§ 3.3. Коммутация тока

В процессе работы электрической машины постоянного тока щетки, скользя по поверхности вращающегося коллектора, последовательно «переходят» с одной коллекторной пластины на другую. При этом происходит переключение секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую и изменение тока в них. В то время, когда щетка соприкасается одновременно с поверхностями соседних коллекторных пластин, переключаемая секция замыкается накоротко. Такая короткозамкнутая секция называется коммутирующей секцией.

Процесс переключения секции из одной параллельной ветви обмотки в другую и совокупность явлений, связанных с изменением тока в коммутирующей секции, называется коммутацией.

Коммутационный процесс, протекающий под влиянием весьма разнообразных факторов, достаточно сложен, и ниже дается лишь общее понятие о нем.

На рис. 3.5 схематически показан процесс переключения секции. Чтобы не усложнять пояснения, будем считать: 1) ширина щетки равна ширине коллекторной пластины и полностью ее покрывает толщиной изоляции между коллекторными пластинами пренебрегаем); 2) в связи с тем, что сопротивление самой секции и соединительных проводников в сравнении с величиной переходного

сопротивления (между контактными поверхностями щетки и пластины) незначительно, им пренебрегаем.

На рис. 3.5, а щетка по всей поверхности соприкасается с коллекторной пластиной 1. При этом во внешней цепи до разветвления в точке а ток ,в параллельных ветвях токи . В коммутирующей секции перед началом периода коммутации ток.

Началом коммутационного процесса считается момент, когда набегающий край щетки коснется края соседней коллекторной пластины 2. Конец коммутации наступит в момент разрыва электрического контакта между сбегающим краем щетки и пластиной. Время, в течение которого длится процесс коммутации, называется периодом коммутации Т.

После окончания процесса коммутации щетка полностью перейдет на коллекторную пластину 2 (рис. 3.5, в). Теперь ток во внешней цепи по-прежнему будет равен однако ток в коммутирующей секции, перешедший из одной параллельной ветви в другую, после завершения периода коммутации будет уже иметь другое направление, т. е. . Таким образом за время Т ток в коммутирующей секции изменился от до , т. е. на .

На рис. 3.5, б показан промежуточный момент процесса коммутации, когда щетка соприкасается одновременно с обеими коллекторными пластинами, покрывая равные площади поверхности пластин.

Если исходить из того, что изменение тока в коммутирующей секции зависит только от величин переходного сопротивления и под щетками, то можно написать уравнение

,

откуда

Исходя из рис. 3.5, г, составленного для условий ,, получаем и .

Тогда

. (3.2)

Сопротивления под щетками иобратно пропорциональны площадям соприкосновения щетки с коллекторной пластиной:

.

Площади поверхности соприкосновения пропорциональны: — времениот начала периода коммутации,— времениТ — t, остающемуся до конца коммутации. Тогда можно написать

,

Отсюда уравнение (3.2) примет вид

.

Решая это уравнение относительно i, получаем

. (3.3)

Из уравнения (3.3) следует, что ток в коммутирующей секции имеет линейную зависимость от времени, которая выражается прямой линией, и такая коммутация тока называется прямолинейной. При прямолинейной коммутации плотности тока под набегающим и сбегающим краями щетки равны.

Рассмотренный пример может иметь место лишь в том случае, если в коммутирующей секции отсутствует э. д. с.

В действительности при вращении якоря с некоторой конечной скоростью в коммутирующей секции наводятся: э. д. с. самоиндукции , э. д. с. взаимоиндукции , коммутирующая э. д. с. .

Э. д. с. самоиндукции возникает в коммутирующей секции вследствие изменения в ней тока как по величине, так и по направлению. Возникновение э. д. с. взаимоиндукции обусловливается тем, что щетка может перекрывать несколько коллекторных пластин и одновременно коммутировать несколько соседних секций, которые и будут наводить в коммутирующей секции . Обе э. д. с., самоиндукции и взаимоиндукции , по своей природе носят реактивный характер и препятствуют изменениям тока в коммутирующей секции. В результате ток i будет достигать нулевого значения позже, чем при прямолинейной коммутации и коммутация будет иметь криволинейный замедленный характер. При замедленной коммутации плотность тока под сбегающим краем щетки возрастает, что может быть причиной искрения.

Коммутирующая э. д. с. наводится внешним полем, которое чаще всего создается с помощью добавочных полюсов. Обычно полярность поля задается такой, чтобы направление действия было противоположным действию реактивной э. д. с. .

В этом случае уравнение коммутирующего контура будет иметь следующий вид: .

В результате алгебраического сложения обеих э. д. с. возникнет добавочный ток коммутации

, (3.4)

где — сопротивление коммутирующего контура.

Ток накладывается на ток прямолинейной коммутации и вызывает его изменение.

Если коммутирующая э. д. с. будет меньше реактивных э. д. с. (), то коммутация сохранит криволинейный замедленный характер.

Если коммутирующая э. д. с. будет больше реактивных э. д. с. (), то процесс изменения тока ускоряется, и коммутация будет носить ускоренный криволинейный характер. В этом случае плотность тока под сбегающим краем щетки будет меньше, чем под набегающим.

При равенстве коммутирующей и реактивных э. д. с. () процесс коммутации приобретает безындукционный характер и определяется исключительно активными сопротивлениями контура. Такой процесс практически протекает без искрения.