Что такое коммутация тока

Основы законов коммутации в электротехнике: понятия, свойства и применение

В этой статье я объясню основные понятия и свойства законов коммутации в электротехнике, а также рассмотрю их применение для постоянного и переменного тока.

Основы законов коммутации в электротехнике: понятия, свойства и применение обновлено: 25 ноября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру

Помощь в написании работы

Введение

В электротехнике существует множество законов и понятий, которые необходимо понимать и уметь применять для успешного решения задач. Один из таких важных аспектов – законы коммутации. Законы коммутации описывают процессы переключения электрических цепей и являются основой для понимания работы различных устройств и систем.

Нужна помощь в написании работы?

Написание учебной работы за 1 день от 100 рублей. Посмотрите отзывы наших клиентов и узнайте стоимость вашей работы.

Законы коммутации

Законы коммутации являются основными принципами, которые регулируют переключение электрических цепей и устройств. Они определяют правила и порядок коммутации, то есть переключения электрических контактов или положения коммутационных элементов.

Коммутация играет важную роль в электротехнике, так как позволяет управлять электрическими цепями и устройствами, включать и выключать их, изменять направление тока и т.д. Знание законов коммутации необходимо для правильного функционирования электрических систем и обеспечения их безопасности.

Основные понятия

Перед тем, как рассмотреть конкретные законы коммутации, необходимо понять некоторые основные понятия:

• Коммутация – процесс переключения электрических контактов или положения коммутационных элементов.
• Коммутационные элементы – это устройства, которые используются для коммутации, например, выключатели, реле, тиристоры и т.д.
• Коммутационные цепи – это электрические цепи, в которых происходит коммутация.

Закон коммутации для постоянного тока

Закон коммутации для постоянного тока определяет правила переключения контактов в цепи постоянного тока. Основные принципы закона коммутации для постоянного тока:

• Переключение контактов должно происходить в момент, когда ток достигает нулевого значения.
• Переключение контактов должно происходить с минимальным искрением и износом контактов.
• Переключение контактов должно быть быстрым и надежным, чтобы избежать возникновения перенапряжений и повреждения электрических устройств.

Закон коммутации для переменного тока

Закон коммутации для переменного тока определяет правила переключения контактов в цепи переменного тока. Основные принципы закона коммутации для переменного тока:

• Переключение контактов должно происходить в момент, когда ток достигает нулевого значения и напряжение пересекает нулевую линию.
• Переключение контактов должно происходить с минимальным искрением и износом контактов.
• Переключение контактов должно быть быстрым и надежным, чтобы избежать возникновения перенапряжений и повреждения электрических устройств.

Применение законов коммутации в электротехнике

Законы коммутации применяются в различных областях электротехники, включая электроэнергетику, автоматизацию, электронику и т.д. Они используются для управления электрическими цепями и устройствами, включения и выключения электрических устройств, изменения направления тока и т.д.

Например, в электроэнергетике законы коммутации применяются для управления работой генераторов, трансформаторов, выключателей и других устройств. В автоматизации законы коммутации используются для управления промышленными процессами и системами. В электронике законы коммутации применяются для управления работой полупроводниковых устройств, таких как тиристоры и транзисторы.

Основные понятия

Перед тем, как мы перейдем к законам коммутации, давайте разберемся с некоторыми основными понятиями, которые будут использоваться в дальнейшем.

Коммутация

Коммутация – это процесс переключения электрического тока или напряжения в электрической цепи. Она может быть выполнена с помощью различных устройств, таких как выключатели, реле, тиристоры и транзисторы.

Коммутационные элементы

Коммутационные элементы – это устройства, которые используются для коммутации электрического тока или напряжения. Они могут быть механическими (например, выключатели) или электронными (например, тиристоры).

Коммутационные процессы

Коммутационные процессы – это процессы, связанные с переключением электрического тока или напряжения. Они могут быть различными в зависимости от типа коммутационного элемента и условий работы.

Время коммутации

Время коммутации – это время, за которое происходит переключение электрического тока или напряжения. Оно может быть очень малым (например, в случае тиристоров) или значительным (например, в случае выключателей).

Переключение тока и напряжения

Переключение тока и напряжения – это процесс изменения направления или величины электрического тока или напряжения. Оно может быть выполнено с помощью коммутационных элементов.

Эти основные понятия помогут нам лучше понять законы коммутации и их применение в электротехнике.

Закон коммутации для постоянного тока

Закон коммутации для постоянного тока описывает процесс переключения тока в электрической цепи, где ток имеет постоянное направление и величину.

Переключение тока

Переключение тока в электрической цепи происходит с помощью коммутационных элементов, таких как выключатели или тиристоры. Когда коммутационный элемент находится в одном положении, ток проходит через него, а когда он переключается в другое положение, ток переключается на другой путь.

Закон коммутации

Закон коммутации для постоянного тока гласит, что при переключении тока в электрической цепи должны быть выполнены определенные условия, чтобы избежать повреждения коммутационного элемента и обеспечить нормальное функционирование цепи.

Условия коммутации

Основные условия коммутации для постоянного тока включают:

• Отсутствие искрения: При переключении тока не должно возникать искрение между контактами коммутационного элемента. Искрение может привести к износу контактов и возникновению помех в цепи.
• Отсутствие перенапряжения: При переключении тока не должно возникать перенапряжение, которое может повредить коммутационный элемент или другие элементы цепи.
• Отсутствие перетекания тока: При переключении тока не должно происходить перетекание тока через коммутационный элемент, которое может привести к короткому замыканию или повреждению элементов цепи.

Применение закона коммутации для постоянного тока

Закон коммутации для постоянного тока применяется в различных областях электротехники, включая электроэнергетику, автоматизацию и управление, электронику и другие. Он используется для переключения тока в различных устройствах и системах, таких как электрические моторы, преобразователи частоты, источники питания и т.д.

Правильное применение закона коммутации для постоянного тока позволяет обеспечить надежную и безопасную работу электрических цепей и устройств.

Закон коммутации для переменного тока

Закон коммутации для переменного тока является основным принципом работы электрических коммутационных устройств, таких как реле, контакторы и тиристорные преобразователи. Он определяет правила переключения тока в этих устройствах.

Определение

Закон коммутации для переменного тока гласит, что переключение тока должно происходить в момент нулевого значения тока или напряжения. Это означает, что при переключении контактов или полупроводниковых элементов, они должны быть открыты или закрыты в момент, когда ток или напряжение равны нулю.

Свойства

Закон коммутации для переменного тока имеет следующие свойства:

• Переключение должно происходить в момент нулевого значения тока или напряжения.
• Переключение должно быть быстрым и точным, чтобы избежать возникновения перенапряжений или перетоков.
• Переключение должно быть синхронизировано с периодом переменного тока, чтобы избежать искажений сигнала.
• Переключение должно быть безопасным для устройства и оператора.

Применение

Закон коммутации для переменного тока широко применяется в различных областях электротехники, включая энергетику, промышленность и электронику. Он используется для управления электрическими цепями и устройствами, такими как электродвигатели, преобразователи частоты, световые приборы и другие.

Правильное применение закона коммутации для переменного тока позволяет обеспечить эффективную и безопасную работу электрических систем и устройств.

Применение законов коммутации в электротехнике

Законы коммутации являются важным инструментом в электротехнике и широко применяются для управления электрическими цепями и устройствами. Они позволяют эффективно переключать электрические сигналы и обеспечивать правильное функционирование системы.

Управление электрическими цепями

Законы коммутации используются для управления электрическими цепями, включая включение и выключение электрических устройств. Например, в электроэнергетике законы коммутации применяются для управления работой генераторов, трансформаторов и других устройств.

Они также используются в промышленности для управления электродвигателями, освещением и другими электрическими устройствами. Законы коммутации позволяют эффективно переключать электрический ток и обеспечивать правильную работу системы.

Управление электронными устройствами

Законы коммутации также применяются в электронике для управления электронными устройствами, такими как транзисторы, диоды и другие полупроводниковые приборы. Они позволяют эффективно переключать электрический ток в электронных схемах и обеспечивать правильную работу устройств.

Например, в цифровых схемах законы коммутации используются для управления переключением между логическими уровнями 0 и 1. Они также применяются в аналоговых схемах для управления усилением и фильтрацией сигналов.

Безопасность и эффективность

Применение законов коммутации в электротехнике позволяет обеспечить безопасность и эффективность работы электрических систем и устройств. Правильное переключение электрического тока позволяет избежать перегрузок, коротких замыканий и других аварийных ситуаций.

Они также позволяют эффективно использовать электрическую энергию и снижать потери энергии в системе. Например, правильное переключение электрического тока в электродвигателе позволяет снизить энергопотребление и повысить его эффективность.

Таким образом, применение законов коммутации в электротехнике играет важную роль в обеспечении правильной работы электрических систем и устройств, а также обеспечении их безопасности и эффективности.

Таблица по законам коммутации

• Коммутация должна происходить в момент, когда ток равен нулю.
• Коммутационное устройство должно обеспечивать надежное разрывание и замыкание цепи.
• Коммутация должна происходить без искрения и дуги.

• Коммутация должна происходить в момент, когда ток равен нулю или близок к нулю.
• Коммутационное устройство должно обеспечивать надежное разрывание и замыкание цепи.
• Коммутация должна происходить без искрения и дуги.

• Применяются в электрических выключателях и реле.
• Используются в электронных устройствах для управления током и напряжением.
• Применяются в системах автоматического контроля и защиты.

Заключение

Законы коммутации являются основными понятиями в электротехнике. Они определяют правила переключения электрических цепей и играют важную роль в управлении электрическими устройствами. Закон коммутации для постоянного тока гласит, что при размыкании цепи возникает искра, а при замыкании – плавное соединение контактов. Закон коммутации для переменного тока учитывает изменение напряжения и тока во время коммутации. Знание и применение этих законов позволяет эффективно проектировать и управлять электрическими системами.

Основы законов коммутации в электротехнике: понятия, свойства и применение обновлено: 25 ноября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру

Коммутация в машинах постоянного тока: определение, принцип работы и примеры применения

В данной статье мы рассмотрим суть коммутации в машинах постоянного тока, ее принцип работы, типы коммутации, коммутационные устройства, а также преимущества и недостатки этого процесса.

Коммутация в машинах постоянного тока: определение, принцип работы и примеры применения обновлено: 11 ноября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру

Помощь в написании работы

Введение

В электротехнике коммутация – это процесс переключения электрических цепей или устройств для изменения направления тока или управления электрическими сигналами. В машинах постоянного тока коммутация играет важную роль, позволяя изменять направление тока в обмотках ротора и обеспечивая правильную работу машины. В этой статье мы рассмотрим определение коммутации, принцип ее работы, различные типы коммутации, коммутационные устройства и примеры применения коммутации в машинах постоянного тока.

Нужна помощь в написании работы?

Мы — биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Определение коммутации в машинах постоянного тока

Коммутация в машинах постоянного тока – это процесс изменения направления тока в обмотках ротора с целью поддержания постоянного направления вращения ротора. В машинах постоянного тока коммутация осуществляется с помощью коммутатора, который является основным коммутационным устройством.

Коммутация в машинах постоянного тока необходима для поддержания постоянного направления тока в обмотках ротора и обеспечения непрерывного вращения ротора. Без коммутации машина постоянного тока не сможет работать эффективно и производить полезную работу.

Коммутация в машинах постоянного тока осуществляется путем изменения соединения обмоток ротора с источником питания. Во время коммутации, когда ротор проходит через нейтральное положение, коммутатор переключает соединение обмоток ротора таким образом, чтобы ток продолжал течь в одном и том же направлении.

Коммутация в машинах постоянного тока является важным процессом, который обеспечивает стабильную работу машины и позволяет ей выполнять свои функции. От качества коммутации зависит эффективность работы машины и ее надежность.

Принцип работы коммутации

Коммутация в машинах постоянного тока основана на принципе изменения соединения обмоток ротора с источником питания во время работы машины. Основная цель коммутации – обеспечить непрерывный и однонаправленный ток в обмотках ротора.

Процесс коммутации начинается, когда ротор машины проходит через нейтральное положение, то есть момент, когда ток в обмотках ротора меняет свое направление. В этот момент коммутатор, который является основным коммутационным устройством, переключает соединение обмоток ротора таким образом, чтобы ток продолжал течь в одном и том же направлении.

Коммутатор состоит из сегментов, называемых щетками, и делителей, называемых коллекторами. Щетки подвижно установлены на статоре машины и обеспечивают электрический контакт с коллекторами. Когда ротор проходит через нейтральное положение, щетки переключаются с одного коллектора на другой, изменяя соединение обмоток ротора с источником питания.

Важно отметить, что коммутация должна происходить в определенный момент времени, чтобы обеспечить непрерывность тока в обмотках ротора. Если коммутация происходит слишком рано или слишком поздно, это может привести к появлению искр и износу коммутационных устройств.

Принцип работы коммутации в машинах постоянного тока является основой для эффективной работы этих машин. Он позволяет обеспечить стабильный и однонаправленный ток в обмотках ротора, что необходимо для выполнения различных функций машины.

Типы коммутации в машинах постоянного тока

В машинах постоянного тока существуют два основных типа коммутации: механическая коммутация и электронная коммутация.

Механическая коммутация

Механическая коммутация основана на использовании коммутатора, который является основным коммутационным устройством в машинах постоянного тока. Коммутатор состоит из сегментов, называемых щетками, и делителей, называемых коллекторами. Когда ротор машины вращается, щетки подвижно прижимаются к коммутатору, обеспечивая электрический контакт между обмотками ротора и внешней цепью.

Механическая коммутация имеет свои преимущества и недостатки. Она проста в конструкции и надежна в работе, но ограничена скоростью вращения ротора и может вызывать искры и износ щеток и коммутатора.

Электронная коммутация

Электронная коммутация основана на использовании полупроводниковых устройств, таких как тиристоры или транзисторы, для коммутации тока в машинах постоянного тока. В этом случае, коммутация происходит электронным способом, без использования механических контактов.

Электронная коммутация имеет ряд преимуществ. Она позволяет более высокую скорость коммутации, улучшенную эффективность и контроль над током. Однако, она требует более сложной электронной схемы и может быть более дорогостоящей в производстве.

Коммутационные устройства

Коммутационные устройства в машинах постоянного тока играют важную роль в процессе коммутации тока. Они обеспечивают переключение тока между различными обмотками ротора, что позволяет машине работать в режиме генератора или мотора.

Контактные коммутаторы

Одним из наиболее распространенных коммутационных устройств являются контактные коммутаторы. Они состоят из множества контактов, которые соединяются и разъединяются при вращении ротора. Контакты обычно изготавливаются из материалов с хорошей электропроводностью, таких как медь или серебро, чтобы обеспечить низкое сопротивление и минимальные потери энергии.

Тиристорные коммутаторы

Тиристорные коммутаторы используются в электронной коммутации и состоят из полупроводниковых устройств, таких как тиристоры или транзисторы. Они позволяют эффективно коммутировать ток без использования механических контактов. Тиристоры обладают высокой надежностью и долговечностью, а также обеспечивают высокую скорость коммутации.

Полупроводниковые коммутаторы

Полупроводниковые коммутаторы, такие как диоды или транзисторы, также используются в электронной коммутации. Они обеспечивают однонаправленный поток тока и позволяют контролировать его направление и величину. Полупроводниковые коммутаторы обладают высокой эффективностью и низкими потерями энергии.

Программируемые коммутационные устройства

Программируемые коммутационные устройства используются для управления коммутацией тока в машинах постоянного тока. Они позволяют программировать последовательность коммутации и контролировать ее параметры. Программируемые коммутационные устройства обеспечивают гибкость и точность в управлении машиной.

Коммутационные устройства играют важную роль в работе машин постоянного тока, обеспечивая переключение тока между различными обмотками ротора. Они позволяют машине работать в различных режимах и обеспечивают эффективность и контроль над током.

Преимущества коммутации в машинах постоянного тока:

1. Управляемость: Коммутация в машинах постоянного тока позволяет точно контролировать направление и величину тока. Это особенно важно в приложениях, где требуется высокая точность и стабильность работы.

2. Высокая эффективность: Коммутация в машинах постоянного тока обеспечивает высокую эффективность работы. Это связано с тем, что коммутация позволяет машине работать с минимальными потерями энергии.

3. Высокий крутящий момент на низких оборотах: Коммутация в машинах постоянного тока позволяет достичь высокого крутящего момента на низких оборотах. Это особенно полезно в приложениях, где требуется высокий стартовый момент.

4. Простота управления: Коммутация в машинах постоянного тока относительно проста в управлении. Это позволяет легко настраивать и контролировать работу машины.

Недостатки коммутации в машинах постоянного тока:

1. Износ щеток: Коммутация в машинах постоянного тока требует использования щеток, которые соприкасаются с коммутатором. Это приводит к износу щеток и требует их периодической замены.

2. Искрение: Коммутация в машинах постоянного тока сопровождается искрением при контактировании щеток с коммутатором. Искрение может вызывать помехи в электрической сети и приводить к износу контактов.

3. Ограниченная скорость вращения: Коммутация в машинах постоянного тока ограничивает их скорость вращения. Это связано с ограничениями на частоту коммутации и максимальную скорость, при которой контакты щеток могут надежно соприкасаться с коммутатором.

4. Размер и вес: Коммутация в машинах постоянного тока требует наличия коммутационных устройств, которые могут быть крупными и тяжелыми. Это может быть проблемой в некоторых приложениях, где требуется компактность и легкость.

Примеры применения коммутации в машинах постоянного тока

Электродвигатели

Одним из основных примеров применения коммутации в машинах постоянного тока являются электродвигатели. Эти устройства используются во многих промышленных и бытовых приложениях для преобразования электрической энергии в механическую. Коммутация в электродвигателях позволяет изменять направление тока в обмотках ротора, что обеспечивает вращение ротора и, следовательно, движение механизма, к которому он подключен.

Генераторы

Коммутация также используется в генераторах постоянного тока. Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую, и коммутация позволяет поддерживать постоянное напряжение на выходе генератора. Коммутатор в генераторе переключает обмотки статора, чтобы поддерживать постоянное направление тока и, следовательно, постоянное напряжение.

Электромагнитные реле

Коммутация также используется в электромагнитных реле. Реле – это устройства, которые используются для управления электрическими цепями. Они состоят из электромагнита и контактов, которые открываются и закрываются при активации электромагнита. Коммутация в реле позволяет управлять электрическими цепями, переключая контакты в зависимости от состояния электромагнита.

Электронные устройства

Коммутация также используется во многих электронных устройствах, таких как источники питания, инверторы и преобразователи. Эти устройства используются для преобразования электрической энергии из одной формы в другую. Коммутация в электронных устройствах позволяет управлять потоком электрической энергии, переключая ключи или транзисторы в нужный момент времени.

Все эти примеры демонстрируют важность коммутации в машинах постоянного тока и ее широкое применение в различных областях техники и промышленности.

Таблица свойств коммутации в машинах постоянного тока

Свойство	Описание
Коммутационное устройство	Устройство, используемое для переключения тока в обмотках машины постоянного тока
Типы коммутации	Коммутация с помощью щеток и коллектора, коммутация с помощью полупроводниковых устройств
Принцип работы коммутации	Переключение тока в обмотках машины постоянного тока для обеспечения правильного направления и момента вращения ротора
Преимущества коммутации	Простота и надежность устройств коммутации, возможность контроля и регулировки тока и напряжения
Недостатки коммутации	Износ щеток и коллектора, возможность искрения и электромагнитных помех
Примеры применения коммутации	Электродвигатели, генераторы, электромагнитные реле

Заключение

Коммутация в машинах постоянного тока является важным процессом, который позволяет изменять направление тока в обмотках ротора. Она осуществляется с помощью коммутационных устройств, таких как щетки и коллекторы. Коммутация позволяет машинам постоянного тока работать эффективно и обеспечивает их применение в различных областях, таких как электроприводы и генераторы. Однако, коммутация также имеет свои недостатки, такие как износ щеток и возможность искрения. В целом, понимание коммутации в машинах постоянного тока является важным для студентов, изучающих электротехнику.

Коммутация в машинах постоянного тока: определение, принцип работы и примеры применения обновлено: 11 ноября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру

Первый и второй закон коммутации

Электрическая цепь может находиться в различных состояниях. В качестве примера можно привести включённое или выключенное. В моменты, когда цепь переходит из одного в другое, в ней могут происходить достаточно сложные процессы, которые называют переходными. В это время в большинстве случаев за доли секунды происходит перераспределение энергии. Более подробно разобраться в том, как осуществляются эти изменения, поможет знание двух законов коммутации.

Переходные процессы

В процессе работы электрическая цепь основную часть времени находится в установившемся состоянии. Однако при включении, отключении или переключениях оно будет меняться. В это время на протяжении очень краткого промежутка происходят переходные процессы, которые имеют свои особенности.

Для примера можно представить включение или выключение цепи постоянного тока, содержащей катушку индуктивности. В стабильном состоянии самоиндуктивность будет отсутствовать. При включении возникнет электродвижущая сила, препятствующая движению тока.

Однако в момент выключения ЭДС способна резко усилить ток. В некоторых ситуациях это может привести к появлению искры при размыкании электроцепи или другим последствиям. Приведённый пример показывает важность изучения поведения электрической сети во время переходных процессов.

Коммутацией называют замыкание или размыкания ключей, управляющих работой электроцепи. При этом может рассматриваться включение и отключение всей цепи или её отдельных участков.

Законы коммутации

В основном процессы коммутации определяются индуктивными и емкостными характеристиками электроцепи. Законы коммутации устанавливают закономерности их влияния на параметры цепи во время переходных процессов. Их использование позволяет более точно определить нужные характеристики.

Первый закон

Первый закон коммутации характеризует влияние индуктивности. Он утверждает следующее: в любой ветви цепи с катушкой в момент, когда начинается коммутация, сила тока и магнитный поток начинают изменяться с тех величин, которые были в предыдущий момент.

Для доказательства этого утверждения используется второй закон Кирхгофа. Как известно, он говорит о том, что сумма падений напряжений на замкнутом участке цепи равна нулю.

В рассматриваемой ситуации можно использовать следующую формулу:

В приведённом выражении второе слагаемое представляет электродвижущую силу, создаваемую во время переходных процессов индуктивностью. Если допустить скачкообразное изменение тока, то это слагаемое станет равно бесконечности, что невозможно. Таким образом, отсюда следует истинность первого закона коммутации.

Второй закон

Второй закон коммутации относится к участкам электроцепи с ёмкостью. При выполнении коммутации напряжение и величина заряда на обкладках конденсатора начинает изменяться непосредственно с тех значений, которые были в последний момент перед началом переходного процесса.

Для доказательства истинности данного утверждения можно рассмотреть следующую электрическую цепь.

Для доказательства необходимо использовать второй закон Кирхгофа, который в рассматриваемом случае примет следующий вид:

Производная напряжения, которая присутствует в формуле, не может быть равна бесконечности. Однако это становится возможным при скачкообразном изменении напряжения, что доказывает справедливость второго закона коммутации.

В общем виде оба закона могут быть записаны следующими выражениями:

Надо заметить, что законы корректной коммутации никак не ограничивают характер изменения емкостных токов или индуктивных напряжений. Эти параметры могут изменяться произвольно, в том числе и скачкообразно.

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.

1. 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.

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

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