Как происходит коммутация в машинах постоянного тока

Коммутация в машинах постоянного тока (МПТ) — это явления, обусловленные сменой направления электротока в секциях якорной обмотки электродвигателя во время перехода с одной параллельной ветки на другую. Если говорить иначе, это возникает во время пересечения черты, вдоль которой располагаются щётки. С латыни слово commutatio дословно можно перевести, как совместное изменение.

Такие процессы возникают в составной части электродвигателя, называемой коллектором или коммутатором.

Коммутаторы представляет собой поворачивающийся механический преобразователь, изменяющий текущее направление тока. Состоит из цилиндра, собранного из большого количества металлических контактных планок, прикреплённых к вращающемуся валу якоря (ротора) двигателя.

Два или более электрических проводящих контакта (щётки) прижимаются к сегментам коммутатора и при вращении создают последовательный скользящий контакт с ним.

Обмотки якоря подключаются к сегментам коммутатора для передачи электрического тока.

Преобразователи применяются и в другом конструктивном исполнении, например, на базе транзисторов или магнитоуправляемых контактов. Но в механическом исполнении коммутаторы имеют больше преимуществ, к которым можно отнести компактные габаритные размеры, энергетические и иные показатели.

Электрические процессы при коммутации

При запуске двигателя коммутатор и якорная обмотка начинают двигаться по кругу с определенной частотой n, а щётки устройства при этом неподвижны. До начала коммутационных процессов якорный ток Iя протекает сквозь щётку, правую пластину коллектора. В этот момент происходит его разделение пополам между параллельными якорными обмотками. По окончании коммутационного процесса проводники 2 и 3 переходят в смежную параллельную ветку, при этом протекание электротока в них изменяется на противоположное.

Щётки в двигателе могут перекрывать во время коммутации несколько коллекторных пластинок, но это никоим образом не сказывается на протекании процесса коммутации. Время, за которое щётка переходит с одной пластины коллектора на смежную, называется периодом коммутации. Именно в этот указанный момент времени и происходят все коммутационные процессы. Этот временной отрезок очень небольшой по продолжительности (тысячные доли секунды).

Непосредственно при коммутации виток оказывается короткозамкнутым коллекторными пластинами и щёткой. На схеме выше данный момент обозначен, как б). В витке 2-3 меняется направление электротока, а это значит, что по данному витку происходит протекание переменного электротока, приводящего к возникновению переменного магнитного потока. Под воздействием последнего индуцируется э.д.с. (электродвижущая сила) самоиндукции еL, которая старается поддерживать в витке ток предыдущей направленности. Из-за воздействия на виток 2-3 э.д.с. самоиндукции происходит образование добавочного электротока iд из-за того, что контур имеет небольшое сопротивление. В месте, где происходит контакт щётки и левой пластины, ток iд и якорный ток Iя имеют противоположную направленность. А вот в точке, где правая пластинка контактирует с щёткой, направленность их протекания совпадает.

Когда приближается завершение процесса коммутации, площадь контактируемой поверхности щётки и правой пластины уменьшается, а плотность электротока увеличивается. После завершения коммутации сопряжение щётки и правой пластинки коллектора обрывается, происходит образование электрической дуги. Чем выше сила тока iд, тем больше по мощности будет электродуга.

Варианты коммутации

Существуют 3 типа коммутации. Коммутация может быть:

• ускоренной криволинейной коммутацией. Во время данной коммутации плотность тока под набегающей на пластинку части щётки выше, чем под сбегающей с нее части. Наблюдается искрение щётки;
• прямолинейной коммутацией, когда плотность электрического потока одинкова под набегающими и сбегающими краями щётки. Проводник почти не искрит;
• замедленной криволинейной, когда плотность электротока под набегающим краем ниже, чем под сбегающим.

Важными показателями, характеризующими коммутационный процесс будут:

• быстрота перемены электротока в якорной секции,
• плотность тока, протекающего через набегающую и сбегающую пластины;
• непрерывность протекания электротока.

Искрение — причины, шкала оценки

В рабочем состоянии в МПТ происходят непрерывные переключения секций якорной катушки с одного витка на смежный, а электроток изменяет свое направление. Из-за того, что такие периоды коммутации короткие по времени, темп смены направления тока в секции всегда довольно высокий. Образующаяся электродуга и появление искр в заключительный момент коммутации между щёткой и пластинками коллектора приводит к повреждению внешних сторон коммутатора. Его поверхность обгорает, как результат происходит ухудшение соприкосновения щётки и коллектора. Такая коммутация считается неудовлетворительной.

Для оценки качества коммутации используется стандартная шкала:

• 1 — искрение не наблюдается (тёмная коммутация);
• 1¼ — незначительное искрение под малой площадью щётки;
• 1½ — незначительное искрение под большой площадью щётки;
• 2 — появление искр под всеми краями щётки;
• 3 — сильное искрение под всем краям щётки с возникновением больших и отлетающих искр.

Надёжная работа электрических машин постоянного тока обеспечивается в том случае, если искрение на проводниках не превышает степени 1¼. Для удобства ниже в таблице сведены воедино все классы коммутации, которые были описаны ранее.

Возникновение искрения могут вызывать такие механические явления:

• вибрация и биение коллектора, наличие нервной поверхности из-за плохой шлифовки;
• наличие разного воздушного зазора под полюсами;
• перекос пластинок коммутатора при сборке;
• неодинаковая толщина пластинок;
• миканитовая изоляция выступает над пластинками;
• загрязнение поверхностей коллектора;
• неправильная притирка и установка щёток;
• ослабление прижима щёток, их износ.

Значительное воздействие на рабочий процесс машин постоянного тока оказывает форма и материал проводящих контактов. В настоящее время применяются угольно-графитовые, графитовые и электрографитовые щётки. Подразделяют щетки в зависимости от процентного содержания графита и способа изготовления.

Существуют также электромагнитные причины образования искрения щёток. Данные причины выявить намного сложнее, чем описанные ранее механические. Такие искрения имею прямо пропорциональную зависимость от нагрузки, а вот частота вращения практически не оказывает в данном случае никакого влияния. Цвет электромагнитного искрения чаще всего бело-голубого цвета. Искры могут быть шаровидными или каплеобразными.

При изготовлении МПТ на заводе в них устанавливают при настройке тёмную коммутацию, которое не вызывает никакого искрения при работе. Однако в ходе работы электромашины и по мере изнашиваемости коллектора с щётками, возможно появление искрения. Незначительное искрение в двигателях общего предназначения допускается и не считается проблемой.

Методы улучшения коммутации

Чтобы улучшить коммутацию и снизить риск появления электродуги, используют следующие способы:

1. Реактивное э.д.с. очень сильно влияет на коммутацию. Поэтому уменьшение такого влияния позволит улучшить коммутацию. В этом случае:

• Уменьшение количества витков позволяет понизить индуктивность секций (одновитковое исполнение).
• Открытые якорные пазы с небольшой глубиной (около 4.5-5.5 мм).
• Расположение для каждой секции выглядит так: одна сторона в верхний слой паза, а другая в нижний.
• Уменьшение ширины щеток. В данном случае 3.5-4.5 коллекторных пластинок должны перекрывать щетку. Такой способ подойдет для небольших машин (тяговые двигатели и генераторы).
• В больших двигателях уменьшается длина, окружная скорость и суммарная сила электротока в якорных пазах. Можно также увеличить сечение якоря.

2. Компенсация э.д.с. вращения от якорного потока и реактивной э.д.с.:

• Установка добавочных полюсов между главными полюсами. За счет этого создается внешнее коммутирующее электромагнитное поле. Направленность магнитного потока будет противоположно якорному потоку в зоне коммутации и будет компенсировать его. Коммутирующее и реактивное э.д.с. должны быть примерно равными.
• Увеличение поперечного размера сердечников добавочных полюсов и установка больших воздушных зазоров под основными полюсами.
• Уменьшение расстояния от обмотки добавочных полюсов до якоря.
• Установка немагнитных прокладок, чтобы обеспечить работу щеток без искрения и замедлить процесс магнитного насыщения сердечников.
• Перемещение щеток на физическую нейтраль с геометрической.

3. Уменьшение коммутационных токов, которое можно достичь, если увеличить сопротивление цепи в секции коммутации:

• Замена щеток из меди на электрографитовые.
• Использование разрезных щеток.

Видео по теме