V našem vsakdanjem življenju je uporaba enosmernih strojev za naše vsakodnevne potrebe postala običajna stvar. DC stroj je pretvorba energije naprava, ki naredi elektro-mehanske pretvorbe . Obstajata dve vrsti enosmernih strojev - enosmerni motorji in Enosmerni generatorji . Enosmerni motorji pretvarjajo enosmerno električno moč v mehansko gibanje, medtem ko enosmerni generatorji pretvarjajo mehansko gibanje v enosmerno moč. A ulov je v tem, da je tok, ki ga generira enosmerni tok, izmenični tok, vendar je izhod generatorja enosmerni !! Na enak način velja načelo motorja, kadar se tok v tuljavi izmenjuje, vendar je moč, ki jo ima enosmerni motor, enosmerna !! Kako potem delujejo ti stroji? Odgovor na to čudo je majhna naprava z imenom 'Commutator'.
Kaj je komutacija?
Komutacija v enosmernih strojih je postopek, pri katerem pride do obračanja toka. V enosmernem generatorju se ta postopek pretvori inducirani izmenični tok v vodnikih v enosmerni izhod. Pri enosmernih motorjih se komutacija uporablja za preusmeritev smeri Enosmerni tok preden se nanese na tuljave motorja.
Kako poteka postopek komutacije?
Pri tem pomaga naprava, imenovana Komutator. Oglejmo si delovanje enosmernega motorja, da bomo razumeli postopek komutacije. Osnovno načelo, na katerem deluje motor, je elektromagnetna indukcija. Ko tok prehaja skozi vodnik, tvori okrog njega črte magnetnega polja. Vemo tudi, da ko se magnetni sever in magnetni jug obrneta drug proti drugemu, se magnetne črte sile premaknejo od magneta severnega pola do magneta južnega pola, kot je prikazano na spodnji sliki.
Magnetne črte sil
Ko se vodnik z magnetnim poljem, induciranim okoli njega, postavi na pot teh magnetnih silnic, blokira njihovo pot. Te magnetne črte skušajo torej oviro odstraniti tako, da jo premikajo navzgor ali navzdol, odvisno od smeri toka v voznik . To povzroči motorični učinek.
Motorni učinek na tuljavo
Ko se Elektromagnetna tuljava je nameščen med dvema magnetnima, severno obrnjenim proti jugu drugega magneta, magnetne črte premaknejo tuljavo navzgor, ko je tok v eno smer, in navzdol, ko je tok v tuljavi v obratni smeri. To ustvarja rotacijsko gibanje tuljave. Za spremembo smeri toka v tuljavi sta na vsakem koncu tuljave, imenovane komutator, pritrjeni dve kovini v obliki polmeseca. Kovinske ščetke so nameščene z enim koncem, pritrjenim na baterijo, drugi konec pa s komutatorji.
Enosmerni motor
Komutacija v enosmernem stroju
Vsaka tuljava armature ima na svojem koncu pritrjena dva komutatorja. Za pretvorbo toka morajo odseki in ščetke komutatorja vzdrževati neprekinjen stik. Da bi dobili večje izhodne vrednosti, se v enosmernih strojih uporablja več kot ena tuljava. Torej imamo namesto enega para več parov segmentov komutatorja.
DC komutacija
Tuljava je s pomočjo ščetk v zelo kratkem času v kratkem stiku. To obdobje je znano kot obdobje komutacije. Upoštevajmo enosmerni motor, pri katerem je širina palic komutatorja enaka širini ščetk. Naj bo tok, ki teče skozi vodnik, Ia. Naj bodo a, b, c segmenti komutatorja motorja. Trenutni preobrat v tuljavi, tj. postopek komutacije lahko razumemo v spodnjih korakih.
Položaj-1
položaj 1
Pustite, da se armatura začne vrteti, nato se krtača premakne čez segmente komutatorja. Naj bo prvi položaj kontakta komutatorja krtače v segmentu b, kot je prikazano zgoraj. Ker je širina komutatorja enaka širini krtače, so v zgornjem položaju skupne površine komutatorja in krtače med seboj v stiku. Skupni tok, ki ga v tem položaju izvede komutatorski segment v krtačo, bo 2Ia.
Položaj-2
Zdaj se armatura zavrti v desno in krtača pride v stik z drogom a. V tem položaju bo skupni prevodni tok 2Ia, vendar se tok v tuljavi spremeni. Tu tok teče po dveh poteh A in B. 3/4 od 2Ia prihaja iz tuljave B, preostala 1/4 pa iz tuljave A. Ko KCL deluje na segmentu a in b, tok skozi tuljavo B se zmanjša na Ia / 2 in tok, ki se vleče skozi segment a, je Ia / 2.
položaj 2
Položaj-3
V tem položaju je polovica krtače v stiku z odsekom a, druga polovica pa z odsekom b. Ker je celotni izvlečen tok skozi krtačo 2Ia, se tok Ia vleče skozi tuljavo A, Ia pa skozi tuljavo B. Z uporabo KCL lahko opazimo, da bo tok v tuljavi B enak nič.
3. položaj
Položaj-4
V tem položaju bo ena četrtina površine ščetke v stiku z odsekom b in tri četrtine z odsekom a. Tu je tok, ki se pretaka skozi tuljavo B, - Ia / 2. Tu lahko opazimo, da je tok v tuljavi B obrnjen.
položaj 4
Položaj 5
V tem položaju je krtača v polnem stiku s segmentom a in tok iz tuljave B je Ia, vendar je obrnjen v smeri trenutne smeri položaja 1. Tako je postopek komutacije za segment b končan.
položaj 5
Učinki komutacije
Izračun se imenuje Idealna komutacija, ko je obračanje toka končano do konca obdobja komutacije. Če se trenutni preobrat zaključi v obdobju komutacije, pride do iskrenja na stiku ščetk in pride do pregrevanja, ki poškoduje površino komutatorja. Ta napaka se imenuje slabo komutirana naprava.
Za preprečevanje te vrste napak obstajajo tri vrste metod za izboljšanje komutacije.
- Komunikacija upora.
- EMF komutacija.
- Kompenzacijsko navitje.
Komutacija upora
Za reševanje problema slabe komutacije se uporablja metoda komutacije upora. Pri tej metodi se bakrene ščetke z manjšo odpornostjo nadomestijo z ogljikovimi ščetkami z večjo odpornostjo. Odpornost narašča s padajočo površino preseka. Torej se upor zadnjega segmenta komutatorja poveča, ko se krtača premakne proti vodilnemu segmentu. Zato je vodilni segment najbolj priljubljen za trenutno pot, velik tok pa po poti, ki jo zagotavlja vodilni segment, doseže krtačo. To lahko dobro razumemo, če si ogledamo spodnjo sliko.
Na sliki zgoraj lahko tok iz tuljave 3 poteka po dveh poteh. Pot 1 iz tuljave 3 v tuljavo 2 in odsek b. Pot 2 od kratkostične tuljave 2, nato tuljava 1 in odsek a. Ko se uporabljajo bakrene ščetke, bo tok zavzel pot 1 zaradi manjšega upora, ki ga ponuja pot. Ko pa se uporabljajo ogljikove ščetke, ima tok raje Pot 2, ker se zmanjšanje območja stika med krtačo in segmentom poveča. To ustavi zgodnji preobrat toka in prepreči iskrenje v enosmerni napravi.
EMF komutacija
Indukcijska lastnost tuljave je eden od razlogov za počasno obračanje toka med komutacijo. Težave je mogoče odpraviti z nevtralizacijo reaktančne napetosti, ki jo tuljava ustvari, tako da v komutacijskem toku tvori povratno e.m.f v tuljavi kratkega stika. Ta komutacija EMF je znana tudi kot komutacija napetosti.
To je mogoče storiti na dva načina.
- Z metodo premikanja krtač.
- Z uporabo komutirajočih polov.
Pri metodi prestavljanja krtač se krtače premaknejo naprej pri enosmernem generatorju in nazaj pri enosmernem motorju. To vzpostavi pretok v nevtralnem območju. Ko komutacijska tuljava reže tok, je inducirana majhna napetost. Ker je treba položaj krtače spremeniti za vsako spremembo obremenitve, je ta metoda redko zaželena.
Pri drugi metodi se uporabljajo komutacijski poli. To so majhni magnetni drogovi, nameščeni med glavnimi stebri, nameščenimi na statorju stroja. Ti so pritrjeni zaporedno v povezavi z armaturo. Ker obremenitveni tok povzroča nazaj e.m.f. , ti komutirajoči poli nevtralizirajo položaj magnetnega polja.
Brez teh komutirajočih polov reže komutatorja ne bi ostale poravnane z idealnimi deli magnetnega polja, saj se položaj magnetnega polja spreminja zaradi hrbtne ef. V obdobju komutacije ti komutirajoči poli inducirajo e.m.f v tuljavi kratkega stika, ki nasprotuje reaktančni napetosti in daje komutacijo brez isker.
Polarnost komutirajočih polov je enaka kot glavni pol, ki se nahaja poleg njega za generator, medtem ko je polarnost komutirajočih polov nasproti glavnih polov v motorju.
Učenje o komutator ugotovili smo, da ima ta majhna naprava pomembno vlogo pri pravilnem delovanju enosmernih strojev. Ne samo kot pretvornik toka, ampak tudi za varno delovanje strojev brez poškodb zaradi isker, so komutatorji zelo koristne naprave. Toda z vse večjim tehnološkim razvojem se komutatorji nadomeščajo z novo tehnologijo. Ali lahko navedete novo tehniko, ki je v zadnjih dneh zamenjala komutatorje?
