Коммутация, реакция якоря и роль дополнительных полюсов

В процессе вращения якоря двигателя витки его обмотки поочередно переходят из области взаимодействия с северным полюсом в область взаимодействия с южным, а затем снова с северным и т. д. При переходе из одной области взаимодействия в другую ток в витке уменьшается до нуля (происходит как бы отключение цепи), а затем возрастает (включение) до прежнего значения, но изменив направление на противоположное.

Изменение соединений в электрических цепях (включение, отключение и переключение их частей), осуществляемое с помощью различных аппаратов - коммутаторов, называется коммутацией (от латинского слова commutatio - изменение, перемена). В электрических машинах постоянного тока коммутатором служит коллектор. Максимальная частота коммутации тока в них очень велика и составляет в зависимости от типа двигателя 13-15 тысяч переключений в секунду. Коммутация в некоторых условиях может сопровождаться искрением под щетками, что приводит к усиленному износу коллектора, а иногда, при возникновении сплошного искрения (кругового огня), к серьезным повреждениям двигателя.

Рассмотрим, как протекает процесс коммутации. Известно, что в электрической цепи при изменении тока возникает э. д. с. самоиндукции. Появление ее объясняется тем, что магнитное поле, создаваемое электрическим током, проходящим по проводнику, изменяется одновременно с изменением тока. Изменяющееся магнитное поле индуктирует в проводнике э. д. с. самоиндукции, направление которой таково, что она препятствует изменению тока, вызывающему ее, т. е. стремится поддержать первоначальный ток. Если ток уменьшается, то э. д. с. самоиндукции задерживает его снижение и, наоборот, при увеличении тока задерживается его рост.

Результат действия э. д. с. самоиндукции можно увидеть, например, при размыкании рубильников, когда в момент разрыва цепи в воздухе возникает электрическая дуга. Действие э. д. с. самоиндукции подобно силам инерции в механике. Силы инерции тоже противодействуют всякому изменению скорости движущегося тела.

При коммутации витка обмотки якоря в момент, когда щетка сходит с коллекторной пластины, с которой электрически соединен коммутирующий виток, цепь размыкается и возникшая э. д. с. самоиндукции стремится поддерживать прекращающийся ток. Но между неподвижной щеткой и быстро движущейся коллекторной пластиной сразу же появляется слой воздуха, который, как известно, обладает хорошими изоляционными свойствами. э. д. с. самоиндукции повышает напряжение, действующее между соседними коллекторными пластинами, и воздух может ионизироваться, т. е. стать проводником; при некотором значении э. д. с. слой воздуха пробивается, через него проходит электрический ток.

Кроме э. д. с. самоиндукции, есть еще причины, затрудняющие процесс коммутации в двигателе. Одна из них - э. д. с. взаимной индукции. Как уже было отмечено, щетка перекрывает не одну, а несколько пластин коллектора, т. е. в процессе коммутации участвует одновременно несколько соседних витков; поэтому с изменением тока в коммутируемых витках переменные магнитные поля наводят не только э. д. с. самоиндукции в собственных проводниках, но и э. д. с. взаимной индукции в соседних, действующие согласно с э. д. с. самоиндукции.

Затрудняет коммутацию и так называемая реакция якоря. Сущность реакции якоря заключается в следующем. Проходящий по проводникам обмотки якоря ток создает вокруг каждого проводника магнитный поток, направление силовых линий которого определяется по известному из электротехники правилу буравчика. Магнитные потоки отдельных проводников обмотки якоря, складываясь, образуют общий магнитный поток якоря, направленный поперечно относительно оси полюсов. Поток якоря, накладываясь на магнитный поток обмотки возбуждения, искажает последний под полюсами двигателя, усиливая его с одной стороны и ослабляя с другой (рис. 24). Воздействие магнитного потока якоря на магнитный поток возбуждения называют реакцией якоря. Чем больше нагрузка двигателя, тем сильнее действие реакции якоря.

Рис. 24. Искажение магнитного потока главных полюсов магнитным потоком реакции якоря

Вследствие искажающего влияния реакции якоря ось, по которой располагают щетки (ее называют геометрической нейтралью), попадает в сферу действия магнитного потока. Поэтому коммутируемые витки пересекают магнитные силовые линии искаженного магнитного потока и в них индуктируются дополнительные э. д. с. Эти э. д. с.:, так же как и э. д. с. самоиндукции и взаимной индукции, нарушают нормальный процесс коммутации. э. д. с. самоиндукции, взаимной индукции и э. д. с., создаваемая реакцией якоря, складываются. Результирующую э. д. с. называют реактивной.

Как же добиться, чтобы при коммутации не возникло сильного искрения? В тяговых двигателях, как и в большинстве других двигателей постоянного тока, для этого устанавливают специальные магнитные полюсы. В отличие от главных полюсов, создающих магнитный поток возбуждения, их называют дополнительными. Магнитный поток, создаваемый дополнительными полюсами, должен быть направлен так, чтобы в коммутируемых секциях наводилась э. д. с., равная реактивной и направленная навстречу ей. Реактивная э. д. с. не постоянна. Она изменяется пропорционально току якоря. Э. д. с., создаваемая дополнительными полюсами, должна изменяться так же. Это условие будет выполнено, если по обмотке дополнительных полюсов будет проходить тот же ток, что и по обмотке якоря. Поэтому обмотку якоря и обмотки дополнительных полюсов нужно соединить последовательно (рис. 25). Кроме того, для улучшения процесса коммутации щетки выполняют из материала, создающего повышенное сопротивление в месте контакта с коллектором. При этом в цепь тока, вызванного реактивной э. д. с., вводится дополнительное сопротивление, и он уменьшается.

Рис. 25. Соединение обмоток якоря и дополнительных полюсов тяговых двигателей

Большое значение для обеспечения надежной коммутации двигателей имеет выбор величины напряжения между соседними коллекторными пластинами.

Коммутация двигателей протекает без искрения при напряжении между соседними коллекторными пластинами, не превышающем 30-32 В. Если допустить более высокое напряжение, то в момент разрыва скользящего контакта между щетками и сбегающими с них коллекторными пластинами возникает искрение, так как высокое напряжение будет пробивать воздушный промежуток.

Как уже отмечалось, реакция якоря ослабляет магнитный поток возбуждения с одной стороны полюса и усиливает его с другой. В витках якоря, пересекающих область, где усилен магнитный поток возбуждения, индуктируется повышенная э. д. с., вследствие чего возрастает напряжение между соседними коллекторными пластинами. Это напряжение увеличивается при перегрузках мощных тяговых двигателей, когда особенно сильно сказывается действие реакции якоря. В таких условиях между коллекторными пластинами может возникнуть круговой огонь - мощная электрическая дуга, замыкающая накоротко обмотку якоря или большую часть ее. Это вызывает тяжелые повреждения двигателя.

Дополнительные полюсы сводят до минимума опасность возникновения только реактивной э. д. с., не компенсируя искажающее действие реакции якоря под главными полюсами. Поэтому в особо мощных двигателях постоянного тока применяют компенсационную обмотку. Эту обмотку располагают в пазах главных полюсов и соединяют ее последовательно с обмоткой якоря так, чтобы создаваемый компенсационной обмоткой поток был направлен навстречу потоку реакции якоря и устранял искажение потока под главными полюсами.

Однако применение компенсационной обмотки усложняет конструкцию двигателя, его эксплуатацию и ремонт. Применение гладких якорей, о которых говорилось выше, позволяет отказаться от компенсационной обмотки, так как при этом значительно уменьшается реакция якоря, а значит, улучшается коммутация тяговых двигателей.

Следует отметить, что использование петлевой обмотки и увеличение числа пар полюсов также обеспечивают лучшую коммутацию.