Przełączanie w maszynach prądu stałego

Przełączanie w maszynach prądu stałego jest rozumiane jako zjawisko spowodowane zmianą kierunku prądu w drutach uzwojenia twornika, gdy poruszają się one z jednej równoległej gałęzi do drugiej, to znaczy podczas przekraczania linii, wzdłuż której znajdują się szczotki ( od łac. commulatio — zmiana). Rozważmy zjawisko komutacji na przykładzie twornika pierścieniowego.

na ryc. 1 przedstawia skan części uzwojenia twornika składającego się z czterech drutów, części kolektora (dwie płytki kolektora) oraz szczotki. Przewody 2 i 3 tworzą przełączaną pętlę, która na ryc. 1, a jest pokazane w pozycji, jaką zajmuje przed przełączeniem, na ryc. 1, c — po przełączeniu i na ryc. 1, b — w okresie przełączania. Kolektor i uzwojenie twornika obracają się w kierunku wskazanym strzałką z prędkością obrotową n, szczotka jest nieruchoma.

W chwili przed przełączeniem prąd twornika Iya przechodzi przez szczotkę, prawą płytkę kolektora i jest dzielony na pół między równoległe gałęzie uzwojenia twornika. Przewody 1, 2 i 3 oraz przewód 4 tworzą różne równoległe gałęzie.

Po przełączeniu przewody 2 i 3 przełączyły się na inną równoległą gałąź, a kierunek prądu w nich zmienił się na przeciwny. Zmiana ta nastąpiła w czasie równym okresowi przełączania Tk, tj. w czasie potrzebnym na przejście szczotki z prawej płytki na sąsiednią lewą (właściwie szczotka zachodzi na kilka płyt kolektora na raz, ale w zasadzie nie wpływa to na proces przełączania)...

Ryż. 1. Schemat bieżącego procesu przełączania

Jeden z momentów okresu przełączania pokazano na rys. 1, b. Obwód, który ma zostać przełączony, okazuje się być zwarciem z płyt kolektora i szczotki. Ponieważ w okresie komutacji następuje zmiana kierunku prądu w pętli 2-3, oznacza to, że prąd przemienny przepływa przez pętlę, tworząc zmienny strumień magnetyczny.

Ten ostatni indukuje e. W przełączanej pętli. itp. v. samoindukcja eL lub reaktywna e. itp. v. Zgodnie z zasadą Lenza, m.in. itp. c. samoindukcja ma tendencję do utrzymywania prądu w przewodzie w tym samym kierunku. Dlatego kierunek eL pokrywa się z kierunkiem prądu w pętli przed przełączeniem.

Pod wpływem e. itp. c. samoindukcja w zwarciu 2-3 płynie duży dodatkowy prąd id, ponieważ rezystancja pętli jest mała. W miejscu styku szczotki z lewą płytką prąd id jest skierowany przeciwnie do prądu twornika, a w miejscu styku szczotki z prawą płytką kierunek tych prądów jest zbieżny.

Im bliżej końca okresu przełączania, tym mniejsza powierzchnia styku szczotki z prawą płytką i tym większa gęstość prądu. Pod koniec okresu przełączania styk szczotki z prawą płytką zostaje zerwany i powstaje łuk elektryczny.Im wyższy bieżący identyfikator, tym mocniejszy łuk.

Jeśli szczotki znajdują się na geometrycznym punkcie neutralnym, to w przełączanym obwodzie strumień magnetyczny twornika indukuje e. itp. v. rotacja Hebr. na ryc. 2 przedstawia w powiększeniu przewody przełączanej pętli znajdujące się na geometrycznym punkcie neutralnym i kierunku e. itp. c. indukcyjność własna eL generatora zgodna z kierunkiem prądu twornika w tym przewodzie przed przełączeniem.

Kierunek Heb jest określony regułą prawej dłoni i zawsze pokrywa się z kierunkiem eL. W rezultacie id wzrasta jeszcze bardziej. Powstały łuk elektryczny między szczotką a płytą kolektora może zniszczyć powierzchnię kolektora, powodując słaby kontakt między szczotką a kolektorem.

Ryż. 2. Kierunek siły elektromotorycznej w pętli komutacyjnej

Aby poprawić warunki przełączania, szczotki są przesunięte do fizycznej neutralności. Gdy szczotki znajdują się na fizycznym punkcie neutralnym, dołączona cewka nie przechodzi przez zewnętrzny strumień magnetyczny i e. itp. v. rotacja nie jest indukowana. Jeśli przesuniesz szczotki poza fizyczną neutralność, jak pokazano na rys. 3, to w przełączanej pętli wynikowy strumień magnetyczny będzie indukował e. itp. z ek, którego kierunek jest przeciwny do kierunku e. itp. v. samoindukcja eL.

W ten sposób nie tylko e. Zostanie to zrekompensowane. itp. v. obrót, ale także e. itd. v. samoindukcja (częściowa lub całkowita). Jak wspomniano wcześniej, kąt ścinania fizycznego punktu neutralnego zmienia się cały czas, dlatego szczotki są zwykle montowane z przesunięciem względem niego pod pewnym średnim kątem.

Redukcja itp. zw dołączonej pętli prowadzi do zmniejszenia prądu id i osłabienia wyładowania elektrycznego między szczotką a płytą kolektora.

Istnieje możliwość poprawienia warunków przełączania poprzez zamontowanie dodatkowych biegunów (Ndp i Sdn na rys. 4). Dodatkowy biegun znajduje się wzdłuż geometrycznego punktu neutralnego. W przypadku generatorów dodatkowy biegun o tej samej nazwie znajduje się za biegunem głównym w kierunku obrotu twornika, a dla silnika - odwrotnie. Uzwojenia dodatkowych biegunów są połączone szeregowo z uzwojeniem twornika w taki sposób, że tworzony przez nie strumień Fdp jest kierowany do strumienia twornika Fya.

Ryż. 3. Kierunek siły elektromotorycznej w pętli przełączania, gdy szczotki są przesuwane poza fizyczny punkt neutralny

Ryż. 4. Schemat połączeń uzwojeń dodatkowych biegunów

Ponieważ oba strumienie są wytwarzane przez jeden prąd (prąd twornika), można tak dobrać liczbę zwojów uzwojenia dodatkowych biegunów oraz szczelinę powietrzną między nimi a twornikiem, aby strumienie były równe wartości na każdym tworniku aktualny . Strumień bieguna pomocniczego zawsze będzie kompensował strumień twornika, a tym samym e. itp. v. w przełączanej pętli nie będzie rotacji.

Dodatkowe bieguny są zwykle wykonane tak, że ich strumień indukuje e w przełączanym obwodzie. D. s równe sumie eL + Hebr. Wówczas w momencie oddzielenia szczotki od prawej płyty kolektora (patrz rys. 1, c) łuk elektryczny nie występuje.

Przemysłowe maszyny prądu stałego o mocy 1 kW i większej wyposażone są w dodatkowe bieguny.