Коммутация и способы ее улучшения

Одно из основных понятий в электротехнике — коммутация (от латинского commutation) определяется в ГОСТ 18311–80, как динамический процесс переключения, включения и выключения участков электрических цепей. Визуально это явление можно наблюдать на коллекторах двигателей и генераторов постоянного тока.

Устройство машины постоянного электротока

Электрические машины, преобразующие механическое движение в постоянный электроток или, наоборот, электроэнергию в движение, являются машинами постоянного тока (МПТ). Их работа — это практическая реализация опытов поведения замкнутого контура (рамки) в магнитном поле.

Вращение маховика ременной передачей от любого привода приводит в движение вал якоря (рамки) в магнитном поле. Согласно закону электромагнитной индукции появление ЭДС приводит к возникновению электротока I на нагрузке R. Машина работает генератором.

Если вместо нагрузки R подключить источник постоянного тока, рамка (обмотка якоря) в магнитном поле получит вращение под действием электромагнитной силы. Вал МПТ вместе с маховиком начнет вращаться и агрегат будет работать двигателем.

Виды МПТ

Современные МПТ редко используют для возбуждения магнитного потока магниты. Для этой цели применяют электромагнитное возбуждение. На статоре размещается обмотка возбуждения (ОВ), на которую подается постоянный ток, создающий магнитное поле. Способ подключения обмоток статора (индуктора, ярма) и якоря (ОЯ) во многом определяют свойства машины постоянного тока.

Классификация МПТ в зависимости от соединения ОВ и якоря:

• с независимым возбуждением. Обмотка возбуждения ОВ запитана от стороннего источника энергии. Это основная схема соединения ОВ и якоря мощных генераторов. Создает магнитный поток, не зависящий от нагрузки на валу;
• с самовозбуждением. ОВ включена параллельно ОЯ. По характеристикам схема близка к первому варианту. Используется в генераторах средней мощности и в двигателях с плавной регулировкой скорости в широком диапазоне;
• с последовательным возбуждением. Через ОВ течет ток якоря. Для генераторов не применяется этот вариант. В двигателях с тяжелым пуском (электровозы, эскалаторы) используют высокий пусковой момент;
• с компаундным (смешанным) подключением. Обмотка возбуждения состоит из двух частей. ОВ2 подключена последовательно, а ОВ1 параллельно обмотки якоря.  В генераторах смешанное подключение не применяется, а двигатели имеют высокий момент и хорошо регулируются.

Подключение обмотки возбуждения в машинах постоянного тока определяет область применения и характеристики МПТ.

Конструкция МПТ

Электродвигатель или генератор постоянного тока состоит из двух крупных узлов: неподвижной станины с ОВ под названием статор (ярмо) и вращающегося внутри него якоря.

На статоре размещены обмотки возбуждения для создания магнитного потока. Управление током возбуждения (коммутацией) у большинства МПТ происходит вне агрегата.

Коммутация — процесс, который можно наблюдать визуально. Он происходит на подвижной части машины — якоре. Коммутация возникает при переходе с одной обмотки якоря на другую. Конструкция якоря для понимания явления коммутации является основной.

Обмотки якоря

Обмотки якоря подразделяются на петлевые и волновые. Каждый вариант может иметь несколько видов. Различают их по способу соединения с коллектором.

Петлевая обмотка состоит из двух проводников, уложенных в один паз, и двух лобовых частей. Выводы каждой секции распаяны к соседним пластинам коллектора и на схеме напоминают петлю.

Волновой вариант якорной обмотки подключается к разнесенным по коллектору пластинам с шагом ук=(К±1)/р, где P — количество пар полюсов статора (главных), К — количество коллекторных пластин. Шаг петлевой обмотки якоря ук = 1.

При одинаковом количестве Р пар полюсов и витков обмотки якоря, петлевая обмотка пропускает в Р раз больший ток при меньшем в P раз напряжении. На высоком напряжении МПТ применяют волновые разновидности якорных обмоток, на больших токах — петлевые.

Коллектор — механический коммутатор МПТ

Конструктивно вращающаяся часть коллектора МПТ представляет собой цилиндрический набор изолированных от вала и друг от друга медных пластин. На пластины запаяны выводы якорной обмотки. Токосъёмник представляет собой траверсу со щеткодержателями и плавающими в них щетками. Через скользящий контакт щеток по коллектору с генератора снимается постоянный ток, а двигатель получает электроэнергию из сети.

При работе машины постоянного тока в режиме генератора на полукольцах первичного коллектора рамка будет выдавать на нагрузку постоянной полярности напряжение и ток одного направления. Амплитуда тока и напряжения будут меняться, то есть, они будут пульсировать. Большое количество рамок якорной обмотки и коллекторных пластин (ламелей) делают пульсации ничтожными. Коллектор генератора выпрямляет ток и напряжение на нагрузке.

Для получения работы МПТ вместо нагрузки нужно подключить источник постоянного тока. На полукольцах коллектора будет постоянное напряжение. Однако для вращения якоря (рамки) по обмотке должен протекать переменный ток, меняющий направление при переходе через нейтраль магнитного поля. Полукольца поочередно меняют ток в витке, что приводит во вращение якорь. Коллектор работает коммутатором, преобразуя напряжение источника постоянного тока в переменный ток, вращающий якорь.

Физика электрических процессов при коммутации

Коллектор МПТ разбивает обмотку якоря на множество параллельных рамок (витков) с выводом их на ламели (медные пластины коллектора). Витки обмотки при вращении якоря проходят через нейтраль магнитного потока обмотки возбуждения и их ламели поочередно подключатся к щеткам.

Между устойчивыми положениями, когда ламели коллектора и щетки занимают положение полного контакта, есть отрезок времени, на протяжении которого щетка движется по двум ламелям одновременно. Этот период зависит от скорости электрической машины и называется периодом коммутации.

Переходный процесс, начинающийся с момента закорачивания двух ламелей щеткой и заканчивающийся после съезда на одну из них, является коммутацией МПТ. Если он происходит при малом токе и слабо искрит, у машины хорошая коммутация. Если искрение сильное, надо искать причину неисправности.

Рассмотрим подробнее этот процесс в идеальном варианте двухполюсной машины постоянного тока при ширине щетки, равной ширине коллекторной пластины.

Ток I_Я в параллельных проводниках ОЯ, когда щетка расположена над пластиной 1 якоря одинаков. Суммарный ток через щетку по закону Кирхгофа I_Ясум =2i_я. Якорь вращается в сторону V.

Наезд щетки на ламель 2 закорачивает красную секцию. По ней будет циркулировать ток, определяемый электромагнитной индукцией для замкнутого контура в магнитном поле и сопротивлением скользящего контакта i. Этот ток на коллекторной пластине 1 будет суммироваться i₁=i_я+i, а на ламели 2 вычитаться i₂=i_я-i.

По мере схода щетки с ламели 1 сопротивление контакта растет (уменьшается площадь контакта) и во время разрыва составляет i₁=i_я+i, напряжение при этом может достигнуть образования дуги или, как минимум, искрения.

Коммутация завершается, когда щетка переходит на пластину 2. Направление тока в витке (красная секция) изменяется на противоположное:, с +i_я на -i_я.  Секция переходит в другую, синюю ветвь из зеленой. Со всеми допущениями ток за время коммутации Т_к изменяется прямолинейно, но это идеальный вариант.

В реальных современных машинах процесс коммутации отклоняется от идеального. В пазе якорной обмотки может находиться несколько проводников разных секций, что приводит к возникновению ЭДС взаимоиндукции.  Скорость вращения МПТ влияет на время коммутации и в замкнутой секции возникает ЭДС самоиндукции, препятствующей изменению тока контура.

Реактивная ЭДС, являющаяся совокупностью различных видов искажений магнитных потоков создает дополнительный ток, который может ускорять смену направления тока в рамке или замедлять его. Изменение сопротивления контакта щетки и ламели, возрастание нагрузки влияют на реактивную ЭДС и на протекание коммутации.

Причины искрения на якоре

При разработке конструкции конкретной МПТ принимаются все инженерные решения для того, чтобы коммутация происходила в условиях, близких к идеальным, то есть, без искрения. На заводе при производстве настраивают машину так, чтобы в заданных условиях эксплуатации агрегат не искрил (темная коммутация). Незначительное искрение в пределах допуска при работе у заказчика считается нормальным.

В ходе эксплуатации по мере износа вращающихся частей появляется на коллекторе сильное искрение, дуга или круговой огонь. Это требует устранения причин, которые могут быть электромагнитными и механическими.

К механическим причинам относят:

• износ подшипников. Якорь вибрирует, коллектор бьет, щетки трясутся;
• загрязнение и нагар на ламелях коллектора;
• эллипс коллектора.  После ремонта он плохо проточен и отшлифован;
• замыкание ламелей. Не проложена изоляция между пластинами;
• щетки и их пружины изношены;
• плохо притерты щетки к коллектору;
• некачественная сборка поле ремонта смещает зазор между полюсами.

Особенно сложно избежать механических проблем искрения на высокоскоростных МПТ из-за наличия ограничений щеточного узла.

Электромагнитные причины плохой коммутации чаще всего происходят при нарушении заводских настроек:

• смещение траверсы с щеткодержателем с нейтрали;
• изменения зазоров между полюсами;
• витковые замыкания в обмотках возбуждения;
• применение щеток, не предназначенных для конкретной модели МПТ.

Искрение, вызванное электромагнитными неисправностями, отличается по оттенку пламени. Оно светится бело-голубым цветом.

Использование электрических машин с коллектором без учета условий эксплуатации может приводить к увеличенному образованию искрения. На ухудшение коммутации влияет токопроводящая пыль, агрессивная среда, ударные нагрузки и вибрация промышленного оборудования.

Устранение причин плохой коммутации коллекторных машин требует комплексного анализа условий эксплуатации, а также правильного техобслуживания.

Шкала оценки

До настоящего времени оценка качества МПТ происходит на заводе. Согласно ГОСТ 2582–2013 для коллекторной машины создаются режимы 1–6 из таблицы 8.2 и визуально, по таблице 5.5 оценивается коммутация и способы ее улучшения.

При длительной работе с номинальной нагрузкой в рабочих характеристиках на стендовых испытаниях доводят визуальную оценку до 1. Удовлетворительным считается искрение, не превышающее показатель 1 ½. Для машин, работающих в тяжелых пусковых условиях, является допустимой кратковременная степень искрения в 2 балла.

Для исследования и оценки МПТ при особых условиях эксплуатации создаются ТУ форсированных режимов испытаний на стенде.

Способы улучшения коммутации

Электромагнитные способы улучшения коммутации коллекторных МПТ основаны на стремлении уменьшить добавочный ток в коммутируемой секции обмотки якоря, который определяется по формуле:

Числитель выражения содержит реактивную ЭДС — сумму ЭДС взаимоиндукции и самоиндукции одного или нескольких одновременно коммутируемых витков ОЯ. Уменьшив или скомпенсировав эту сумму, можно сократить добавочный ток до нуля.

В знаменатели сумма сопротивлений коммутируемых секций обмотки: проводников в пазах, распайки лобовых частей, скользящего контакта между ламелью и щеткой на коллекторе. Увеличивая эти сопротивления, можно сильно уменьшить добавочный ток.

Уменьшение реактивной ЭДС

ЭДС взаимоиндукции можно уменьшить следующими способами:

• выбор ширины щетки. За счет уменьшения ширины коммутируют одновременно меньшее число секций. Оптимальное перекрытие — 2–3 ламели коллектора, однако зависит от типа МПТ;
• укороченный шаг ОЯ. Такая обмотка приводит к сокращению числа одновременно короткозамкнутых секций;
• для крупных МПТ изменение специальных характеристик. Увеличение диаметра и уменьшение длины якоря, снижение скорости и количества проводников в пазе.

ЭДС самоиндукции ослабляется уменьшением индуктивности витка:

• открытые неглубокие, 4.5–5.5 мм, пазы;
• одновитковые секции ОЯ;
• один проводник витка сверху паза, второй внизу своего паза.

Эти методы снижают уровень реактивной ЭДС в коммутируемых секциях МПТ.

Установка добавочных полюсов

Для полной компенсации реактивной ЭДС и ЭДС вращения в зоне коммутации между главными полюсами устанавливают на статоре добавочные полюса. Их количество либо равно числу главных полюсов, либо в 2 раза меньше. Суммарная вредная ЭДС в коммутируемых обмотках зависит от тока якоря, поэтому обмотки добавочных полюсов включаются последовательно с ОЯ, их магнитный поток должен быть направлен встречно вредным магнитным потокам. Это позволяет автоматически при изменении нагрузки (тока якоря) компенсировать вредные ЭДС и улучшать коммутацию.

Для улучшения коммутации производят следующие корректировки магнитного потока со стороны статора:

• зазоры между якорем и основными полюсами увеличивают, а у добавочных полюсов уменьшают;
• увеличивают поперечное сечение добавочных полюсов и устанавливают немагнитные прокладки для того, чтобы замедлить насыщение стали полюсов;
• устанавливают траверсу с щеткодержателем на нейтраль магнитного поля, а не нейтраль корпуса.

Эти способы не дают автоматической компенсации вредных ЭДС, но улучшают коммутацию.

Уменьшение добавочного тока в коммутирующих секциях за счет увеличения сопротивления щеток возможно. Но на крупных машинах это приведет к дополнительному нагреву коллектора и, как следствие, ухудшению коммутации. На высоковольтных машинах с малым якорным током используют вместо медных щеток электрографитовые. Применение различных конструкций щеток с увеличенным сопротивлением (разрезных) на малых машинах тоже уменьшает искрение.

Все эти методы улучшения коммутации учитываются при разработке конструкций машин, а на заводе-производителе позволяют настроить МПТ на работу в номинальных режимах без искрения.

В процессе эксплуатации необходимо следить за состоянием коллектора. По мере износа его следует вовремя протачивать, шлифовать, вовремя заменять изношенные щетки на новые — строго по модели и материалу. Перед установкой их надо тщательно притирать к поверхности коллектора. Соблюдение правил техобслуживания и эксплуатация в нормальных условиях позволит МПТ отработать достаточно долго.

Видео по теме