§2. Физическая сущность коммутации и ее влияние на работу машины.

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 Т_к. 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;

в_щ– ширина щетки;

в_к– 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 (в_щ= в_к).

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 i₁иi₂в пластинах 1 и 2 обратно пропорциональны переходным сопротивлениямr_щ1(между щеткой и сбегающей пластиной 1) иr_щ2(между щеткой и набегающей пластиной 2).

Что же касается тока в коммутирующей секции I, то он равен разности токовi₁иi₂.

По мере того, как пластина 1 теряет контакт со щеткой, возрастает величина r_щ1и поэтому уменьшается токi₁. Одновременно щетка переходит на пластину 2, при этом сопротивлениеr_щ2уменьшается и токi₂увеличивается. Когда же контактная поверхность щетки равномерно перекрывает обе коллекторные пластиныr_щ1=r_щ1(рис.1б), ток в коммутирующей секции становится равным нулю, т.к.i₁=i₂илиi₁-i₂=0. В конце процесса коммутации щетка полностью переходит на пластину 2 (рис.1в), а ток в коммутирующей секцииiвновь 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 –iдо –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^-5с. При таком быстром изменении тока в коммутирующей секции возникает значительная э.д.с. самоиндукции

,

где L_s– 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 (в_щ> в_к) 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.

e_p=e_L+e_M,

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 В_к, под действием которой в коммутирующей секции наводится э.д.с. внешнего поля.

,

где l– длина активных сторон секции;

V– линейная скорость движения секции;

ω_S– число витков в секции.

Таким образом, в коммутирующей секции наводятся э.д.с.

∑е=е_р+е_к

Если машина не имеет добавочных полюсов, то э.д.с. е_ри е_кнаправлены согласованно и создают в коммутирующей секции добавочный ток коммутацииi_ктакого же направления, что и рабочий ток этой секцииIв начальный период коммутации. Такое взаимодействие токовi_киi 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 i_к, 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.