Коммутация тягового двигателя и способы её улучшения

Коммутация - это процесс перехода коммутируемой секции обмотки якоря из одной параллельной ветви обмотки якоря в другую параллельную ветвь.

Этот процесс сопровождается изменением направления тока в коммутируемой секции. Коммутируемая секция - это секция обмотки якоря, закороченная щётками накоротко. Физически, коммутация проявляется в искрении.

Рассмотрим часть петлевой обмотки якоря:

На рисунке 1, плюсовая щётка стоит на коллекторной пластине "1" и по рассматриваемой секции ток якоря идёт по часовой стрелке в правую параллельную ветвь обмотки якоря к минусовой щётке.

Якорь вращается вместе со всеми секциями и коллекторными пластинами, и через время 0,001 ÷ 0,0001 секунды, плюсовая щётка будет стоять уже на коллекторной пластине "2"(рис.3). Теперь по этой же рассматриваемой секции обмотки якоря, ток якоря идёт против часовой стрелки в левую параллельную ветвь обмотки якоря.

Значит, между моментом времени 1 и 3, изменилось направление тока в рассматриваемой секции обмотки якоря, и она перешла из правой в левую параллельную ветвь обмотки якоря.

Это изменение направления тока в секции обмотки якоря происходит в момент времени 2 (рис.2), когда щётка одновременно перекрывает коллекторные пластины "1" и "2". При этом в закороченной щёткой коммутируемой секции наводятся три ЭДС:

1. Из-за изменения тока по направлению и по величине в коммутируемой секции наводится ЭДС самоиндукции е_L

1. В действительности щётка перекрывает 3 ÷ 5 коллекторных пластин. Поэтому одновременно коммутирует 2 ÷ 4 секции с изменением в них тока, и их изменившийся магнитный поток пересекает рассматриваемую секцию и наводит в ней ЭДС взаимоиндукции е_М. Направление ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции определяются по правилу Ленца, в данном случае они направлены по часовой стрелке в коммутируемой секции (чтобы мешать убыванию тока по часовой стрелке, а затем мешать нарастанию тока против часовой стрелки). Сумма этих двух ЭДС называется реактивной.

1. Коммутируемая секция находится на геометрической нейтрали, вместе с якорем вращается и пересекает общий магнитный поток двигателя, наклоненный из-за реакции якоря. Из-за этого в коммутируемой секции наводится ЭДС вращения е_вр направленная согласно с реактивной ЭДС.

Под действием этих трёх ЭДС, по замкнутой цепи коммутируемой секции, через коллекторные пластины "1" и "2", и через щётку идёт свой внутренний ток коммутации I_к. Величина этого тока определяется по закону Ома для полной цепи:

I_к = (е_L + е_М + е_вр) / (R_сек + R_щёт)

Если не применять специальных мер, то величина этого внутреннего тока может быть очень большой - тысячи ампер.

При сходе щётки с коллекторной пластины "1", при вращении якоря, цепь этого внутреннего тока прерывается, и под сбегающим краем щётки возникает электрическая дуга. Величина этой дуги зависит от величины внутреннего тока прямо пропорционально.

Способы улучшения коммутации

Чтобы коммутация двигателя постоянного тока была хорошей, без искрения под щётками, нужно чтобы величина внутреннего тока I_к в закороченной щётками коммутируемой секции была близкой к нулю. Для этого применяют следующие способы:

1. Щётки выполняют электрографитированными, с повышенным сопротивлением (≈ 0,01 Ом)

1. Щётки выполняют разрезными вдоль, за счет чего увеличивается сопротивление щёток ≈ в 2 раза для поперечного тока I_к

1. Для уменьшения величины е_L и е_М в коммутируемой секции, все секции обмотки якоря выполняют одинаковыми.

1. Для изменения направления ЭДС вращения в коммутируемой секции, чтобы скомпенсировать реактивную ЭДС, чтобы общая ЭДС в коммутируемой секции была близкой к нулю, применяют дополнительные полюса.