§ 109. Коммутация тока

Коммутацией тока называется процесс, происходящий в секции обмотки во время ее замыкания накоротко щеткой на коллекторе. Этот процесс неизбежен при переключении секций из одной параллельной ветви в другую.
При вращении якоря машины коллекторные пластины поочередно приходят в соприкосновение со щетками, так что в определенные промежутки времени секция или несколько секций замыкаются щеткой. Поскольку переходное сопротивление между щеткой и коллекторной пластиной сравнительно мало, то замыкание секций щеткой близко к их короткому замыканию.
На рис. 151 показана секция простой параллельной обмотки. В этой секции протекает ток одной параллельной ветви, равный

где I_я — ток нагрузки;
2а — число параллельных ветвей обмотки.

При вращении якоря его обмотка и коллектор перемещаются относительно неподвижной щетки справа налево. В некоторый момент, соответствующий началу коммутации, щетка соприкасается с коллекторной пластиной 1, соединенной с двумя проводами обмотки, в каждом из которых протекает ток одной параллельной ветви i_я.
Таким образом, через коллекторную пластину и щетку протекает ток, равный сумме токов двух параллельных ветвей 2i_я. В рассматриваемой секции ток равен току одной параллельной ветви и в данный момент направлен против часовой стрелки.
В дальнейшем при вращении якоря щетка будет соприкасаться с коллекторными пластинами 1 и 2, замыкая рассматриваемую секцию (рис. 151, б). В определенный момент щетка полностью перейдет на коллекторную пластину 2 и ток в секции изменит направление на обратное (рис. 151, в), т. е. секция переключится из одной параллельной ветви в другую. Время переключения секции, называемое периодом коммутации, мало и за это время в секции происходит изменение тока от +i_я до —i_я. При изменении тока в секции возникает э. д. с. самоиндукции, которая может достигать сравнительно больших значений.
Кроме того, поскольку процесс коммутации происходит одновременно в нескольких секциях под всеми щетками, то в каждой секции индуктируются еще и э. д. с. взаимоиндукции.
Э. д. с. самоиндукции и взаимоиндукции, называемые реактивными э. д. с., препятствуя изменениям тока, вызывают неравномерное распределение плотности тока под щеткой, что является причиной образования искрения, которое особенно интенсивно в момент размыкания щеткой секции обмотки.
Чрезмерная плотность тока при наличии разности потенциалов между щеткой и коллектором влечет возникновение дугового разряда, который ионизирует тончайшие слои воздуха, находящиеся между щеткой и коллектором, и способствует развитию дуги. Дуга может перейти даже к щетке другой полярности, образовав круговой огонь на коллекторе, что ведет к сильному повреждению последнего.
Искрение щеток может быть также вызвано и другими причинами, как-то: неровностью поверхности коллектора, биением щеток, загрязненностью поверхности коллектора, наличием влаги на ней и т. д.
Даже незначительное искрение щеток нежелательно, так как увеличивается износ щеток и коллектора и повышается нагрев последнего (из-за увеличения переходного сопротивления между щеткой и коллектором).
Наиболее эффективным способом улучшения коммутации является компенсация реактивных э. д. с. Для этого в зоне коммутации, в которой находятся активные проводники коммутируемых секций, необходимо создать такое внешнее магнитное поле, при котором индуктируемая в секциях коммутирующая э. д. с. е_v будет равна и противоположна реактивной э. д. с. е_r т. е. е_v = — е_r. Для создания такого внешнего магнитного поля устраивают дополнительные полюсы N_к и S_к, устанавливаемые между главными полюсами.
На рис. 152 показана схема генератора, якорь которого вращается каким-либо двигателем в направлении, показанном стрелкой. В обмотке якоря индуктируется э. д. с. и при нагрузке протекает ток. Направление э. д. с. и тока в проводниках обмотки показано на схеме, на которой выделены проводники 1 и 2 коммутируемой секции. Реактивная э. д. с. е_r препятствуя изменениям тока в коммутируемой секции, будет направлена в проводниках 1 и 2 встречно изменениям тока, как показано на схеме. Для компенсации реактивной э. д. с. в проводниках 1 и 2 нужно создать коммутирующую э. д. с. e_v = — е_r для чего и установлены дополнительные полюсы N_к и S_к.

Таким образом, полярность дополнительного полюса в генераторе должна соответствовать полярности следующего за ним в направлении вращения якоря главного полюса. В двигателе полярность дополнительного полюса должна соответствовать полярности предыдущего по направлению вращения якоря главного полюса.
Обмотка возбуждения дополнительных полюсов соединяется последовательно с обмоткой якоря для того, чтобы реактивная э. д. с. была компенсирована при любой нагрузке машины. Для этой же цели магнитная цепь дополнительных полюсов ненасыщена, что достигается выполнением сравнительно больших воздушных промежутков между сердечником якоря и дополнительным полюсом. Так как реактивная э. д. с. пропорциональна току в якоре, то она компенсируется при любой нагрузке машины при условии, когда коммутирующая э. д. с. также пропорциональна току нагрузки. Поэтому магнитное поле в зоне коммутации должно изменяться пропорционально току якоря.