сумма ЭДС, индуктируемых в коммутируемой секции; i – ток в коммутируемой секции; R_k– активное сопротивление к–го участка контура.

В коммутируемой секции индуктируется ЭДС самоиндукции e_L, вызванная изменением тока в секции, ЭДС взаимоиндукции e_м, вызванная изменением тока в соседних одновременно коммутируемых секциях, коммутирующие ЭДС e_k, возникающие в секции за счет пересечения ее результирующим полем или полем добавочных полюсов. Кроме того возникает трансформаторная ЭДС e_т, вызванная пульсацией во времени магнитного потока Ф из–за зубчатости якоря, однако она мала и ее в дальнейшем не учитываем.

Сумму ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции называют реактивной ЭДС

(1.24)

которая равна

(1.25)

 

где L_c – индуктивность секции; M_c – взаимная индуктивность секции; L_k=L_c+M_c –эквивалентная индуктивность секции.

По закону Ленца реактивная ЭДС e_p направлена таким образом, чтобы препятствовать изменению тока в коммутируемой секции.

ЭДС e_k может действовать как согласно с e_p, так и встречно.

Это зависит от направления внешнего магнитного поля в зоне коммутации, то есть

Активное сопротивление щеточного контакта значительно больше других сопротивлений контура короткозамкнутой секции, поэтому для упрощения будем учитывать только сопротивления R_щ1 и R_щ2 – контактные сопротивления сбегающего и набегающего краев щетки. Тогда можно записать

- (1.26)

По первому закону Кирхгофа для узлов А и В можно записать

(1.27)

Решая совместно уравнения (1.26) и (1.27), получим

(1.28)

Рисунок 1.31 – Характер изменения тока в коммутируемой секции: а – до начала коммутации; б – в период коммутации; в – после коммутации

Переходные сопротивления R_щ1 и R_щ2 обратно пропорциональны площадям касания щетки с коллекторными пластинами и, если учесть, что эти площади изменяются пропорционально времени коммутации, то получим

;	(1.29)
,	(1.30)

где R_щ – сопротивление переходного контакта всей поверхности щетки; S_щ – полная площадь контакта щетки с коллектором ; S_щ1, S_щ2 – площади сбегающего и набегающего контакта щеток с коллектором; T_к – период коммутации ; t– промежуток времени от начала коммутации.

Подставляя значение R_щ1 и R_щ2 в уравнение (1.28), найдем

 

(1.31)

 

Анализируя уравнения (1.31)и (1.26) видим, что если коммутирующая ЭДС e_k равна реактивной ЭДС e_p, и направлена навстречу ей, то вторая составляющая коммутационного тока равна нулю, так как =0 и ток будет изменяться по линейному закону

 

Рисунок 1.32 – Характер изменения тока коммутации при ∑е = 0

.

 

График этой функции представлен на рисунке 1.32. Токи i₁ и i_2, текущие через коллекторные пластины, изменяются во времени линейно. Коммутация с таким характером изменения токов называется прямолинейной. Плотность тока по всей площади будет одинаковой. Это наиболее благоприятная коммутация.

При ток в секции i представляет сумму двух составляющих: линейного тока i_л и так называемого добавочного тока коммутации i_к, определяемого величиной Σе. При e_к<e_p добавочный ток i_к, накладываясь на ток линейной коммутации i_л, будет задерживать изменение тока в секции и она сначала будет изменяться медленнее (кривая I, рисунок 1.33), чем при линейной коммутации. Такой процесс в коммутируемой секции называется замедленной криволинейной коммутацией. Она характеризуется неравномерным распределением тока под щеткой. Под сбегающим краем щетки плотность тока будет больше, чем под набегающим, что приведет к искрообразованию на коллекторе.

Рисунок 1.33 – Характер изменения тока коммутации при ∑е ≠ 0

При e_к>e_p добавочный ток i_к накладываясь на i_л будет ускорять изменение тока i в секции и процесс коммутации пойдет быстрее, чем при линейной коммутации (кривая 2, рисунок 1.33). Такая коммутация называется ускоренной криволинейной коммутацией. В этом случае добавочный ток будет увеличивать плотность тока под набегающим краем щетки и уменьшать под сбегающим, создавая неравномерную плотность тока, что также приводит к искрообразованию на коллекторе.

Таким образом, состояние коммутации определяется, главным образом, значением тока i_к, величина которого зависит от суммарной ЭДС и сопротивления переходного контакта щеткиR_щ.