Schalten in Gleichstrommaschinen

Unter Schalten in Gleichstrommaschinen versteht man Phänomene, die durch eine Richtungsänderung des Stroms in den Drähten der Ankerwicklung verursacht werden, wenn diese von einem Parallelzweig zum anderen wechseln, also beim Überqueren der Linie, entlang derer sich die Bürsten befinden ( von das lateinische „commulatio“ – Veränderung). Betrachten wir das Kommutierungsphänomen am Beispiel eines Ringankers.

In Abb. 1 zeigt einen Scan eines Teils der Ankerwicklung bestehend aus vier Drähten, eines Teils des Kollektors (zwei Kollektorplatten) und einer Bürste. Die Drähte 2 und 3 bilden eine geschaltete Schleife, die in Abb. In 1 ist a in der Position dargestellt, die es vor dem Umschalten einnimmt, in Abb. 1, c – nach dem Umschalten und in Abb. 1, b — während der Umschaltperiode. Kollektor und Ankerwicklung drehen sich in Pfeilrichtung mit der Drehzahl n, die Bürste steht still.

Im Moment vor dem Umschalten fließt der Ankerstrom Iya durch die Bürste, die rechte Kollektorplatte, und teilt sich in zwei Hälften zwischen den parallelen Zweigen der Ankerwicklung auf. Die Drähte 1, 2 und 3 sowie Draht 4 bilden verschiedene Parallelzweige.

Nach dem Umschalten wechselten die Drähte 2 und 3 auf einen anderen Parallelzweig und die Stromrichtung in ihnen änderte sich in die entgegengesetzte Richtung. Diese Änderung erfolgte in einer Zeit, die der Schaltperiode Tk entsprach, d. h. in der Zeit, die die Bürste benötigt, um sich von der rechten Platte zur benachbarten linken zu bewegen (eigentlich überlappt die Bürste mehrere Kollektorplatten gleichzeitig, aber im Prinzip hat dies keinen Einfluss auf den Schaltvorgang) ...

Reis. 1. Diagramm des aktuellen Schaltvorgangs

Einer der Momente der Umschaltperiode ist in Abb. dargestellt. 1, geb. Der zu schaltende Stromkreis stellt sich als Kurzschluss zwischen den Kollektorplatten und der Bürste heraus. Da sich während der Kommutierungsperiode die Richtung des Stroms in der Schleife 2-3 ändert, bedeutet dies, dass ein Wechselstrom durch die Schleife fließt und einen magnetischen Wechselfluss erzeugt.

Letzteres induziert E. in der Schaltschleife. usw. v. Selbstinduktion eL oder reaktive e. usw. v. Nach dem Lenzschen Prinzip, z.B. usw. c. Selbstinduktion neigt dazu, den Strom im Draht in der gleichen Richtung zu halten. Daher stimmt die Richtung von eL mit der Richtung des Stroms in der Schleife vor dem Schalten überein.

Unter dem Einfluss von E. etc. c. Selbstinduktion im Kurzschluss 2-3, es fließt ein großer zusätzlicher Strom i, da der Schleifenwiderstand klein ist. Am Kontaktpunkt der Bürste mit der linken Platte ist der Gleichstrom gegen den Ankerstrom gerichtet, und am Kontaktpunkt der Bürste mit der rechten Platte stimmt die Richtung dieser Ströme überein.

Je näher das Ende der Schaltperiode rückt, desto kleiner ist die Kontaktfläche der Bürste mit der rechten Platte und desto höher ist die Stromdichte. Am Ende der Schaltperiode wird der Bürstenkontakt mit der rechten Platte unterbrochen und es entsteht ein Lichtbogen.Je höher die aktuelle ID, desto stärker ist der Lichtbogen.

Befinden sich die Bürsten auf dem geometrischen Neutralleiter, dann induziert der magnetische Fluss des Ankers im geschalteten Stromkreis z. usw. v. Rotation des Hebr. In Abb. 2 zeigt in vergrößertem Maßstab die Leiter der geschalteten Schleife, die sich auf dem geometrischen Neutralleiter befinden, und die Richtung von e. usw. c. Selbstinduktivität eL für den Generator, die mit der Richtung des Ankerstroms in diesem Draht vor dem Umschalten übereinstimmt.

Die Richtung von Heb wird durch die Rechte-Hand-Regel bestimmt und stimmt immer mit der Richtung von eL überein. Dadurch erhöht sich die ID noch mehr. Der entstehende Lichtbogen zwischen Bürste und Kollektorplatte kann die Oberfläche des Kollektors zerstören, was zu einem schlechten Kontakt zwischen Bürste und Kollektor führt.

Reis. 2. Richtung der elektromotorischen Kraft in der Kommutierungsschleife

Um die Schaltbedingungen zu verbessern, werden die Bürsten in physikalische Neutralität geschaltet. Wenn sich die Bürsten auf dem physischen Neutralleiter befinden, kreuzt die enthaltene Spule keinen externen Magnetfluss und z. usw. v. Rotation wird nicht induziert. Wenn Sie die Bürsten über die physikalische Neutralität hinaus bewegen, wie in Abb. 3, dann induziert der resultierende magnetische Fluss in der Schaltschleife z. usw. mit ek, dessen Richtung der Richtung von e entgegengesetzt ist. usw. v. Selbstinduktion eL.

Auf diese Weise wird nicht nur e.V. entschädigt. usw. v. Rotation, aber auch e. ​​usw. v. Selbstinduktion (teilweise oder vollständig). Wie bereits erwähnt, ändert sich der Scherwinkel des physikalischen Neutralleiters ständig, weshalb die Bürsten normalerweise in einem durchschnittlichen Winkel dazu versetzt montiert werden.

Reduzierung von e. usw. mitin der eingeschlossenen Schleife führt zu einer Verringerung der Stromstärke und einer Abschwächung der elektrischen Entladung zwischen der Bürste und der Kollektorplatte.

Durch den Einbau zusätzlicher Pole (Ndp und Sdn in Abb. 4) besteht die Möglichkeit, die Schaltbedingungen zu verbessern. Der zusätzliche Pol befindet sich entlang des geometrischen Neutralleiters. Bei Generatoren befindet sich der gleichnamige Zusatzpol in Drehrichtung des Ankers hinter dem Hauptpol, beim Motor umgekehrt. Die Wicklungen der Zusatzpole sind so in Reihe mit der Ankerwicklung geschaltet, dass der von ihnen erzeugte Fluss Fdp auf den Ankerfluss Fya gerichtet ist.

Reis. 3. Die Richtung der elektromotorischen Kraft in der Schaltschleife, wenn die Bürsten über den physischen Neutralpunkt hinaus bewegt werden

Reis. 4. Schaltplan der Wicklungen der Zusatzpole

Da beide Flüsse durch einen einzigen Strom (Ankerstrom) erzeugt werden, ist es möglich, die Anzahl der Windungen der Wicklung der zusätzlichen Pole und den Luftspalt zwischen ihnen und dem Anker so zu wählen, dass die Flüsse an jedem Anker den gleichen Wert haben aktuell. Der Hilfspolfluss kompensiert immer den Ankerfluss und somit z. usw. v. Es findet keine Rotation in der geschalteten Schleife statt.

Die zusätzlichen Pole werden normalerweise so hergestellt, dass ihr Fluss im geschalteten Stromkreis E induziert. D. s gleich der Summe eL + Heb. Dann entsteht im Moment der Trennung der Bürste von der rechten Kollektorplatte (siehe Abb. 1, c) kein Lichtbogen.

Industrielle Gleichstrommaschinen mit einer Leistung von 1 kW und mehr sind mit Zusatzpolen ausgestattet.