Коммутация

Коммутацией с электрических машинах называется процесс, связанный с изменением направления тока в секциях обмотки, при переключении их из одной параллельной ветви в другую. Этот процесс сопровождается появлением ЭДС, вызывающих искрение между щетками и коллектором.

Секция, в которой происходит коммутация, называется коммутирующей, а продолжительность процесса коммутации – периодом коммутации: , где – соответственно число пластин коллектора, скорость вращения, ширина щетки и ширина пластины коллектора.

На рисунке 1 схематически показано переключение секции обмотки из одной ветви в другую при ширине щетки равной ширине коллекторной пластины. Движения якоря происходит справа налево. В положении (а) ток якоря протекает через щетку и пластину 1 и далее разделяется на параллельные ветви, в одну из которых включена секция 1, а в другую (правую) – коммутирующая секция 2. Затем щетка замыкает накоротко пластины коллектора 1 и 2 и коммутирующую секцию 2 (рис. (б)), а в следующий момент сбегает со щетки 1, размыкая секцию 2 и включая ее в левую параллельную ветвь. В результате перехода коммутирующей секции из правой ветви в левую ток в ней изменяется от до .

В замкнутой накоротко щеткой коммутирующей секции обмотки действуют несколько ЭДС, вызывающих ток . Основными из них являются ЭДС самоиндукции и ЭДС вращения или ЭДС поля реакции якоря , где – соответственно индуктивность поперечного поля в зоне коммутации, число витков коммутирующей секции, активная длина проводников секции и линейная скорость паза якоря.

ЭДС самоиндукции по своей природе препятствует изменению тока коммутирующей секции и может быть весьма значительной, т.к. период коммутации составляет с.

ЭДС вращения наводится в секции в результате пересечения ею поперечного магнитного поля, создаваемого реакцией якоря и дополнительными полюсами. Поле реакции якоря создает ЭДС всегда направленную согласно с ЭДС самоиндукции и усиливает ее действие. Дополнительные полюсы устанавливают в машине для компенсации поля реакции якоря. С их помощью можно полностью компенсировать, недокомпенсировать или перекомпенсировать это поле. ЭДС вращения в этих случаях будет соответственно нулевой, отрицательной или положительной.

Таким образом, в коммутирующей секции в общем случае действует суммарная ЭДС .

В случае ток в секции изменяется по линейному закону (кривая 1 рис.2) и в момент схода щетки с пластины коллектора искрения не наблюдается. Это эквивалентно размыканию электрической цепи с чисто активным сопротивлением.

Если , что соответствует отсутствию дополнительных полюсов в машине или неполной компенсации поля якоря, коммутация происходит замедленно (кривая 2 рис. 2) и в момент схода щетки с пластины коллектора в магнитном поле коммутирующей секции еще имеется большой запас энергии рассеиваемой в виде искры на сбегающем краю щетки. Размыкание происходит по типу размыкания цепи, содержащей индуктивность. Мощность искры зависит от величины тока нагрузки.

Подбором параметров обмотки и формы дополнительных полюсов можно создать условия, когда . При этом изменение тока в секции происходит по кривой 3. Такая коммутация называется ускоренной и процессы при размыкании эквивалентны цепи с емкостью. Можно выбрать параметры потока дополнительных полюсов так, чтобы плотность тока под сбегающим краем щетки была минимальной или даже нулевой. Тогда искрение на этом краю будет отсутствовать. Однако при ускоренной коммутации наблюдается склонность к искрообразованию на набегающем краю щетки в виде искры пробоя.

Искрообразование в процессе коммутации приводит к сложным электрохимическим процессам, вызывающим эрозию и ускоренный износ щеток и коллектора. Ухудшение контакта между щетками и коллектором вследствие эрозии вызывает также снижение энергетических показателей двигателей. В ответственных приводах с двигателями постоянного тока предусматриваются периодические регламентные работы. Для этого двигатель разбирают, заменяют щетки и шлифуют коллектор.

Основным средством улучшения коммутации являются дополнительные полюсы, магнитное поле которых подбирается таким образом, чтобы коммутация была линейной или слабо усукоренной. Дополнительные полюсы устанавливают практически во все машины мощностью выше 1 кВт.

В машинах меньшей мощности коммутацию настраивают установкой щеток за физическую нейтраль, смещая их у двигателей против направления вращения, а у генераторов – по направлению вращения якоря. При этом избыточный сдвиг за физическую нейтраль будет создавать в коммутирующих секциях ЭДС, аналогичную ЭДС дополнительных полюсов. Практически это осуществляют под нагрузкой поворотом щеточного узла до положения, при котором искрение минимально. Однако этот способ малоэффективен, т.к. настройка возможна только одного какого-либо режима работы.