Komutace

Základy komutace jsou vysvětleny na příkladu paralelního smyčkového vinutí, jehož cívky jsou vyvedeny na sousední lamely. Předpokládejme, že proud kartáčem, pro zjednodušení o šířce rovné lamelové rozteči, je konstantní. Dotýká-li se kartáč pouze jedné lamely, podle obr. 1, je proud procházející cívkami „zleva” a „zprava” stejně veliký. Dotýká-li se kartáč dvou lamel, uvažovaná cívka je tímto kartáčem zkratována a komutuje.

Komutace je změna proudu v cívce z jedné polarity na polaritu opačnou při přechodu z jedné paralelní větve do druhé, cívka je přitom kartáči spojena nakrátko. [1]

Obr. 1: Komutace [4]

Proces komutace ve vyznačené cívce, při zvoleném proudu kartáčem I = 40 A, je zřejmý z obr. 1. Předpokládejme, že proud procházející oběma vývody cívky je přímo úměrný dotykové ploše a příslušné části kartáče s lamelou. Například na obr. 1b je v dotyku s lamelou č. 1 jedna čtvrtina kartáče a zbývající tři čtvrtiny se dotýkají lamely č. 2. Proud ve vývodech je rozdělen ve stejném poměru.

Na obr. 1 je znázorněno pět stavů procesu komutace pro různé časové okamžiky při rovnoměrném pohybu (konstantní rychlosti). Proud v komutující cívce nabývá hodnot +20 A, +10 A, 0, –10 A, –20 A. Časová závislost těchto proudů je lineární, tato komutace se nazývá lineární nebo též přímková.

Lineární komutace (ideální) byla odvozena za zjednodušujících předpokladů:

a) Rozdělení proudů ve vývodech cívek je dáno pouze přechodovým odporem mezi kartáči a lamelami.

b) Vlastní a vzájemná indukčnost cívek kotvy nechť je zanedbatelná.

c) V komutující cívce se při komutaci indukuje nulové napětí.

d) Odpor komutující cívky je zanedbatelný ve srovnání s přechodovým odporem kartáčů.

Obr. 2: Závislost proudu komutující cívky na čase při lineární komutaci [4]

Komutace v reálných strojích však není lineární, neboť uvedené předpoklady nejsou beze zbytku splněny. Aby se komutace alespoň blížila lineárnímu průběhu, používají se u stejnosměrných strojů kartáče s velkým přechodovým odporem kartáč - lamela. Místo původně používaných měděných kartáčů se používají kartáče uhlografitové či elektrografitové.

V komutující cívce se vlivem vlastních a vzájemných indukčností současně komutujících cívek indukuje reaktanční napětí, které působí proti příčině svého vzniku:

Reaktanční napětí závisí přímo úměrně na obvodové rychlosti komutátoru, proudu kotvy, na druhé mocnině počtu závitů komutující cívky a na magnetickém odporu cest rozptylového toku.

Jestliže komutační napětí u_B, tj. indukované napětí od vnějšího pole, které vytvoříme pro zlepšení komutace, vyruší napětí reaktanční, je výsledné napětí indukované v komutující cívce nulové.

Obr. 3: Komutující cívky [4]

Obr. 4: Průběh komutace [4]

Jiskření pod kartáči, podle jehož intenzity se posuzuje kvalita komutace, závisí především na proudové hustotě pohyblivého styku kartáč - lamela. Proudová hustota v kterékoliv části kartáče je dána poměrem proudu a plochy, jíž prochází. Je úměrná směrnici tečny časového průběhu proudu v komutující cívce. Proudová hustota závisí na rychlosti změny proudu v dané části kartáče. Při lineární komutaci je proudová hustota na kluzném kontaktu po celou dobu komutace konstantní. Lze ji ovlivnit např. velikostí proudu.

Převažuje-li  reaktanční napětí, pak probíhá komutace tzv. zpomalená, viz obr. 4. Na konci komutace nutně narůstá rychlost změny proudu v komutující cívce, tím ale neúměrně roste proudová hustota a k jiskření dochází pod odbíhající hranou kartáče. Stroj je podkomutován.

K odstranění nepříznivého vlivu reaktančního napětí je nutno vytvořit komutační napětí opačného znaménka tím, že se vytvoří opačné pole v místě, v němž se nachází komutující cívka. Je-li komutační napětí příliš velké, dochází ke zrychlené komutaci, stroj je tzv. překomutovaný a k jiskření dochází na nabíhající straně kartáče. Oba stavy jsou nepříznivé.

 

Obr. 5: Provedení komutátoru[5]

Zdroje

[1] VRÁNA, Václav, Stanislav KOCMAN a Václav KOLÁŘ: Stejnosměrné stroje [online]. [cit. 2014-9-22]. Dostupný na www: http://fei1.vsb.cz/kat420/vyuka/hgf/elektrotechnika/sylab_stejnosmerne_stroje_bc.pdf

[2] Autor neznámý. Stejnosměrné stroje [online]. [cit. 2014-9-22]. Dostupný na www: http://www.janoud.cz/sub/jcuele/15_Elektricke_stroje_3.pdf

[3] Autor neznámý. Stejnosměrné stroje [online]. [cit. 2014-9-27]. Dostupný na www: http://oldmotor.feld.cvut.cz/www/materialy/A1B14SP1/EMM-p-2-14-44--SS.doc

Obrázky

[4] Autor neznámý. Stejnosměrné stroje [online]. [cit. 2014-9-27]. Dostupný na www: http://oldmotor.feld.cvut.cz/www/materialy/A1B14SP1/EMM-p-2-14-44--SS.doc

[5] TKOTZ, Klaus : Příručka pro elektrotechnika. Europa - Sobotáles, 2006