При вращении якоря машины постоянного тока коллекторные пластины поочередно вступают в соприкосновение со щетками. При этом переход щетки с одной пластины на другую сопровождается переключением секции обмотки из одной параллельной ветви в другую и изменением тока в этой секции.
Процесс изменения тока в секциях при переключении их из одной параллельной ветви в другую называется коммутацией. Секция, в которой происходит коммутация, называется коммутирующей секцией, а время, в течение которого происходит процесс коммутации, называется периодом коммутации Тк. Величина периода коммутации определяется отрезком времени, начиная с момента, когда коллекторная пластина вступает в соприкосновение со щеткой, и кончая моментом, когда пластина полностью выходит из соприкосновения с этой щеткой.
,
где k – число коллекторных пластин;
n – скорость вращения якоря;
вщ – ширина щетки;
вк – расстояние между серединами соседних коллекторных пластин (коллекторное деление).
Рассмотрим процесс коммутации при условии:
1. щетки расположены на геометрической нейтрали;
2. в коммутирующей секции в течение всего периода коммутации не индуктируются электродвижущие силы;
3. ширину щетки примем равной коллекторному делению (вщ= вк).
В начальный момент коммутации (рис.1а) контактная поверхность щетки касается только пластины 1, а секция 1 (коммутирующая секция) относится к левой параллельной ветви обмотки и ток в ней i= 
.
Затем пластина 1 постепенно сбегает со щетки и на смену ей набегает пластина 2. В результате коммутирующая секция оказывается замкнутой щеткой, и ток в ней постепенно уменьшается. Объясняется это тем, что токи i1 и i2 в пластинах 1 и 2 обратно пропорциональны переходным сопротивлениям rщ1 (между щеткой и сбегающей пластиной 1) и rщ2 (между щеткой и набегающей пластиной 2).
Что же касается тока в коммутирующей секции I, то он равен разности токов i1 и i2.
По мере того, как пластина 1 теряет контакт со щеткой, возрастает величина rщ1 и поэтому уменьшается ток i1. Одновременно щетка переходит на пластину 2, при этом сопротивление rщ2 уменьшается и ток i2 увеличивается. Когда же контактная поверхность щетки равномерно перекрывает обе коллекторные пластины rщ1= rщ1 (рис.1б), ток в коммутирующей секции становится равным нулю, т.к. i1=i2 или i1-i2=0. В конце процесса коммутации щетка полностью переходит на пластину 2 (рис.1в), а ток в коммутирующей секции i вновь достигает величины. Однако, по направлению этот ток противоположен току в начале коммутации, а сама коммутирующая секция теперь оказалась в правой параллельной ветви обмотки якоря.
Таким образом, за период коммутации ток в коммутирующей секции изменяется от –i до –i, а график изменения тока представляет собой прямую линию. Такую коммутацию называют прямолинейной, или идеальной.
Прямолинейная коммутация является наиболее желательным видом коммутации, т.к. она не вызывает в машине никаких вредных последствий. Плотность тока под щеткой в течение всего периода коммутации остается неизменной. Объясняется это тем, что при прямолинейной коммутации величина тока в контакте щетка - коллекторная пластина изменяется пропорционально изменению площади этого контакта.
Однако в реальных условиях работы машин постоянного тока процесс коммутации протекает значительно сложнее. Дело в том, что период коммутации обычно весьма мал и приблизительно составляет 10-4... 10-5 с. При таком быстром изменении тока в коммутирующей секции возникает значительная э.д.с. самоиндукции
,
где Ls – индуктивность секции;
i – ток в коммутирующей секции.
Обычно в пазу якоря (каждом пазу) находятся несколько активных сторон (не менее двух), принадлежащих разным секциям. При этом все эти секции одновременно находятся в состоянии коммутации будучи замкнутыми разными щетками (см.рисунок).
При этом следует учесть, что обычно ширина щетки больше коллекторного деления (вщ> вк) и каждая щетка замыкает одновременно несколько секций.
Так как активные стороны коммутирующих секций лежат в одних пазах, то изменяющийся магнитный поток каждой из этих сторон наводит в других э.д.с. взаимоиндукции.
,
где - взаимная индуктивность одновременно коммутирующих секций.
Отсюда обе э.д.с. создают в коммутирующей секции результирующую э.д.с. ep=eL+eM, которая препятствует изменению тока в коммутирующей секции и поэтому называется реактивной. Кроме того, под влиянием реакции якоря магнитная индукция в зоне коммутации (на геометрической нейтрали) приобретает некоторое значение Вк, под действием которой в коммутирующей секции наводится э.д.с. внешнего поля.
,
где l – длина активных сторон секции;
V – линейная скорость движения секции;
ωS – число витков в секции.
Таким образом, в коммутирующей секции наводятся э.д.с. ∑е=ер+ек
Если машина не имеет добавочных полюсов, то э.д.с. ер и ек направлены согласованно и создают в коммутирующей секции добавочный ток коммутации iк такого же направления, что и рабочий ток этой секции I в начальный период коммутации. Такое взаимодействие токов iк и i приводит к тому, что изменение тока в коммутирующей секции задерживается.
Замедляющее действие тока коммутации объясняется тем, что этот ток создается, главным образом, реактивной э.д.с., которая, как известно, своим действием препятствует изменению тока в электрической цепи. Поэтому в момент равномерного перекрытия щеткой пластин 1 и 2 ток в коммутирующей секции не достигает нулевого значения, как это происходит при идеальной коммутации. Ток в коммутирующей секции достигает нулевого значения во втором полупериоде коммутации, т.е. коммутация становится криволинейно замедленной.
Добавочный ток коммутации iк, замыкаясь в коммутирующей секции, проходит через щеточный контакт.
Рис. Распределение плотности тока в контакте щетки при замедленной коммутации.
Это приводит к тому, что плотность тока под набегающим краем щетки уменьшается, а под сбегающим – увеличивается, достигая к концу периода коммутации значительной величины. При значительных нагрузках машины плотность тока под сбегающим краем щетки может достигнуть недопустимо больших значений, вызвать перегрев щетки и явится причиной искрения.
§3. Способы улучшения коммутации.
Итак, основной причиной неудовлетворительной коммутации в машинах постоянного тока является добавочный ток коммутации. Улучшить коммутацию можно за счет:
· увеличения щеточного контакта, зависящего от технических данных щеток (целесообразно использовать твердые щетки – угольно-графитные, графитные и электрографитированные), обеспечивает наибольшую величину переходного сопротивления. Однако у них мала допускаемая плотность тока, что ведет к повышению щеточного контакта (применяются в машинах с высоким напряжением).
Обычно используются графитные щетки, с тем условием коммутации –
1. Угольно-графитные, а в машинах пониженного напряжения (до 30 В) – медно- или бронзо-графитные.
2. Целесообразно применять щетки шириной в 2-3 коллекторных деления (это повышает э.д.с. взаимоиндукции, но упрочняет щетки).
3. Заметное влияние на величину ер (реактивной э.д.с.) оказывает тип обмотки якоря.
Если обмотка с укороченным шагом, то еМ уменьшается (э.д.с. взаимоиндукции). Результирующая э.д.с. ер уменьшается уменьшением индуктивности секций LS, следовательно, уменьшением числа витков секции. LS=, а также выполнением пазов якоря открытыми и неглубокими.
Величина ер может быть значительно уменьшена или даже полностью устранена, если создать в зоне коммутации магнитную индукцию такой величины и знака, чтобы в коммутирующих секциях индуктировалась э.д.с. внешнего поля ек равная по величине и противоположно направленная ер. В этом случае суммарная э.д.с. в коммутирующей секции станет равной нулю, и коммутация будет прямолинейна.
Для создания требуемой магнитной индукции в зоне коммутации в машинах мощностью более 0,3 кВт применяют добавочные полюса, располагая их между главными.
Намагничивающая сила дополнительных полюсов должна быть направлена против намагничивающей силы реакции якоря Faq, чтобы скомпенсировать ее и создать сверх того коммутирующее поле для компенсации реактивной э.д.с. ер.
Правило.
За главным полюсом данной полярности по направлению вращения якоря в режиме генератора должен следовать добавочный полюс противоположной полярности, а в режиме двигателя – дополнительный полюс той же полярности.
Обычно намагничивающая сила добавочных полюсов на 15... 30% больше намагничивающей силы якоря.
Если величину намагничивающей силы добавочных полюсов сделать больше указанной, то ек становится больше ер и в коммутирующей секции появляется ток коммутации iк, направленный противоположно рабочему току секции i= в начальный период коммутации.
В этом случае коммутация становится криволинейно ускоренной. При этом плотность тока увеличивается под набегающим краем щетки.
Добавочные полюса обеспечивают удовлетворительную коммутацию в машине только в пределах номинальной нагрузки (Iн). При перегрузках машины происходит насыщение магнитной цепи добавочных полюсов, из-за чего коммутация становится опять замедленной, т.к. ер изменяется пропорционально току нагрузки Iа, а повышение ек задерживается из-за насыщения магнитной цепи.
Насыщению магнитной цепи способствует магнитный поток рассеяния. Чтобы этого не было делают прокладки в добавочном полюсе (между ним и станиной), разбивая ФS на две части.
Сдвиг щеток применяется в машинах мощностью менее 0,3 кВт, т.к. они выполняются без добавочных полюсов.
Правило:
· в генераторе щетки поворачивают в сторону вращения генератора;
· в двигателе щетки поворачивают против вращения якоря.
