Сущность процесса коммутации

При вращении якоря щетки машины переходят с одной коллекторной пластины на другую, замыкая на короткий промежуток времени секции, соединенные с этими коллекторными пластинами. Происходит процесс переключения этих секции из одной параллельной ветви обмотки якоря в другую. Этот процесс и все явления, возникающие в короткозамкнутых секциях при этом, называют коммутацией.

Рассмотрим явления, происходящие в короткозамкнутой секции при переходе щетки с одной коллекторной пластины на другую, когда э. д. с. в этой секции равна нулю.

На рисунке 23, а показано положение щетки на первой коллектор­ной пластине. Если ток в одной параллельной ветви обозначить через i_я, то к щетке поступает ток 2i_я так как от коллекторной пластины отходят две параллельные ветви.

Рис. 23. Изменение тока в короткозамкнутой секции за период коммутации, если сумма э.д.с. в ней равна нулю: а) положение секции до начала коммутации; б) положение секции в середине периода коммутации; в) положение секции в конце периода коммутации

Если щетка расположена на двух коллекторных пластинах так, что изоляционная прослойка между ними приходится на середину щетки, то ток в короткозамкнутой секции равен нулю (рис. 23, б). Когда щетка перейдет на вторую коллекторную пластину, ток в сек­ции, замыкавшейся накоротко щеткой, изменит свое направление на противоположное (рис. 23, в). Таким образом, за время коммутации ток в короткозамкнутой секции изменяется но направлению и вет­чине от + i_я до - i_я.

При изменении тока в короткозамкнутой секции происходит из­менение магнитного потока вокруг проводов секции, вследствие чего в витках этой секции наводится э. д. с. самоиндукции, а при изменении тока и магнитного потока в соседних витках в ней возни­кает э. д. с. взаимной индукции, если ширина щетки больше ширины коллекторной пластины.

Результирующую э. д. с. самоиндукции и взаимоиндукции назы­вают реактивной э. д. с. и обозначают как е_р. По правилу Ленца реактивная э. д. с. противодействует изменению тока в короткозамк­нутой секции. Э. д. с, индуктируемую ввитках обмотки якоря вследствие пересечения этими витками магнитного поля машины, называют коммутирующей э.д.с. и обозначают е_к.

Допустим, что сумма э. д. с. в короткозамкнутой секции равна нулю. Прене­брегаем сопротивлением сек­ции и соединительных проводников между секцией и коллекторными пластинами. Ширину щетки принимаем равной ширине коллекторной пластины. Сопротивления пе­реходных контактов между щеткой и коллекторными пластинами обозначим как r₁ и r₂, (рис. 24, а).

Рис. 24. Прямолинейная коммутация: а) направление тока в короткозамкнутой секции; б) график изменения тока в короткозамкнутой секции

Эти сопротивления обратно про­порциональны площадям (соответственно F₁ и F₂) соприкосновения щетки с коллекторными пластинами:

Площади соприкосновения щетки с коллекторными пластинами пропорциональны времени t, прошедшему, c начала коммутации:

а

где Т — период коммутации, т. е. время, в течение которого щетка перейдет со второй коллекторной пластины на первую. Токи i₁ и i₂ обратно пропорциональны сопротивлениям r₁ и r₂:

.

Отсюда

,

но ток , а , тогда

.

Решая это уравнение относительно , получим

,

где - ток в короткозамкнутой секции в любой момент времени, А; Т — период коммутации, с; t — время, прошедшее с начала коммутации, с; _я - ток в одной параллельной ветви, А.

Выражение для тока в секции представляет собой уравнение прямой линии. Под­ставив разные значения t в это уравнение и получив соответствующие значения тока i, построим график изменения тока в короткозамкнутои секции за период коммутации (рис. 24, б).

Зависимость тока i от времени t приведена в таблице:

Поскольку ток i изменяется в соответствии с уравнением прямой линии, то такую коммутацию называют прямолинейно.Плотность тока под щетками при подобной коммутации везде одинакова, искре­ния под щетками не наблюдается.

Таким образом, хорошая коммутации соответствует тому случаю, когда сумма э. д. с. в короткозамкнутой секции равна нулю, т. е.

е_р + е_к = 0.

Однако в действительности добиться такого положения, чтобы сумма э. д. с. в короткозамкнутой секции была равна нулю, очень трудно.

Коммутация, при которой сумма э. д. с. в короткозамкнутой сек­ции не равна нулю, получила название криволинейной.

Если реактивная э. д. с. е_р больше коммутирующей э. д. с. е_к то процесс изменения тока в короткозамкнутой секции замедляется, и такую коммутацию называют замедленной(рис. 25, а).

В тот момент, когда половина щетки стоит на первой, а вторая половина щетки на второй коллекторной пластине, ток в короткозамкнутой секции не равен нулю: в ней проходит ток i_д, определяе­мый величиной суммарной э. д. с. и сопротивлением короткозамкну­той цепи. Так как добавочный ток i_д, складываясь с током i_Я, приводит к повышению плотности тока под сбегающим краем щетки, то под щеткой появляется искрение. Под набегающим краем щетки уменьшается плотность тока, так как ток i_д, направлен встречно току _я

Если коммутирующая э. д. с. е_к больше реактивной э. д. с. e_р, то коммутацию называют ускоренной(рис. 25, б). В этом случае появ­ление добавочноготока i_д вызывает искренне под набегающим краем щетки.

Рис. 25. Криволинейная коммутация: а) замедленная; б) ускоренная