Komutátor (elektrický) - Commutator (electric)
Komutátor je rotační elektrický spínač v některých typů elektrických motorů a elektrických generátorů , které periodicky obrací proud směr mezi rotorem a vnějším obvodu. Skládá se z válce složeného z několika kovových kontaktních segmentů na rotující kotvě stroje. Dva nebo více elektrických kontaktů zvaných „ kartáče “ vyrobených z měkkého vodivého materiálu, jako je uhlík, tlačí proti komutátoru a vytvářejí kluzný kontakt s následnými segmenty komutátoru při jeho otáčení. Vinutí (cívky drátu) na kotvě jsou připojeny k segmentům komutátoru.
Komutátory se používají ve strojích na stejnosměrný proud : dynama (generátory stejnosměrného proudu) a mnoho stejnosměrných motorů i univerzálních motorů . V motoru komutátor přivádí elektrický proud do vinutí. Obrácením směru proudu v rotujících vinutích každou polovinu otáčky vzniká ustálená rotační síla ( točivý moment ). V generátoru komutátor odebírá proud generovaný ve vinutí, obrací směr proudu s každou půl otáčkou a slouží jako mechanický usměrňovač pro převod střídavého proudu z vinutí na jednosměrný stejnosměrný proud ve vnějším zatěžovacím obvodu. První stejnosměrný komutátorový stroj, dynamo , postavil Hippolyte Pixii v roce 1832 na základě návrhu André-Marie Ampèra .
Komutátory jsou relativně neúčinné a vyžadují také pravidelnou údržbu, jako je výměna kartáče. Proto se komutované stroje snižují, jsou nahrazovány střídavými (AC) a v posledních letech střídavými stejnosměrnými motory, které používají polovodičové spínače.
Princip činnosti
Komutátor se skládá ze sady kontaktních tyčí připevněných k rotující hřídeli stroje a připojených k vinutím kotvy. Jak se hřídel otáčí, komutátor obrací tok proudu ve vinutí. U vinutí s jednou kotvou, když se hřídel otočil o polovinu úplného otáčení, je nyní vinutí připojeno tak, že jím protéká proud v opačném směru než je původní směr. V motoru proud kotvy způsobuje, že pevné magnetické pole vyvíjí rotační sílu nebo točivý moment na vinutí, aby se otočilo . V generátoru udržuje mechanický točivý moment působící na hřídel pohyb vinutí kotvy stacionárním magnetickým polem a indukuje proud ve vinutí. V případě motoru i generátoru komutátor pravidelně obrací směr toku proudu vinutím, takže tok proudu v obvodu mimo stroj pokračuje pouze v jednom směru.
Nejjednodušší praktický komutátor
|
|
|
Praktické komutátory mají alespoň tři kontaktní segmenty, aby se zabránilo "mrtvému" místu, kde dva kartáče současně překlenují pouze dva segmenty komutátoru. Kartáče jsou vyrobeny širší než izolovaná mezera, aby bylo zajištěno, že kartáče jsou vždy v kontaktu s cívkou kotvy. U komutátorů s alespoň třemi segmenty, i když se rotor může potenciálně zastavit v poloze, kdy se dva segmenty komutátoru dotýkají jednoho kartáče, toto pouze vypne jedno z ramen rotoru, zatímco ostatní budou stále fungovat správně. Se zbývajícími rameny rotoru může motor produkovat dostatečný točivý moment pro zahájení otáčení rotoru a generátor může poskytnout užitečnou energii externímu obvodu.
Prsten / segmentová konstrukce
Komutátor se skládá ze sady měděných segmentů upevněných kolem části obvodu rotujícího stroje nebo rotoru a sady pružinových kartáčů připevněných ke stacionárnímu rámu stroje. K vnějšímu obvodu se připojují dva nebo více pevných kartáčů, buď zdroj proudu pro motor, nebo zátěž pro generátor.
Komutátorové segmenty jsou připojeny k cívkám kotvy, přičemž počet cívek (a komutátorové segmenty) závisí na rychlosti a napětí stroje. Velké motory mohou mít stovky segmentů. Každý vodivý segment komutátoru je izolován od sousedních segmentů. Slída se používala na časných strojích a stále se používá na velkých strojích. Mnoho dalších izolačních materiálů se používá k izolaci menších strojů; plasty umožňují například rychlou výrobu izolátoru. Segmenty jsou drženy na hřídeli pomocí rybinového tvaru na okrajích nebo spodní straně každého segmentu. Po obvodu každého segmentu jsou stlačeny izolační klíny, aby si komutátor udržoval mechanickou stabilitu v celém normálním provozním rozsahu.
U motorů s malými spotřebiči a nástroji jsou segmenty obvykle trvale nalisovány a nelze je odstranit. Když motor selže, je vyřazen a vyměněn. U velkých průmyslových strojů (řekněme od několika kilowattů až po tisíce kilowattů podle hodnocení) je ekonomické vyměnit jednotlivé poškozené segmenty, takže je možné odšroubovat koncový klín a jednotlivé segmenty vyjmout a vyměnit. Výměna segmentů mědi a slídy se běžně označuje jako „doplňování“. Plnitelné rybinové komutátory jsou nejběžnější konstrukcí větších komutátorů průmyslového typu, ale plnitelné komutátory mohou být také konstruovány pomocí vnějších pásů ze skleněných vláken (skleněná pásová konstrukce) nebo kovaných ocelových kroužků (vnější ocelová konstrukce se smršťovacím kroužkem a vnitřní ocelová konstrukce se smršťovacím kroužkem) ). Jednorázové komutátory lisovaného typu, které se běžně vyskytují v menších stejnosměrných motorech, jsou stále častější u větších elektrických motorů. Komutátory lisovaného typu nejsou opravitelné a v případě poškození je nutné je vyměnit. Kromě běžně používaných způsobů koření, tepla a točivého momentu a prostornosti vyžadují některé vysoce výkonné aplikace komutátorů nákladnější, specifický proces „odstřeďování“ nebo testování nadměrných otáček, aby byla zaručena stabilita jednotlivých segmentů a zabráněno předčasnému opotřebení uhlíkových kartáčů. Tyto požadavky jsou společné pro trakční, vojenské, letecké, kosmické, jaderné, těžební a vysokorychlostní aplikace, kde předčasná porucha může vést k vážným negativním důsledkům.
Tření mezi segmenty a kartáči nakonec způsobí opotřebení obou povrchů. Uhlíkové kartáče vyrobené z měkčího materiálu se rychleji opotřebovávají a mohou být navrženy tak, aby je bylo možné snadno vyměnit bez demontáže stroje. Starší měděné kartáče způsobily větší opotřebení komutátoru, což v průběhu času způsobilo hluboké rýhování a vrubování povrchu. Komutátor na malých motorech (řekněme méně než kilowattový výkon) není navržen tak, aby byl opravován po celou dobu životnosti zařízení. Na velkých průmyslových zařízeních může být komutátor znovu povrchově upraven brusivem nebo může být rotor odstraněn z rámu, namontován do velkého kovového soustruhu , a komutátor se znovu vynoří snížením na menší průměr. Největší zařízení může zahrnovat soustružnické otočné příslušenství přímo nad komutátorem.
Konstrukce kartáče
Dřívější stroje používaly kartáče vyrobené z pramenů měděného drátu ke kontaktu s povrchem komutátoru. Tyto kartáče z tvrdého kovu však měly tendenci škrábat a drážkovat hladké segmenty komutátoru, což nakonec vyžadovalo opětovné povrchování komutátoru. Jak se měděné kartáče opotřebovávaly, mohl se prach a kousky kartáče vklínět mezi segmenty komutátoru, zkratovat je a snižovat účinnost zařízení. Jemné měděné drátěné pletivo nebo gáza poskytovaly lepší povrchový kontakt s menším opotřebením segmentu, ale kartáče na gázu byly dražší než pásové nebo drátěné měděné kartáče.
Moderní točivé stroje s komutátory téměř výhradně používají uhlíkové kartáče, které mohou mít ke zlepšení vodivosti přimíchaný měděný prášek. Kovové měděné kartáče lze nalézt v hračkách nebo velmi malých motorech, jako je ten, který je zobrazen výše, a v některých motorech, které fungují jen velmi přerušovaně, například v automobilových spouštěcích motorech.
Motory a generátory trpí fenoménem známým jako „reakce kotvy“, jehož jedním z účinků je změna polohy, ve které by v ideálním případě mělo dojít ke změně proudu ve vinutí, protože zatížení se mění. Rané stroje měly kartáče namontované na prstenci, který byl opatřen rukojetí. Během provozu bylo nutné upravit polohu kroužku kartáče, aby se upravila komutace, aby se minimalizovalo jiskření na kartáčích. Tento proces byl znám jako „houpání štětců“.
K automatizaci procesu úpravy komutace a minimalizace jiskření na kartáčích došlo k různým vývojům. Jedním z nich byl vývoj „vysoce odolných kartáčů“ nebo kartáčů vyrobených ze směsi měděného prášku a uhlíku. Ačkoli byl popsán jako kartáče s vysokou odolností, odpor takového kartáče byl řádově miliohmů, přesná hodnota závisí na velikosti a funkci stroje. Vysoko odolný kartáč také nebyl konstruován jako kartáč, ale ve formě uhlíkového bloku se zakřiveným povrchem, aby odpovídal tvaru komutátoru.
Vysoký odpor nebo uhlíkový kartáč jsou dostatečně velké, aby byly podstatně širší než izolační segment, který pokrývá (a u velkých strojů mohou často překlenout dva izolační segmenty). Výsledkem toho je, že když segment komutátoru prochází zpod kartáče, proud, který k němu prochází, rampuje dolů plynuleji, než tomu bylo u čistě měděných kartáčů, kde se kontakt náhle zlomil. Podobně má segment, který přichází do styku s kartáčem, podobný náběh proudu. I když tedy proud procházející kartáčem byl víceméně konstantní, okamžitý proud procházející dvěma segmenty komutátoru byl úměrný relativní ploše v kontaktu s kartáčem.
Zavedení uhlíkového kartáče mělo pohodlné vedlejší účinky. Uhlíkové kartáče mají tendenci se opotřebovávat rovnoměrněji než měděné kartáče a měkký uhlík způsobuje mnohem menší poškození segmentů komutátoru. S uhlíkem je ve srovnání s mědí méně jiskření a s tím, jak se uhlík opotřebovává, má vyšší odolnost uhlíku za následek méně problémů se shromažďováním prachu na segmentech komutátoru.
Poměr mědi k uhlíku lze změnit pro konkrétní účel. Kartáče s vyšším obsahem mědi fungují lépe při velmi nízkém napětí a vysokém proudu, zatímco kartáče s vyšším obsahem uhlíku jsou lepší pro vysoké napětí a nízký proud. Kartáče s vysokým obsahem mědi obvykle přenášejí 150 až 200 ampérů na čtvereční palec kontaktní plochy, zatímco vyšší obsah uhlíku přenáší pouze 40 až 70 ampérů na čtvereční palec. Vyšší odpor uhlíku také vede k většímu poklesu napětí o 0,8 až 1,0 voltu na kontakt nebo o 1,6 až 2,0 voltu napříč komutátorem.
Držáky kartáčů
.png)
K udržení stálého kontaktu s komutátorem se u kartáče obvykle používá pružina. Jak se kartáč a komutátor opotřebovávají, pružina neustále tlačí kartáč dolů směrem k komutátoru. Nakonec se kartáč opotřebovává dostatečně tenký a tenký, že již není možný stálý kontakt nebo již není bezpečně držen v držáku kartáče, a proto musí být kartáč vyměněn.
Je běžné, že je pružný napájecí kabel přímo připevněn ke kartáčku, protože proud protékající podpěrnou pružinou by způsoboval zahřívání, což by mohlo vést ke ztrátě temperování kovu a ke ztrátě napětí pružiny.
Když komutovaný motor nebo generátor spotřebovává více energie, než je schopen vést jediný kartáč, je po povrchu velmi velkého komutátoru paralelně namontována sestava několika držáků kartáčů. Tento paralelní držák rozděluje proud rovnoměrně na všechny kartáče a umožňuje pečlivému operátorovi odstranit špatný kartáč a vyměnit ho za nový, i když stroj pokračuje v plném provozu a při zatížení.
Vysokovýkonové komutované zařízení s vysokým proudem je nyní neobvyklé kvůli méně složité konstrukci generátorů střídavého proudu, která umožňuje, aby nízkoproudá vysokonapěťová spřádací cívka pole napájela statorové cívky s pevným umístěním vysokého proudu. To umožňuje použití velmi malých singulárních kartáčů v provedení alternátoru . V tomto případě jsou rotujícími kontakty kontinuální kroužky, nazývané sběrací kroužky , a nedochází k žádnému přepínání.
Moderní zařízení používající uhlíkové kartáče mají obvykle bezúdržbový design, který nevyžaduje žádné úpravy po celou dobu životnosti zařízení, používají štěrbinový držák štětce s pevnou polohou a kombinovanou sestavu kartáč-pružina-kabel, která zapadá do slotu. Opotřebený kartáč se vytáhne a vloží se nový kartáč.
Kontaktní úhel kartáče
Různé typy kartáčů navazují kontakt s komutátorem různými způsoby. Protože měděné kartáče mají stejnou tvrdost jako komutátorové segmenty, nelze rotor otáčet dozadu proti koncům měděných kartáčů, aniž by měď kopala do segmentů a způsobovala vážné poškození. V důsledku toho páskové / laminátové měděné kartáče vytvářejí pouze tangenciální kontakt s komutátorem, zatímco kartáče z měděného pletiva a drátu používají nakloněný kontaktní úhel, který se dotýká jejich okraje přes segmenty komutátoru, které se mohou otáčet pouze v jednom směru.
Měkkost uhlíkových kartáčů umožňuje přímý radiální koncový kontakt s komutátorem bez poškození segmentů, což umožňuje snadné obrácení směru rotoru, aniž by bylo nutné přeorientovat držáky kartáčů pro provoz v opačném směru. I když to nikdy nebylo obráceno, běžné motory spotřebičů, které používají vinuté rotory, komutátory a kartáče, mají kartáče s radiálním kontaktem. V případě držáku uhlíkového kartáče reakčního typu mohou být uhlíkové kartáče opačně nakloněny komutátoru, takže komutátor má tendenci tlačit proti uhlíku pro pevný kontakt.
Komutační letadlo
Kontaktní bod, kde se štětec dotkne komutátoru, se označuje jako komutační rovina . Pro vedení dostatečného proudu do nebo z komutátoru není kontaktní plocha štětce tenká čára, ale místo toho obdélníková záplata napříč segmenty. Kartáč je obvykle dostatečně široký, aby překlenul 2,5 segmentů komutátoru. To znamená, že dva sousední segmenty jsou elektricky spojeny kartáčem, když se dotkne obou.
Kompenzace zkreslení statorového pole
Většina úvodů do konstrukce motorů a generátorů začíná jednoduchým dvoupólovým zařízením s kartáči uspořádanými v dokonalém úhlu 90 stupňů od pole. Tento ideál je užitečný jako výchozí bod pro pochopení interakce polí, ale ve skutečné praxi to není způsob, jakým motor nebo generátor funguje.
|
|
| Vlevo je přehnaný příklad toho, jak je pole deformováno rotorem. Vpravo železné piliny ukazují zkreslené pole přes rotor. | |
Ve skutečném motoru nebo generátoru není pole kolem rotoru nikdy dokonale rovnoměrné. Místo toho rotace rotoru indukuje účinky pole, které táhnou a narušují magnetické linie vnějšího nerotujícího statoru.
Čím rychleji se rotor otáčí, tím větší je tento stupeň zkreslení pole. Protože motor nebo generátor pracují nejúčinněji s polem rotoru kolmým na pole statoru, je nutné buď zpomalit nebo posunout polohu štětce, aby se pole rotoru dostalo do správné polohy, aby bylo v pravém úhlu k deformovanému poli .
Tyto účinky pole se obrátí, když se obrátí směr otáčení. Je proto obtížné vybudovat efektivní reverzibilní komutované dynamo, protože pro nejvyšší sílu pole je nutné přesunout kartáče na opačnou stranu normální neutrální roviny. Tyto účinky lze zmírnit kompenzačním vinutím proti pólu pole, který nese proud kotvy.
Tento účinek lze považovat za analogický s časovým předstihem u spalovacího motoru. Obecně platí, že dynamo, které bylo navrženo tak, aby běželo určitou pevnou rychlostí, bude mít své štětce trvale připevněné, aby vyrovnalo pole pro nejvyšší účinnost při této rychlosti.
Další kompenzace samoindukce
Samočinná indukce - magnetická pole v každé cívce drátu se spojují a vytvářejí dohromady magnetické pole, které odolává změnám proudu, což lze přirovnat k proudu, který má setrvačnost.
V cívkách rotoru, i když bylo dosaženo kartáče, proudy mají tendenci nadále proudit na krátkou chvíli, což má za následek plýtvání energií jako teplo v důsledku toho, že se kartáč rozprostírá přes několik segmentů komutátoru a proud zkratuje napříč segmenty.
Rušivý odpor je zjevné zvýšení odporu ve vinutí kotvy, které je úměrné rychlosti kotvy a je způsobeno zpožděním proudu.
Aby se minimalizovalo jiskření na kartáčích v důsledku tohoto zkratu, jsou kartáče posunuty ještě o několik stupňů dále, nad rámec zkreslení pole. Toto posune vinutí rotoru, které prochází komutací, mírně dopředu do pole statoru, které má magnetické linie v opačném směru a které stojí proti poli ve statoru. Toto protilehlé pole pomáhá zvrátit zaostávající samoindukční proud ve statoru.
Takže i pro rotor, který je v klidu a zpočátku nevyžaduje žádnou kompenzaci zkreslení točivého pole, by kartáče měly být stále posunuty nad dokonalý úhel 90 stupňů, jak je uvedeno v tolika učebnicích pro začátečníky, aby kompenzovaly samoindukci.
Omezení a alternativy
Ačkoli v průmyslu kdysi dominovaly stejnosměrné motory a dynama, nevýhody komutátoru způsobily v minulém století pokles používání komutovaných strojů. Tyto nevýhody jsou:
- Klouzavé tření mezi kartáči a komutátorem spotřebovává energii, což může být u nízkoenergetického stroje významné.
- V důsledku tření se kartáče a měděné komutátorové segmenty opotřebovávají a vytvářejí prach. U malých spotřebních výrobků, jako jsou elektrické nářadí a spotřebiče, mohou kartáče vydržet tak dlouho, jak produkt, ale větší stroje vyžadují pravidelnou výměnu kartáčů a občasný povrch komutátoru. Komutované stroje se tedy nepoužívají v aplikacích s nízkými částicemi nebo v zapečetěných zařízeních nebo v zařízeních, která musí dlouhodobě pracovat bez údržby.
- Odpor posuvného kontaktu mezi kartáčem a komutátorem způsobuje pokles napětí nazvaný „kartáč kapka“. Může to být několik voltů, takže u nízkonapěťových a silnoproudých strojů může způsobit velké ztráty energie. Oveľa účinnější jsou motory na střídavý proud, které nepoužívají komutátory.
- Existuje limit maximální proudové hustoty a napětí, které lze přepínat komutátorem. Velmi velké stroje na stejnosměrný proud, řekněme více než několik megawattů, nelze s komutátory postavit. Největší motory a generátory jsou všechny stroje na střídavý proud.
- Spínací činnost komutátoru způsobuje jiskření na kontaktech, což představuje nebezpečí požáru ve výbušném prostředí a vytváří elektromagnetické rušení .
Díky široké dostupnosti střídavého proudu byly stejnosměrné motory nahrazeny účinnějšími synchronními nebo indukčními střídavými motory . V posledních letech, vzhledem k široké dostupnosti výkonových polovodičů , byly v mnoha zbývajících aplikacích komutované stejnosměrné motory nahrazeny „ střídavými stejnosměrnými motory “. Ty nemají komutátor; místo toho se směr proudu přepíná elektronicky. Senzor sleduje polohu rotoru a polovodičové spínače, jako jsou tranzistory, mění proud. Životnost těchto strojů je mnohem delší, omezena hlavně opotřebením ložisek.
Odporové indukční motory
Jedná se o jednofázové motory na střídavý proud s vyšším rozběhovým momentem, než jaké lze dosáhnout u rozběhových fázových vinutí s rozdělením fází, než se staly praktickými rozběhové kondenzátory s vysokou kapacitou (nepolární, relativně silnoproudé elektrolytické). Mají konvenční vinutý stator jako u každého indukčního motoru, ale drátem vinutý rotor je podobný jako u konvenčního komutátoru. Kartáče naproti sobě jsou navzájem spojeny (nikoli s externím obvodem) a působení transformátoru indukuje proudy do rotoru, které vytvářejí točivý moment odpuzováním.
Jedna odrůda, která je pozoruhodná tím, že má nastavitelnou rychlost, běží nepřetržitě s dotykovými kartáči, zatímco jiná používá odpuzování pouze pro vysoký počáteční moment a v některých případech zvedne kartáče, jakmile motor běží dostatečně rychle. V druhém případě jsou všechny segmenty komutátoru také spojeny dohromady, než motor dosáhne rychlosti chodu.
Jakmile jsou rychlosti rotoru, stane se vinutí rotoru funkčně ekvivalentní struktuře nakrátko konvenčního indukčního motoru a motor běží jako takový.
Laboratorní komutátory
Komutátory byly používány jako jednoduché spínače vpřed-vzad pro elektrické experimenty ve fyzikálních laboratořích. Existují dva známé historické typy:
Ruhmkorffův komutátor
Toto je podobné designu jako komutátory používané v motorech a dynamech. Obvykle byla vyrobena z mosazi a slonoviny (později z ebonitu ).
Pohlův komutátor
To sestávalo z bloku dřeva nebo ebonitu se čtyřmi studnami obsahujícími rtuť , které byly vzájemně propojeny měděnými dráty. Výstup byl převzat z dvojice zakřivených měděných drátů, které byly přesunuty k ponoření do jedné nebo druhé dvojice rtuťových vrtů. Místo rtuti lze použít iontové kapaliny nebo jiné tekuté kovy .
Viz také
- Armatura (elektrotechnika)
- Kluzný kroužek
- Rotační transformátor
- Rtuťový otočný komutátor
- Střídavý motor
- Soubor: Kommutator animiert.gif
Patenty
- Elihu Thomson - US Patent 242 488 - Komutátory pro Dynamo Electric Machines - 1881 7. června.
- Henry Jacobs - US Patent 246 612 - Commutator for Magneto Electric Machines - 1881 6. září.
- Upřímný. B. Rae & Clarence. L. Healy - US Patent 294 270 - Commutator For Dynamo or Magneto Electric Machines - 1884 26. února.
- Nikola Tesla - americký patent 334823 - komutátor pro Dynamo Electric Machines - 1886 26. ledna.
- Thomas E. Adams - americký patent 340 537 - komutátor pro dynamoelektrické stroje - 1886 27. dubna.
- Nikola Tesla - americký patent 382845 - komutátor pro elektrické stroje Dynamo - 1888 15. května.
Reference
externí odkazy
- " Komutátor a kartáče na stejnosměrném motoru ". Hyperfyzika, fyzika a astronomie, Georgia State University.
- „ Řada komutací zpětné vazby servomotorů PM - Část 1 Komutační vyrovnání - proč je to důležité.“ Mitchell Electronics.
- „ Řada komutací zpětné vazby servomotoru PM - komutační část 2 - jak je dosaženo.“ Mitchell Electronics.