Коммутация тока

В разделе устройство обмотки якоря было показано, что для получения постоянной по направлению и почти постоянной по величине э. д. с. E конструируется обмотка якоря, состоящая из 2a = 2,4,6, и т. д. параллельных ветвей, секции которых непрерывно одна за другой переключаются из одной ветви в другую.
Механическим переключателем секций служит коллектор и щётки .
Процесс переключения секций, поочередно переходящих из одной параллельной ветви в другую, и совокупность явлений, происходящих при этом, называется коммутацией. Переключаемая секция замкнута щеткой накоротко и находится в это время вблизи от геометрической нейтрали. Электродвижущая сила, наводимая в секции внешним полем полюсов, почти равна нулю.
Время Т, в течение которого совершается переключение и секция замкнута накоротко, составляет тысячные доли секунды и называется периодом коммутации.
Рассмотрим очень упрощенно процесс коммутации.
Подлежащая рассмотрению секция , лежащая в пазах 6 и 3, показана отдельно на рис. 4-14.

Предположим, что обмотка вращается очень медленно (T  = ~ ∞), ширина щетки равна ширине коллекторной пластины и в расчет принимается сопротивление только переходного слоя r_п = R между щеткой и коллекторной пластиной. Тогда ток I_Я от щетки переходит в коллекторную пластину 1 и делится на два равных тока i = 0.5I_Я. На рис. 4-14 показано, что в секции, включенной в параллельную ветвь,идущую влево, проходит ток i_с= 0.5I_Я в направлении, обратном движению стрелки часов.
В следующий момент времени, когда коллекторная пластина 6 коснется щетки, ток I_Я будет делиться по-иному.
Если, например, через промежуток времени t = 0.1T щетка касается одной десятой своей контактной поверхности пластины 6, то через эту пластину проходит ток 
i₆ = 0.1I_Я, а через пластину 1 — ток i₁ = 0.9I_Я.
Токи в параллельных ветвях по-прежнему должны быть неизменны и равны i_Я = 0.5I_Я,
если I_Я = const.
Тогда, имея прежнее направление, ток секции i_с = i₁ - i_Я = (0.9 - 0.5)I_Я = 0.4 I_Я, а ток другой параллельной ветви i_Я = i₆ - i_c = (0.1 + 0.4)I_Я = 0.5 I_Я.
Секция в рассмотренный момент времени показана на рис. 4-15.
Если рассмотреть положение в момент, когда t = 0.5T, то окажется, что ток секции i_с= 0, а токи в параллельных ветвях по-прежнему i_Я = 0.5I_Я.
В дальнейшем ток секции начнет нарастать в обратном направлении и при  t = T он будет равен i_с= 0.5I_Я.
Секция переключена в другую параллельную ветвь, и коммутация- закончена (рис. 4-16). Зависимость изменения тока i_c от времени t показана на рис. 4-17 и представляет собой прямую линию.

Коммутация в этом случае называется прямолинейной и ее всегда стремятся получить такой при конструировании машины.
Однако практически время коммутации T ничтожно, ток секции i_c быстро меняется, и в ней наводится э. д. с. самоиндукции e_s.
Зависимость i_c  = f (t) прямая линия, т. е. di_c/dt = tga = const.
Следовательно, e_s = —L_c di_c/dt  постоянная величина, а добавочный ток в секции, ею вызванный,

где r₁, и r₆ — сопротивления переходного слоя между щеткой и соответствующей коллекторной пластиной.
Вычисляя для различных значений t  величину r_п, можно найти ток i_s.
Величина r_п  для t = T / 2, например, равна r₆ + r₁ = 2R + 2R = 4R, а для t = 0  и  t = T она равна бесконечности.
Зависимость тока i_s от времени  t показана на рис. 4-17, б. Суммарный ток i_c + i_s представлен на рис. 4-17, а пунктирной кривой, по которой можно видеть, что при наличии e_s суммарный ток секции переходит через нуль позже, чем следует ( t > T / 2 ). Такая коммутация называется замедленной.
При замедленной коммутации плотность тока на сбегающем крае щетки сильно увеличивается (рис. 4-18), вызывая излишний, сверх расчетного, нагрев щетки и ускоренный износ ее. Однако главная опасность состоит в том, что при замедленной коммутации наблюдается искрение между коллектором и сбегающим краем щетки.
Оно возникает потому, что при размыкании секции запасенная ею электромагнитная энергия
L_c i_s² / 2  выделяется в электрической дуге сбегающего края щетки.

Если благодаря поперечной реакции якоря индукция B_δ под краем полюса увеличивается на 30—50%, то между коллекторными пластинами секции, перемещающейся в зоне повышенной индукции, возникает разность потенциалов, превышающая 25—35 В. Этим напряжением поддерживаются отдельные электрические дуги, которые, сливаясь в ионизированном пространстве вокруг коллектора, могут образовать мощную дугу, перекрывающую траверсы щеток разной полярности. Это называется круговым огнем по коллектору и вызывает серьезную аварию.
Для улучшения коммутации принимаются меры, которые сводятся к уменьшению добавочного тока i_s. Одной из самых радикальных мер является применение дополнительных полюсов.
На рис. 4-19 показан двухполюсный генератор, имеющий, кроме главных полюсов  N  и  S, два дополнительных полюса n  и  s, расположенных по геометрической нейтрали и чередующихся, как показано, в направлении вращения якоря.
Обмотка возбуждения дополнительных полюсов соединена последовательно с якорем. В двух секциях, показанных на рисунке кружками, происходит коммутация. Электродвижущая сила машины E и уменьшающийся ток секции i_c направлены в одну сторону; в эту же сторону направлена и э. д. с. самоиндукции e_s, поддерживающая убывающий ток (рис. 4-19, б).
При указанной на рис. 4-19, а полярности дополнительных полюсов, в активных сторонах секции наводится дополнительная э. д. с. коммутации e_к, направление которой встречно E, а значит, и e_s.
Если e_к численно равно e_s, то дополнительный, ток секции

При работе машины электродвигателем чередованием главных полюсов с дополнительными по направлению вращения будет N n S s.
Так как э. д. с. e_s пропорциональна току якоря I_Я, то для автоматической компенсации ее при всех нагрузках дополнительные полюсы делаются ненасыщенными.
Тогда э. д. с.
Для проверки допустимой коммутации «на глаз» установлены следующие степени искрения на коллекторе:
Степень 1—отсутствие искр (темная  коммутация).
Степень 1 ¹/₄  — слабое точечное искрение под небольшой частью щетки. В этих случаях нет почернения коллектора и нагара на щетках.
Степень 1 ¹/₂ — слабое искрение под большей частью щетки. При этом появляются следы почернения на коллекторе, легко устраняемые протиранием поверхности коллектора тряпкой, смоченной в бензине, а также следы нагара на щетках.