Коммутация тяговых двигателей и способы ее улучшения

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 Iя разветвляется на две части, при этом по каждой параллельной ветви (правой и левой) протекают токи Iя/2.

Схемы коммутации

Рис. 60. Схемы коммутации

В процессе вращения якоря щетка начинает перекрывать две коллекторные пластины 1 и 2, при этом замыкает накоротко коммутируемую секцию 1, 4 обозначаемую жирной линией, В момент равномерного перекрытия пластин 1 и 2 (рис, 60, б) через коммутируемую секцию ток протекать не будет, а в параллельных ветвях будут протекать токи Iя/2.

В конце коммутации (рис. 60, в) щетка вновь будет перекрывать пластину 2, Ток в коммутируемой 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 Iя/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 1 и 2, дальнейшее движение секции 1, 4 изменит направление тока на обратное, и он начнет увеличиваться. В конце периода коммутации к моменту схода щетки с коллекторной пластины 1 ток достигнет значения Iя/2. Секция 1, 4 в этот период будет находиться в первой ветви обмотки якоря (см. рис. 60, в).

Схема направления реактивной э. д.с. и тока коммутации к в коммутируемой секции

Рис. 61. Схема направления реактивной э. д.с. и тока коммутации к в коммутируемой секции

Рассмотренный процесс коммутации не вызывает каких-либо неприятных последствий. Однако в обычных условиях работы тяговых двигателей коммутация протекает более сложно. Изменение тока от +Iя/2 до —Iя/2 происходит очень быстро—примерно за 0,0001—0,001 с, а щетка перекрывает одновременно несколько коллекторных пластин. Изменение 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. ер. В замкнутой накоротко секции реактивная э. д. с. ер вызывает добавочный ток коммутации Iк = eр/rк. Сопротивление короткозамкнутой секции rк обычно очень мало и поэтому ток Iк достигает больших значений.

Ток Iк 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 Iк согласно правилу Леица должны противодействовать этому уменьшению; следовательно, в первую половину периода коммутации они будут иметь направление, совпадающее с направлением тока в коммутируемой секции. Ток коммутации Iк уменьшает ток i1, (рис. 61) под набегающим краем щетки и увеличивает ток i2 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.

 

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 I, I1/4 и I1/2,. Работа тягового двигателя со степенью искрения 2 допускается лишь при кратковременных перегрузках, а со степенью искрения 3, как правило, не допускается.

Рис. 62. К оценке качества коммутации: Щ – щетка; КП – коллекторная пластина; X – место образования искры

Способы улучшения коммутации

Причин неудовлетворительной коммутации тяговых двигателей много, однако основной причиной искрения под щетками является добавочный ток коммутации Iк, вызванный реактивной э. д. с, ер, следовательно, улучшить коммутацию можно уменьшением реактивной э, д. с. eр, уменьшением тока коммутации Iк путем увеличения сопротивления в цепи коммутируемой секции и создания компенсирующей э, д. с. ек в коммутирующих секциях. Для увеличения суммарного сопротивления в цепи коммутируемой секции подбирают эдектрографитированные 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. ек 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. ек. Так как э. д. с. ер зависит от тока якоря, то для обеспечения ее компенсации э. 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. ек равна реактивной э. д. с. ер, то будут иметь место идеальные условия коммутации (Iк=0), при которых обеспечивается безыскровая работа тяговых двигателей.

При больших перегрузках начинает нарушаться компенсация реактивной э. д. с. ер из-за насыщения магнитной цепи дополнительных полюсов. В этом случае реактивная э. д. с. ер возрастает пропорционально току, а рост э. д. с. ек — более замедленным, вследствие чего в коммутируемой секции появится нескомпенсированная э. д. с. e’р, 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.

Раздел: Тяговые двигатели
Основная публикация:

Электропоезда серии ЭР2 и ЭР2Р

Публикации в этом разделе:

Информационные разделы

Пояснения и комментарии

© 2009-2018 Машинист электропоезда. Интернет сайт создан и поддерживается обществом с ограниченной ответственностью "Керби дизайн" (ИНН: 7733695081, 125200, г. Москва, ул. Митинская, д. 19, оф. 97). Контактный телефон: +7 (495) 015-09-35.  Все права защищены.

Принципиальные оговорки

Названия торговых марок, зарегистрированных товарных знаков, знаков обслуживания (как графические, так и словесные) являются собственностью их владельцев и указываются на данном интернет-сайте исключительно с целью информационного освещения, на некоммерческой основе, на основании публичных разрешений владельцев или на основании заключённых партнерских соглашений.

Ограниченная ответственность

Редакция интернет-сайта Машинист электропоезда оставляет за собой право не вступать в переписку с читателями и посетителями сайта.

Рукописи и иллюстрации, не заказанные редакцией, не рецензируются и не возвращаются. Редакция не несёт ответственности за рекомендации, данные аналитиками, а также за мнения лиц, давших интервью. Ответственность за содержание интервью несёт лицо, давшее интервью.