В эксплуатации может наблюдаться искрение значительно большей интенсивности, поскольку машина работает в форсированных режимах (при перегрузках или повышенной частоте вращения). Повышенное искрение щеток может вызываться и другими особенностями эксплуатации: вибрацией и ударами машины, работой на высоте более 1000 м над уровнем моря, работой в запыленных помещениях или в агрессивной среде и т.д. Поэтому технические требования, предъявляемые к разработке машин постоянного тока, должны обязательно учитывать условия их будущей эксплуатации.

Основное уравнение коммутации.

При вращении якоря секции его обмотки переходят из одной параллельной ветви в другую, вследствие чего в них изменяется направление тока (рис. 2.29, а). Большую часть времени ток секции равен току параллельной ветви ia = Ia/(2a). Изменение направления тока в секции происходит за период времени Тк, в течение которого соединенные с секцией коллекторные пластины соприкасаются со щеткой (рис. 2.29, б). Время Тк, в течение которого секция оказывается замкнутой накоротко щеткой, называют периодом коммутации; секции, в которых изменяется ток, называют коммутируемыми.

Период коммутации

(2.16)

где bщ–ширина щетки; vк–окружная скорость коллектора.

Рис. 2.29 – Направление тока в параллельных ветвях обмотки якорк (а) и график изменения тока в секции (б)

В современных машинах Тк – 0,001 ÷ 0,0001с, вследствие чего средняя скорость изменения тока в секции (di/dt)cp – 2iа/Tк очень велика. Следовательно, в секции может индуктироваться большая э.д.с. само- и взаимоиндукции, называемая реактивной э.д.с:

, (2.17)

где Lp–результирующая индуктивность секции, определяющая величину реактивной э.д.с.

Название «реактивная» обусловлено тем, что согласно правилу Ленца эта э.д.с. препятствует изменению тока – замедляет его.

Помимо реактивной э.д.с. в коммутируемой секции индуктируется также э.д.с. вращения ек, создаваемая внешним магнитным полем и называемая коммутирующей:

, (2.18)

где Вк–индукция в воздушном зазоре, в зонах, где перемещаются коммутируемые секции.

Индукция Вк может создаваться м. д. с. главных полюсов и реакции якоря, а также м. д. с. добавочных полюсов, которые устанавливают в машинах постоянного тока с целью улучшения процесса коммутации.

Установим закон изменения тока в секции в период коммутации, полагая для простоты, что ширина щетки равна ширине коллекторной пластины. На рис. 2.30 показаны три основных этапа коммутации. В первый момент времени (рис. 2.30, а) ток i в коммутируемой секции, присоединенной к пластинам 1 и 2, равен ia и направлен от пластины 2 к пластине 1. Ток щетки 2ia проходит целиком через пластину 1, т.е. i1 = 2iα и i2= 0. В промежуточном положении (рис. 2.30, б) одна часть тока щетки 2ia проходит по-прежнему через пластину 1, а другая часть – через пластину 2, причем i1 + i2 = 2iа. К концу периода коммутации (рис. 2.30, в) пластина 1 выходит из-под щетки и ток, проходящий через нее, становится равным нулю. При этом ток щетки 2ia проходит через пластину 2, т.е. i2 = 2ia и i1 = 0, а ток i в коммутируемой секции изменяет свое направление по сравнению с током в начальный момент коммутации.

Рис. 2.30 – Распределение тока в коммутируемой секции в различные моменты коммутации

Для контура коммутируемой секции, замкнутой щеткой (рис. 2.30, б), можно написать уравнение

, (2.19)

где i1 и i2–мгновенные значения токов, проходящих через пластины 1 и 2; i-ток в коммутируемой секции; r1 и r2–сопротивления переходного контакта между щеткой и коллекторными пластинами: сбегающей 1 и набегающей 2; rс–сопротивление секции.

Поскольку сопротивление секции всегда значительно меньше сопротивлений щеточного контакта, влияние сопротивления rс на процесс коммутации весьма незначительно и им можно пренебречь. Тогда из (2.19) получим

. (2.19а)

Это уравнение называют основным уравнением коммутации. Оно является нелинейным дифференциальным уравнением с переменными коэффициентами, так как э.д.с. ер пропорциональна di/dt; э.д.с. ек является функцией Вк, сопротивления rх· и r2 являются функциями времени, а также плотности тока в щеточном контакте и скорости ее изменения, т.е. зависят от тока i и его производной.