Коммутация. При вращении якоря секции его обмотки попеременно проходят под полюсами разной полярности и тем самым переключаются из одной параллельной ветви в другую. Процесс переключения секций из одной параллельной ветви в другую, называемый коммутацией, сопровождается изменением тока в секции и замыканием этой секции щеткой накоротко. Секции, замкнутые накоротко в процессе коммутации, называются коммутируемыми секциями. Коммутация в секции начинается с момента, когда коллекторные пластины перекрываются набегающим краем щетки, а заканчивается в момент выхода указанных коллекторных пластин из-под сбегающего края щетки. Рассмотрим процесс коммутации в одной из секций обмотки якоря при различных положениях щетки. Для простоты будем считать, что ширина щетки равна ширине коллекторной пластины. В начале коммутации (рис. 60, а) щетка перекрывает коллекторную пластину 1 и ток якоря I_я разветвляется на две части, при этом по каждой параллельной ветви (правой и левой) протекают токи I_я/2. В процессе вращения якоря щетка начинает перекрывать две коллекторные пластины 1 и 2, при этом замыкает накоротко коммутируемую секцию 1,4. обозначаемую жирной линией, В момент равномерного перекрытия пластин 1 и 2 (рис, 60, 6) через коммутируемую секцию ток протекать не будет, а в параллельных ветвях будут протекать токи I_я/2.

Рис, 60. Схемы коммутации

В конце коммутации (рис. 60, в) щетка вновь будет перекрывать пластину 2, Ток в коммутируемой секции будет направлен противоположно его направлению в начале коммутации (см. рис. 60, а).

Таким образом, за время коммутации, определяемое частотой вращения якоря, рассматриваемая секция переходит из левой параллельной ветви в правую, За этот период токи в проводниках 2 и 3 остаются неизменными, равными I_я/2, так как проводник 2 остается все время в правой, а проводник 3 — в левой параллельной ветви. Ток же в секции 1, 4 изменяется. В начальный период он уменьшается до нуля, это происходит в момент, когда щетка перекроет одинаковую площадь коллекторных пластин 1 и 2, дальнейшее движение секции 1, 4 изменит направление тока на обратное, и он начнет увеличиваться. В конце периода коммутации к моменту схода щетки с коллекторной пластины 1 ток достигнет значения I_я/2. Секция 1, 4 в этот период будет находиться в первой ветви обмотки якоря (см. рис. 60, в).

Рассмотренный процесс коммутации не вызывает каких-либо неприятных последствий. Однако в обычных условиях работы тяговых двигателей коммутация протекает более сложно. Изменение тока от +I_я/2 до —I_я/2 происходит очень быстро—примерно за 0,0001—0,001 с, а щетка перекрывает одновременно несколько коллекторных пластин. Изменение тока в коммутируемых секциях приводит к изменению магнитного потока, который пронизывает проводники соседних секций. В результате этого в коммутируемой секции возникают э. д. с. самоиндукции и э. д. с. взаимоиндукции, совместно они представляют реактивную э. д. с. ер. В замкнутой накоротко секции реактивная э. д. с. ер вызывает добавочный ток коммутации I_н = е_р/r_к. Сопротивление короткозамкнутой секции r_к обычно очень мало и поэтому ток I_к достигает больших значений.

Ток I_к увеличивает общий ток в коммутируемой секции и сильно влияет на характер коммутации. Ввиду того что ток в коммутируемой секции в процессе коммутации стремится уменьшиться, а затем изменить свой знак, э. д. с. е_р и ток коммутации I_к согласно правилу Ленца должны противодействовать этому уменьшению; следовательно, в первую половину периода коммутации они будут иметь направление, совпадающее с направлением тока в коммутируемой секции. Ток коммутации I_к уменьшает ток i₁, (рис. 61) под набегающим краем щетки и увеличивает ток i₂ под сбегающим краем. Плотность тока под щетками становится неравномерной — повышенной под сбегающим краем щетки и пониженной под небагающим. В момент схода щетки с коллекторной пластины плотность тока может достичь большого значения, что приведет к повышенному искрению.

Рис. 61. Схема направления реактивной э. д. с. e_р и тока коммутации I_к в коммутируемой секции

Рис. 62. К оценке качества коммутации: Щ – щетка; КП — коллекторная пластина; X — место образования искры

При неблагоприятном процессе коммутации между щеткой и пластиной может появиться электрическая дуга. Дуга может переходить от пластины к пластине, что приведет к возникновению кругового огня.

Для оценки качества коммутации применяют специальную шкалу, которая включает в себя пять степеней искрения (рис. 62). Нормальными для продолжительной работы двигателя считаются степени искрения 1, H/i и I1/,. Работа тягового двигателя со степенью искрения 2 допускается лишь при кратковременных перегрузках, а со степенью искрения 3, как правило, не допускается.

Способы улучшения коммутации. Причин неудовлетворительной коммутации тяговых двигателей много, однако основной причиной искрения под щетками является добавочный ток коммутации I_к, вызванный реактивной э. д. с, е_р, следовательно, улучшить коммутацию можно уменьшением реактивной э, д. с. е_р, уменьшением тока коммутации I_к путем увеличения сопротивления в цепи коммутируемой секции и создания компенсирующей э, д. с. е_к в коммутирующих секциях. Для увеличения суммарного сопротивления в цепи коммутируемой секции подбирают электрографитированные щетки, имеющие большое сопротивление, кроме того, увеличивают переходное сопротивление между щеткой и коллектором. Уменьшение реактивной э. д, с. при меньшей индуктивности секции предусматривают в конструкции тягового двигателя: секции делают одновитковыми и пазы якоря открытыми и не очень глубокими, Так как индуктивность верхнего слоя всегда меньше индуктивности нижнего слоя, то для уравнивания индуктивности одну сторону каждой секции располагают в верхнем слое, а другую — в нижнем.

Качество коммутации зависит и от ширины щетки: чем больше щетка одновременно перекрывает пластин коллектора, тем больше- коммутируется секций и, следовательно, увеличивается реактивная э. д. с.

Компенсирующую э. д. с. е_к в тяговых двигателях создают с помощью системы дополнительных полюсов. Магнитное поле дополнительных полюсов воздействует на поле реакции якоря в зоне коммутации и индуктирует в коммутируемой секции компенсирующую э. д. с. е_к. Так как э. д. с. е_р зависит от тока якоря, то для обеспечения ее компенсации э. д. с. е_к должна также зависеть от тока якоря. С этой целью катушки дополнительных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря. Если компенсирующая э. д. с. е_к равна реактивной э. д. с. е_р, то будут иметь место идеальные условия коммутации (I_к = 0), при которых обеспечивается безыскровая работа тяговых двигателей.

Рис. 63. Нескомпенсированная э. д. с. е_р, возникающая вследствие насыщения магнитной цепи дополнительных полюсов

При больших перегрузках начинает нарушаться компенсация реактивной э. д. с. ер из-за насыщения магнитной цепи дополнительных полюсов. В этом случае реактивная э. д. с. е_р возрастает пропорционально току, а рост э. д. с. е_к — более замедленным, вследствие чего в коммутируемой секции появится нескомпенсированная э. д. с. е_р, которая вызовет искрение под щеткой (рис. 63). Для увеличения предельной нагрузки насыщения магнитной цепи дополнительных полюсов их выполняют сплошными из литой стали, а поперечное сечение делают таким, чтобы индукция магнитного поля в стали сердечников была сравнительно небольшой, кроме этого, воздушный зазор под дополнительными полюсами делают значительно большим, чем под главными полюсами.