Коммутация и её законы в электротехнике простыми словами

С латинского коммутация (commutatio) переводится как изменение, перемена. Поэтому с развитием технологий с помощью этого слова стали обозначать различного рода переключения кабелей и электроустройств, потребляющих, генерирующих и распределяющих электроэнергию. Понятие «коммутация» в электротехнике и электронике — это переключения, приводящие к изменению конфигурации схем протекания или прекращения тока в электрических цепях, а также перемене направлений потоков информации в сетях.

Общее понятие

Термин коммутация электрических цепей сформулирован в пункте 14 ГОСТ 18311–80 и означает динамический процесс включения и выключения элементов электроцепи. В информатике и электронике это процесс изменения уровня сигнала от 0 к 1 и наоборот. Во время перехода в электронных и электрических схемах из одного устойчивого состояния в следующее происходит перераспределение токов и напряжений.

В машинах постоянного тока коммутационными являются процессы, связанные с изменением направления тока в секциях обмотки якоря во время их перехода из одной ветви в другую.

Режимы электрических цепей

Устойчивые состояния в цепях постоянного тока до и после коммутации характеризуются различными, но не меняющимися уровнями напряжения и тока. В схемах переменного тока частота не меняется, а амплитуды тока и напряжения различны. Для импульсных систем устойчивый режим — это отсутствие или наличие импульса.

Во время включения и отключения источников электроэнергии, выключении отдельных ветвей схем, изменении характера нагрузки происходит переход из одного установившегося состояния в другое. Характер и время переходного процесса зависит от источника питания и реактивной (накопленной) энергии электрической сети.

Известно, что такое явление, как коммутация в сетях с чисто активной мощностью нагрузки (реактивная энергия минимальна и ее значением можно пренебречь) происходит быстро и без сложностей. В системах, предназначенных для получения различного типа излучений — от светового до рентгеновского, переходные процессы являются основой функционирования. Их анализируют с помощью двух законов коммутации.

Законы коммутации

Реальная электрическая цепь состоит не только из резисторов, транзисторов, тиристоров и других переключателей, но и катушек индуктивности и конденсаторов. На создание магнитного поля катушки в устоявшемся режиме затрачивается Li²/2 реактивной мощности, а на зарядку конденсатора (создание электрического поля) уходит Cu²/2. Переход на другой установленный режим мгновенно не возможен.

Управление переходными процессами (коммутацией) требует учета реактивной мощности цепи и отдельных емкостей конденсаторов и индуктивностей катушек. Знание закономерностей о сохранении начальных условий перед переходами позволяет влиять на изменение параметров сети.

Первый закон

Влияние катушки индуктивности в контуре описано в первом законе коммутации. Он гласит, что ток через индуктивность не может меняться скачкообразно. Переходный момент начинается со значений тока, предшествующих началу коммутации, затем плавно выходит на новый уровень.

В предложенной схеме при замыкании рубильника коммутируемый ток будет нарастать постепенно, так как ЭДС самоиндукции будет отбирать энергию на создание магнитного поля. Формула второго закона Кирхгофа для этой цепи:

Используя эту формулу можно сделать вывод, что предположение скачкообразного изменения тока в катушке абсурдно, так как при нем ЭДС стремится к бесконечности, а это потребует огромной мощности источника, что невозможно.

Второй закон

Для электрических схем с конденсатором переходные процессы регламентирует второй закон коммутации. Он говорит о том, что напряжение на емкости и накопленный заряд не могут изменяться скачкообразно:

То есть, переход в другое устойчивое состояние начинается с тех величин напряжения, которые были перед началом процесса.

Для проверки второго закона коммутации используется простая электросхема:

Второй закон Кирхгофа для предложенной цепи будет выражен формулой:

Сумма падений напряжения в контуре равна напряжению источника питания.

Допуск, что напряжение на емкости может измениться скачкообразно, приводит к тому, что скорость изменения напряжения устремится к бесконечности, а это является нарушением закона Кирхгофа.

Законы коммутации позволяют управлять изменением напряжений на катушке и емкостных токов скачкообразно, если это соответствует задачам переходного процесса.

Основные разновидности коммутационных аппаратов

Коммутация в любой электрической цепи осуществляется с помощью специальных устройств. Их делят на две группы:

• контактные. Приборы, обеспечивающие физический, часто видимый, разрыв токопроводящих цепей механическим способом. Они одновременно соединяют или разъединяют несколько цепей (от одной до четырех), меняя состояние «включено» на «выключено»;
• бесконтактные. Создаются на основе полупроводников: транзисторов, тиристоров, симисторов. Они часто, кроме переключений, несут и регулирующую, управляющую функцию.

Смена состояний коммутационной аппаратуры может быть ручной или автоматической.

Виды рубильников

Коммутационные аппараты с ручным управлением широко применяются в высоковольтных сетях электроснабжения. К ним относятся разъединители, переключатели и короткозамыкатели. При работах в таких сетях создание видимого разрыва шинопровода — важное условие безопасности в электрике.

Переключение разъединителя происходит со снятием нагрузки при минимальных токах. Короткозамыкатель тоже имеет видимый разрыв между контактами, но срабатывает при аварийных ситуациях автоматически для создания искусственного короткого замыкания.

К рубильникам можно отнести и большинство бытовых выключателей освещения. Они могут переключать группы светильников и оснащаться дугогасительными камерами.

Автоматические коммутационные аппараты

Смена состояния этих коммутирующих устройств на включение, отключение или переключение происходит в основном без участия человека. Автоматика при помощи различных датчиков отслеживает состояние объекта и при необходимости производит нужные действия.

К такой аппаратуре относятся:

• автоматические выключатели, УЗО, дифференциальные выключатели. Они взводятся вручную и отслеживают перегрузку, утечки тока, короткие замыкания. При достижении точки срабатывания отключают электрическую сеть;
• магнитные пускатели, контакторы включают силовую часть двигателей исполнительных механизмов, насосов промышленного и бытового назначения;
• тепловые реле для защиты от перегрева, механические реле времени для организации цикла переключения электрических цепей.

Автоматические коммутирующие устройства в сетях напряжением до 1000 В существуют в контактном и бесконтактном (полупроводниковом) вариантах.

Коммутация в телефонных сетях

Коммутация телефонных проводов в начале прошлого века осуществлялась по звонку на станцию. Телефонная барышня вставляла штекер номера позвонившего клиента в нужную ячейку коммутатора, осуществляя таким образом физическое соединение абонентов сети.

Сейчас используются следующие способы коммутации в телефонных сетях:

• сквозной (Cut-Through). Представляет собой усовершенствованный старый способ. Коммутатор автоматически считывает номер нужного абонента и без барышни соединяет клиентов. Задержка соединения минимальна, но могут быть ошибки;
• с промежуточным запоминанием (Store and Forward). Соединение происходит после анализа записанного фрагмента и устранения ошибок;
• гибридный или беcфрагментный (Fragment-Free). Комбинация двух предыдущих способов.

Соотношение скорости соединения и надежности связи зависит от стоимости и бренда производителя оборудования.

Переключения в интернет

В локальной сети абонентом может быть каждое из офисных устройств. Если между собой их подключить физическими линиями, количество проводов станет неприемлемым. Интернетовские технологии коммутации объединяют устройства с помощью специальных узлов, разделяя общие каналы связи. Управление осуществляется чаще всего при помощи коммутаторов и маршрутизаторов.

Принцип работы Switch (коммутатора)

Коммутатор (Switch — переключатель) передает информацию непосредственно получателю в той ветви локальной сети, к которой подключен и через роутер взаимодействует с интернет. Работает Switch в режиме обучения, формируя в своей памяти таблицу адресов отправителей. В результате использования мостовых технологий и ограниченного количества устройств обеспечивается высокая скорость передачи данных с малой задержкой.

Принцип работы маршрутизатора

Маршрутизатор, он же Router, организует входные и выходные информационные потоки собственным процессором согласно загруженной в память таблице маршрутизации. Она может быть загружена вручную (статическая маршрутизация) или использовать обновляемые протоколы (своды правил) при динамической маршрутизации.

Динамический способ создания таблицы держит ее в актуальном состоянии и находит оптимальные маршруты коммутации в данный момент, но создает дополнительную нагрузку на устройства.

Уплотнение информационных потоков выдвигает постоянные задачи по инженерному и программному обеспечению скорости, надежности и безопасности систем коммутации.

Видео по теме