В процессе вращения якоря двигателя витки его обмотки поочередно переходят из области взаимодействия с северным полюсом в область взаимодействия с южным, а затем снова с северным и т. д. При переходе витка из одной области в другую ток в нем уменьшается до нуля (происходит как бы отключение цепи), а затем возрастает (включение) до прежнего значения, но изменив направление на противоположное.
Изменение соединений в электрических цепях (включение, отключение и переключение их частей), осуществляемое с помощью различных аппаратов — коммутаторов, называется коммутацией (от латинского слова commutatio — изменение, перемена). В электрических машинах постоянного тока коммутатором служит коллектор. Максимальная частота изменения направления тока в секции обмотки якоря очень велика и составляет в зависимости от типа двигателя 13—15 тысяч переключений в минуту. Коммутация в некоторых условиях может сопровождаться искрением под щетками, что приводит к усиленному износу коллектора, а иногда, при возникновении сплошного искрения (кругового огня), к серьезным повреждениям двигателя.
Рассмотрим, как протекает процесс коммутации. Известно, что в электрической цепи при изменении тока возникает э. д. с. самоиндукции. Появление ее объясняется тем, что магнитное поле, создаваемое электрическим током, проходящим по проводнику, изменяется одновременно с изменением тока. Изменяющееся магнитное поле приводит к возникновению в проводнике э. д. с. самоиндукции, направление которой таково, что она препятствует изменению тока, вызывающему ее, т. е. стремится поддержать первоначальный ток. Если ток уменьшается, то э. д. с. самоиндукции задерживает его снижение и, наоборот, при увеличении тока задерживает его рост.
Результат действия э. д. с. самоиндукции можно увидеть, например, при размыкании рубильников, когда в момент разрыва цепи в воздухе возникает электрическая дуга. Действие э. д. с. самоиндукции подобно силам инерции в механике, которые противодействуют всякому изменению скорости движущегося тела.
При коммутации витка обмотки якоря в момент, когда щетка сходит с коллекторной пластины, с которой электрически соединен коммутирующий виток, цепь размыкается и возникающая э. д. с. самоиндукции стремится поддерживать прекращающийся ток. Но между неподвижной щеткой и быстро движущейся коллекторной пластиной сразу же появляется слой воздуха, который, как известно, обладает хорошими изоляционными свойствами. Э. д. с. самоиндукции повышает напряжение, действующее между соседними коллекторными пластинами, и воздух может ионизироваться, т. е. стать проводником; при некотором значении э. д. с. слой воздуха пробивается, через него проходит электрический ток.
Кроме э. д. с. самоиндукции, есть еще причины, затрудняющие процесс коммутации в двигателе. Одна из них — э. д. с. взаимной индукции. Как уже было отмечено, щетка перекрывает не одну, а несколько пластин коллектора, т. е. в процессе коммутации участвуют несколько соседних витков одновременно; поэтому с изменением тока в коммутируемых витках переменные магнитные поля наводят не только э. д. с. самоиндукции в собственных проводниках, но и э. д. с. взаимной индукции в соседних, действующую согласно с э. д. с. самоиндукции.
Затрудняет коммутацию и так называемая реакция якоря. Сущность этого явления заключается в следующем. Проходящий по проводникам обмотки якоря ток создает вокруг каждого проводника магнитный поток, направление силовых линий которого определяется по известному из электротехники правилу буравчика (рис. 24).
Магнитные потоки отдельных проводников обмотки якоря, складываясь, образуют общий магнитный поток якоря, направленный перпендикулярно к оси полюсов. Поток якоря, накладываясь на магнитный поток обмотки возбуждения, искажает его под полюсами двигателя: усиливает с одной стороны и ослабляет с другой. Воздействие магнитного потока якоря на магнитный поток возбуждения называют реакцией якоря. Чем больше нагрузка двигателя, тем сильнее действие реакции якоря.
Вследствие искажающего влияния реакции якоря ось, по которой располагают щетки (ее называют геометрической нейтралью), попадает в сферу действия магнитного потока. Поэтому коммутируемые витки пересекают магнитные силовые линии искаженного магнитного потока и в них и наводятся дополнительные э. д. с, которые, как и э. д. с. самоиндукции и взаимной индукции, нарушают нормальный процесс коммутации. Э. д. с. самоиндукции, взаимной индукции и реакции якоря складываются. Результирующую э. д. с. называют реактивной.
Как же добиться, чтобы при коммутации не возникло сильное искрение? В тяговых двигателях, как и в большинстве других двигателей постоянного тока, для этого устанавливают дополнительные полюса. Магнитный поток, создаваемый ими, должен быть направлен так, чтобы в коммутируемых секциях при их перемещении наводилась э. д. с, равная реактивной и направленная навстречу ей. Реактивная э. д. с. непостоянна. Она изменяется пропорционально току якоря. Э. д. с, создаваемая дополнительными полюсами, должна изменяться так же. Это условие будет выполнено, если по обмотке дополнительных полюсов будет проходить тот же ток, что и по обмотке якоря. Поэтому обмотку якоря и обмотки дополнительных полюсов необходимо соединить последовательно (рис. 25).
Для улучшения процесса коммутации щетки выполняют из материала, создающего повышенное сопротивление в месте контакта с коллектором. При этом в цепь тока, вызванного реактивной э. д. с, вводится дополнительное сопротивление, и он уменьшается.
Большое значение для обеспечения надежной коммутации двигателей имеет выбор напряжения между соседними коллекторными пластинами. Коммутация двигателей протекает без искрения при напряжении между ними, не превышающем 30—32 В. Более высокое напряжение способно пробить воздушный промежуток, и тогда в момент разрыва контакта между щетками и сбегающими с них коллекторными пластинами возникает искрение.
Как уже отмечалось, реакция якоря ослабляет магнитный поток возбуждения с одной стороны полюса и усиливает его с другой. В витках якоря, пересекающих область, где магнитный поток возбуждения усилен, возникает повышенная э. д. с. В результате возрастает напряжение между соседними коллекторными пластинами. Это напряжение увеличивается также при перегрузках мощных тяговых двигателей, когда особенно сильно сказывается реакция якоря. В таких условиях между коллекторными пластинами может возникнуть круговой огонь — мощная электрическая дуга, замыкающая накоротко обмотку якоря или большую часть ее; она вызывает тяжелые повреждения двигателя.
Дополнительные полюса сводят до минимума опасность возникновения только реактивной э. д. с, не компенсируя искажающее действие реакции якоря под главными полюсами. Поэтому во всех двигателях электровозов переменного тока и в мощных двигателях электровозов постоянного тока ВЛ10 и ВЛ11 применяют компенсационную обмотку. Эту обмотку (см. рис. 22) соединяют последовательно с обмоткой якоря так, чтобы создаваемый компенсационной обмоткой поток был направлен встречно по отношению к потоку реакции якоря. Этот поток устраняет искажение потока под главными полюсами, а следовательно; и искажение напряжения между коллекторными пластинами, находящимися в этой зоне.
Компенсационная обмотка — наиболее действенное средство улучшения коммутации тяговых двигателей, обычно работающих в условиях резкопеременных нагрузок. Однако применение ее усложняет конструкцию двигателя; усложняются также его эксплуатация и ремонт. Применение гладких якорей, о которых говорилось выше, позволяет отказаться от компенсационной обмотки, так как при этом значительно уменьшается реакция якоря, а значит, улучшается коммутация тяговых двигателей.
Следует отметить, что использование петлевой обмотки и увеличение числа пар полюсов также обеспечивают лучшую коммутацию.
