Д) Способы улучшения коммутации.

Дополнительные полюсы. Обратимся к равенству (5-30). Мы можем переписать его в следующем виде:

i = i_пр + i_доб, (5-40)

где и .

Таким образом, ток коммутации i можно считать состоящим из тока прямолинейной коммутации i_пр и накладывающегося на него добавочного тока i_доб.

Способы улучшения коммутации основаны на уменьшении добавочного тока i_доб. Его мы можем уменьшить, увеличивая r₁ + r₂, что достигается выбором щеток.

Чем больше ожидаемая результирующая э.д.с. Sе, тем тверже должны быть щетки, так как они создают в переходном контакте относительно большое сопротивление. Для небольших машин низкого напряжения берут мягкие (графитные) щетки. От правильного выбора щеток и от их качества в большой степени зависит коммутация. Лучшими считаются электро-графитированные щетки, полученные путем отжига угля в электропечах.

Уменьшение i_доб может быть также достигнуто путем уменьшения Sе.

Стремятся эту сумму э.д.с. сделать равной нулю:

Sе = e_R + e_к = 0. (5-41)

Чтобы этого достигнуть, нужно создать в коммутационной зоне такое поле, которое бы наводило в коммутируемой секции э.д.с. е_к, равную э.д.с. е_R и направленную против нее. Поле в коммутационной зоне называется коммутирующим. Оно должно иметь определенную полярность. В малых машинах мощностью обычно не свыше 0,5 кВт надлежащее коммутирующее поле получают сдвигом щеток за физическую нейтраль по вращению в генераторе и против вращения в двигателе. Однако равенство е_к=-е_R при этом достигается только при некоторой определенной нагрузке, так как при изменении нагрузки физическая нейтраль смещается и указанное равенство нарушается. Чтобы различие между е_к и e_R было невелико, берут значение е_R не свыше 1—2 В, что не вызывает затруднений в случае малых машин. Для машин средней и особенно большой мощности такое значение е_R потребовало бы значительного увеличения размеров машин и было бы невыгодно.

В современных машинах для создания коммутирующего поля применяются дополнительные полюсы. Их обмотка, как указывалось, соединяется последовательно с обмоткой якоря (рис. 5-34). При этом коммутирующее поле увеличивается пропорционально току якоря, если магнитная цепь дополнительных полюсов слабо насыщена. Поэтому е_к будет пропорциональна току якоря, так же как и е_R. Следовательно, здесь мы получаем автоматичность действия дополнительных полюсов.

Рис. 5-34. Соединение обмотки дополнительных полюсов с обмоткой якоря.

Число витков обмотки дополнительных полюсов должно быть так выбрано, чтобы ее н.с. не только компенсировала поперечную н.с. якоря, но и имела некоторый избыток, необходимый для создания в коммутационной зоне надлежащего поля.

На рис. 5-35 представлена кривая поля машины, имеющей дополнительные полюсы. Здесь же указаны необходимые полярности дополнительных полюсов при работе машины генератором и двигателем (см. также рис. 5-34).

Рис. 5-35. Кривая поля машины с дополнительными полюсами.

Необходимая полярность коммутирующего поля определяется на основании следующих рассуждений.

Обозначим условно направление тока в секции i_a до коммутации стрелкой, как указано на рис. 5-36. Направление э.д.с. Е_а параллельной ветви, в которой находится секция при работе машины генератором, будет такое же, как и тока i_a. Пусть рассматриваемая секция замыкается щеткой. Ток i_a будет уменьшаться. При этом возникает э.д.с. е_R, которая по закону Ленца стремится поддержать прежнее значение тока. Следовательно, она направлена в ту же сторону, что и i_a. Электродвижущая сила е_к должна быть направлена против e_R. Для этого коммутируемая секция должна находиться в поле противоположной полярности по отношению к полю, которое наводит э.д.с. Е_а (см. рис. 5-34, где направление э.д.с. Е_а, например, нижней параллельной ветви обмотки якоря определялось полем южной полярности).

Рис. 5-36. К определению полярности дополнительных полюсов генератора.

Так как в двигателе Е_а и i_a имеют противоположные направления, то коммутирующее поле должно иметь ту же полярность, что и поле, наводящее э.д.с. Е_а (рис. 5-37).

Рис. 5-37. К определению полярности дополнительных полюсов двигателя.

Мы вначале приняли ширину щетки равной ширине коллекторной пластины. В действительности щетка берется шире коллекторной пластины в 2—4 раза (при простых волновых обмотках в 2—2,7 раза; при простых петлевых обмотках в 3—4 раза), что дает лучшее использование коллектора и улучшает коммутацию.

Ширина щетки не должна быть слишком большой, так как это может привести к чрезмерному расширению коммутационной зоны. По той же причине не следует брать шаг у₁ с большим укорочением [обычно y₁ = Z_э/2 p - (1÷3)]. Небольшое укорочение у₁ сказывается благоприятно на коммутации, так как при этом несколько уменьшается e_R за счет уменьшения э.д.с. взаимоиндукции. К тому же самому ведет выбор К/а, равного нечетному числу, и выбор ступенчатой обмотки (для мощных машин).

Для небольших машин (до 40—50 кВт) часто пазы на якоре выполняются скошенными примерно на одно пазовое деление. При этом уменьшается шум машины, так как не будут получаться резкие колебания индукции на концах полюсных наконечников, и уменьшаются колебания поля под дополнительными полюсами, что улучшает коммутацию.

Как отмечалось, н.с. дополнительных полюсов должна скомпенсировать в коммутационной зоне поперечную н.с. якоря и, кроме того, создать коммутирующее поле; следовательно, она должна быть равна (на пару полюсов):

F_д = tA + F_к. (5-42)

Здесь н.с, создающая коммутирующее поле,

F_к »1,2·1,6B_кd_д, (5-43)

где коэффициент 1,2 учитывает магнитные напряжения стальных участков магнитной цепи дополнительных полюсов и зубчатость якоря;
d_д, см — воздушный зазор под дополнительным полюсом;
В_к — индукция коммутирующего поля, которая определяется из равенства е_к=е_R, после подстановки в это равенство (5-39) и (5-38), Гс:

В_к = zA. (5-44)