Особенности эксплуатации авиационных электрических машин постоянного тока

Причины искрообразования могут быть механическими и электрическими. Механическая причина искрения — это ухудшение контакта между коллектором и щетками, что может быть следствием неровности коллектора, дрожания щеток и т. п.

Неудовлетворительная коммутация является электрической причиной ис­крения. Коммутацией в электрических машинах называется вся совокупность явлений при изменении направления тока в секциях обмотки якоря во вре­мя замыкания щетками этих секций накоротко.

В то время как пластины коллек­тора, к которым присоединены концы секций, замкнуты щеткой накоротко, секция переходит из одной параллельной ветви обмотки в другую. Сущность процесса коммутации рассморим на простей­шем примере петлевой обмотки якоря (рис. 3). Время, в течение которого секция обмотки вращающегося якоря замкнута щеткой накоротко, называется периодом коммутации Т. За это время ток в секции должен измениться от значения + I до зна­чения - I, т. е. на 2I. Чем быстрее вращается якорь и чем меньше ширина щетки b_щ, тем меньше период коммутации:

T=b_щ /v_к, (7.5)
где v_к — окружная скорость коллектора.

Если бы в коммутируемой секции не индуктировалась никакая ЭДС, то ход процесса коммутации тока в секции определялся бы только соотношениями переход­ных сопротивлений контактов щетки с двумя пластинами коллектора. Одна из этих пластин постепенно уходит из-под щетки, а вторая входит под щетку. Для упроще­нии рассуждений будем считать, что ширина щетки не больше ширины одной коллек­торной пластины, и пренебрежем небольшими по сравнению с переходным сопротив­лением r_щ контакта щетки и коллектора сопротивлениями проводников, соединя­ющих обмотку якоря с коллектором, и самой секции. Во время коммутации щетка касается двух пластин коллектора сразу и образует с ними два переходных сопро­тивления; каждое из них больше, чем r_щ, так как площадь соприкосновения щетки с пластиной меньше, чем в том случае, когда щетка стоит на одной пластине, а пере­ходное сопротивление обратно пропорционально площади контакта. Следовательно, переходное сопротивление r₁ контакта с пластиной, уходящей из-под щетки, должно возрастать во время коммутации, достигая бесконечности в конце периода комму­тации. Обозначив через t время, протекающее с момента начала коммутации, получим

r₁ = r_щ T/(T-t).

В то же время переходное сопротивление контакта второй пластины уменьшается

r₂ = r_щ T/t.

Ток I щетки должен распределиться между двумя пластинами коллектора обратно пропорционально их переходным сопротивлениям

i₁ /i₂ = r₂ /r₁ = (T – t)/t.

Согласно первому закону Кирхгофа ток коммутируемой секции

i = i₁ – I,

а ток внешней цепи во время коммутации складывается из токов в двух переходных контактах щетки: 2 I = i₁ + i₂,

следовательно,

2I = i₁ T/(T-t); i₁ = 2I(T – t)/ T,

а ток в коммутируемой секции

i = 2I(T – t)/T – I= I(T-2t)/T.

В начальный момент при t = 0 этот ток i = I, а в конце коммутации при t = Т он будет i = - I.

Ток I является током лишь одной параллельной ветви обмотки якоря; в общем случае при 2а параллельных ветвях ток якоря I_я = 2аI, следовательно, ток в комму­тируемой секции равен:

Это выражение показывает, что при рассматриваемых идеальных условиях ток в коммутируемой секции является линейной функцией времени (рис. 4, а).

Такая коммутация называется прямолинейной или равномерной. В этом идеаль­ном случае плотность тока под всей щеткой одинакова и неизменна во все время коммутации, благодаря чему отсутствуют коммутационные причины искрения.

Был рассмотрен простейший случай, когда ширина щетки b_щ не больше ширины коллекторной пластины. В действительности щетка всегда перекрывает несколько коллекторных пластин, но это обстоятельство не изменяет линейный характер процесса коммутации при отсутствии в коммутируемой секции индуктированных ЭДС.

Однако в реальных условиях неизбежно возникновение ЭДС самоиндукции и коммутируемой секции; витки секции лежат в пазах ферромагнитного тела — сердечника якоря, следовательно, секция обладает заметной индуктивностью L, поэтому изменение тока при коммутации должно индуктировать в секции некоторую МДС самоиндукции e_L. К этой ЭДС добавляется еще ЭДС взаимной индукции е_М, индуктируемая изменениями тока в соседних секциях, коммутируемых одновременно.

Обе эти ЭДС согласно принципу Ленца противодействуют изменению тока в секции, задерживают этио изменение. Принято называть результирующую ЭДС, индуктируе­мую изменениями тока, реактивной ЭДС:

e_p = e_L + e_M.

Ее можно выразить как ЭДС самоиндукции через некоторую индуктивность секции L_c и изменение тока во времени:

e_p = - L_c di/dt.

Реактивная ЭДС задерживает изменение тока (рис. 4, б) и делает коммута­цию замедленной в течение большей части периода, но к концу периода, когда ухо­дящая пластина выйдет из-под щетки, ток в секции принудительно примет значение (- I_я /2а). Следовательно, в конце периода неизбежно ускоренное изменение тока в секции, что вызывает увеличение реактивной ЭДС. Одновременно плотность тока под щеткой стано­вится неравномерной. Она сильно возрастает у края пластины, кото­рая выходит из-под щетки, а это может вызывать сильное нагревание краев щетки и пластины коллекто­ра. Обе эти причины могут обус­ловить искрение — возникновение миниатюрных электрических дуг под щеткой со стороны уходящей пластины коллектора.

Рис. 4

Для того чтобы уничтожить или хотя бы ослабить вредное действие реактивной ЭДС, необходимо противопоставить ей вторую индуктируемую ЭДС, называемую коммутирующей ЭДС е_к. Таким образом, условие идеальной коммутации:

e_p = - e_к = 0.

Коммутирующая ЭДС создается посредством движения витков коммутируемой секции во внешнем магнитном поле. В большинстве случаев е_к индуктируется маг­нитным полем дополнительных полюсов машины Ф_Д.П следовательно

.

При изменениях нагрузки машины изменяется реактивная ЭДС, пропорцио­нальная току якоря, но одновременно в такой же мере изменяется и коммутирующая ЭДС, так как обмотка дополнительных полюсов соединена последовательно с якорем. Таким образом, при изменениях нагрузки не нарушается взаимная компенсация е_р и е_к.

Усилив надлежащим образом поле дополнительных полюсов путем увеличения числа витков их обмотки, можно сделать е_к > е_р, что обусловит ускоренную комму­тацию. Она осуществляется в машинах, предназначенных для особо тяжелых усло­вий работы, например частого реверсирования.

В машинах малой мощности для создания коммутирующего магнитного поля вместо дополнительных полюсов применяется сдвиг щеток с геометрической нейтрали. При таком сдвиге в коммутируемой секции ЭДС е_к индуктируется главным магнит­ным полем, причем в генераторе щетки должны быть сдвинуты по направлению вра­щения якоря, а в двигателе — против направления вращения (см. рис. 4, в).

Особо опасный случай неблагоприятной коммутации представляет собой круго­вой огонь по коллектору. Это мощная электрическая дуга, замыкающаяся непосред­ственно по коллектору или даже перекидывающаяся на станину машины, при этом машина может тяжело пострадать. Круговой огонь возникает при резком изменении тока в коммутируемой секции обмотки якоря, что вызывает увеличение реактивной ЭДС, а последняя создает мощную дугу между щеткой и краем уходящей пластины. Эта дуга не гаснет и растягивается вследствие вращения коллектора; в результате непосредственно на коллекторе машины возникает короткое замыкание, разрушающее коллектор и щетки.

Дата добавления: 2014-01-14