Краткий словарь по электротехнике

Коммутация тока

Коммутация тока — процесс переключения секций машины постоянного тока, поочередно переходящий из одной параллельной ветви в другую, и совокупность явлений, сопровождающих этот процесс. Переключаемая секция замкнута щеткой накоротко и находится вблизи от геометрической нейтрали. ЭДС, наводимая в секции внешним полем полюсов, почти равна нулю. Время, в течение которого совершается переключение и секция замкнута накоротко, составляет тысячные доли секунд и называется периодом коммутации.

Рис. 1. Коммутация якоря
а - начало коммутации; б - коммутация; в - конец коммутации

Рассмотрим процесс коммутации (рис. 1). Секция лежит в пазах 6 и 3. Предположим, что обмотка вращается очень медленно (T≈∞). Ширина щетки равна ширине коллекторной пластины и в расчет принимается сопротивление только переходного слоя r_n = R между щеткой и коллекторной пластиной. Тогда ток I_я от щетки переходит в коллекторную пластину 1 и делится на два равных тока i = 0,5 I_я. В секции, включенной в параллельную ветвь, идущую влево (рис. 1, а), проходит ток i = 0,5 I_я в направлении, обратном движению часовой стрелки.

В момент, когда коллекторная пластина 6 коснется щетки, сила тока I_я - будет делиться по-иному (рис. 1, б). Если, например, через промежуток времени t = 0,1 Т щетка коснется одной десятой контактной поверхности пластины 6, то через нее пройдет ток i₆ = 0,1 I_я, а через пластину 1 — ток i₁ = 0,9 I_я.

Сила тока в параллельных ветвях по-прежнему должна быть неизменна и равна i = 0,5 I_я, если i_я = const. Тогда, имея прежнее направление, сила тока секции i_c = i₁ — I_я = (0,9 — 0,5) I_я = 0,4 I_я, а сила тока другой параллельной ветви i = i₆ + i_c = (0,1 + 0,4) I_я = 0,5 I_я. При t=0,5 Т сила тока секции i_c = 0, а сила тока в параллельных ветвях по-прежнему i_я = 0,5 I_я.

В дальнейшем сила тока секции начнет нарастать в обратном направлении и при t = T (i_c = 0,5 I_я). Секция переключена в другую параллельную ветвь и коммутация закончена (рис. 1, в). Зависимость изменения силы тока i_c от времени (рис. 2) представляет собой прямую линию (в рассмотренном случае коммутация линейная).

Рис. 2. Изменение тока в коммутируемой секции.

На практике время коммутации Т очень мало, ток секции i_c быстро изменяется, и в ней создается эдс самоиндукции e_s. Так как i_c = f(t) представляет собой прямую линию, то e_s = —С (С — постоянная величина). Добавочный ток в секции i_s, вызванный эдс самоиндукции, равен: i_s = e_s / r_n = e_s / (r₁ + r₆) . Суммарный ток (i_s + i_s) переходит через нуль ниже периода T/2 — коммутация называется замедленной.

Плотность тока на сбегающем крае щетки резко увеличивается, вызывая перегрев и ускоренный ее износ, а также искрение между коллектором и сбегающим краем щетки. Так как из-за поперечной реакции якоря индукция под краем полюса увеличивается на 30...50 %, между коллекторными пластинами секции, перемещающейся в зоне повышенной индукции, возникает разность потенциалов, превышающая 25...35 В. Этим напряжением поддерживаются отдельные электрические дуги, которые, сливаясь в ионизированном пространстве вокруг коллектора, образуют мощную дугу, перекрывающую траверсы щеток разной полярности. Возникающий по коллектору круговой огонь приводит к серьезной аварии машины.

Для уменьшения коммутации необходимо уменьшить ток i_s.

Рис. 3. Дополнительный полюс.
а - схема; б - векторная диаграмма

Для улучшения коммутации необходимо уменьшить ток i_s. Одним из способов является применение дополнительных полюсов. В генераторе (рис. 3, а), кроме главных полюсов N и S, имеются два дополнительных n и s, расположенных по геометрической нейтрали и чередующихся в направлении вращения якоря. Обмотка возбуждения дополнительных полюсов соединена последовательно с якорем. В двух секциях, показанных на рис. 3, а кружками, происходит коммутация. Электродвижущая сила машины Е и уменьшающийся ток секции i_с направлены в одну сторону; в эту же сторону направлена эдс самоиндукции e_s, поддерживающая убывающий ток (рис. 3, б). В активных сторонах секции наводится дополнительная эдс коммутации е_к, направление которой встречено Е, а значит, и e_s. Если е_к численно равна e_s, то дополнительный ток секции i_c = (e_s-e_к) / r_n = 0 .

При работе машины в качестве электродвигателя чередованием полюсов с дополнительными по направлению вращения будут N_nS_s. Так как эдс e_s пропорциональна току якоря I_я, то для автоматической компенсации ее при всех нагрузках дополнительные полюсы делаются ненасыщенными.

Тогда эдс е_к ≡ Ф_д.n ≡ I_я. Для проверки коммутации «на глаз» установлены следующие степени искрения на коллекторе: степень 1 — отсутствие искр (темная коммутация); степень 1¼ — слабое точечное искрение под небольшой частью щетки (нет почернения коллектора и нагара на щетках); степень 1½ — слабое искрение под большей частью щетки (появляются следы почернения на коллекторе, легко устраняемые протиранием поверхности коллектора ветошью, смоченной в бензине, а также следы нагара на щетках).