En la nostra vida quotidiana, l’ús de màquines de corrent continu per a les nostres necessitats quotidianes s’ha convertit en una cosa habitual. La màquina de corrent continu és un conversió d’energia dispositiu que fabrica conversions electromecàniques . Hi ha dos tipus de màquines de corrent continu: els motors de corrent continu i el Generadors de corrent continu . Els motors de CC converteixen la potència elèctrica de CC en moviment mecànic mentre que els generadors de CC converteixen el moviment mecànic en energia de CC. Però el problema és que el corrent generat en un generador de corrent continu és un corrent altern, però la sortida del generador és corrent continu. De la mateixa manera, el principi del motor és aplicable quan el corrent de la bobina alterna, però la potència aplicada a un motor de corrent continu és CC. Aleshores, com funcionen aquestes màquines? La resposta a aquesta meravella és el petit dispositiu anomenat 'Commutator'.
Què és la commutació?
La commutació en màquines de corrent continu és el procés pel qual es produeix la inversió del corrent. En el generador de corrent continu aquest procés s’utilitza per convertir la CA induïda en els conductors a una sortida de corrent continu. En motors de corrent continu s'utilitza per invertir les direccions de Corrent continu abans d'aplicar-lo a les bobines del motor.
Com té lloc el procés de commutació?
El dispositiu anomenat Commutator ajuda en aquest procés. Vegem el funcionament d’un motor de corrent continu per entendre el procés de commutació. El principi bàsic sobre el qual funciona un motor és la inducció electromagnètica. Quan el corrent es fa passar per un conductor, produeix línies de camp magnètic al seu voltant. També sabem que quan un nord magnètic i un sud magnètic s’enfronten, les línies de força magnètiques es mouen de l’imant del pol nord a l’imant del pol sud, tal com es mostra a la figura següent.
Línies de forces magnètiques
Quan el conductor amb un camp magnètic induït al seu voltant, es col·loca en el recorregut d’aquestes línies de força magnètiques, en bloqueja el recorregut. Per tant, aquestes línies magnètiques intenten eliminar aquest obstacle movent-lo cap amunt o cap avall en funció de la direcció del corrent a la conductor . Això dóna lloc a un efecte motor.
Efecte motor sobre la bobina
Quan un Bobina electromagnètica es col·loca entre dos magnètics amb orientació nord cap al sud d’un altre imant, les línies magnètiques mouen la bobina cap amunt quan el corrent és en una direcció i cap avall quan el corrent a la bobina és en sentit invers. Això crea el moviment rotatori de la bobina. Per canviar la direcció del corrent a la bobina, s’uneixen dos metalls en forma de mitja lluna a cada extrem de la bobina anomenats Commutator. Els raspalls metàl·lics es col·loquen amb un extrem connectat a la bateria i l’altre extrem connectat als commutadors.
DC motor
Commutació en màquina de corrent continu
Cada bobina Armature conté dos commutadors connectats al seu extrem. Per a la transformació del corrent, els segments i pinzells del commutador han de mantenir un contacte en moviment continu. Per obtenir valors de sortida més grans s’utilitza més d’una bobina a les màquines de corrent continu. Per tant, en lloc d’un parell, tenim un nombre de parells de segments de commutador.
Commutació DC
La bobina queda curtcircuitada durant un període de temps molt curt amb l’ajut de pinzells. Aquest període es coneix com a període de commutació. Considerem un motor de corrent continu en què l'amplada de les barres del commutador és igual a l'amplada dels raspalls. Que el corrent que flueix pel conductor sigui Ia. Siguin a, b, c els segments del motor del commutador. La inversió actual a la bobina, és a dir. El procés de commutació es pot entendre pels passos següents.
Posició-1
posició 1
Deixeu que la Armadura comenci a girar i, a continuació, el pinzell es desplaci sobre els segments del commutador. Deixeu que la primera posició del contacte del commutador de pinzell estigui al segment b, tal com es mostra més amunt. Com que l'amplada del commutador és igual a l'amplada del pinzell, en la posició anterior, les àrees totals del commutador i del pinzell estan en contacte entre si. El corrent total realitzat pel segment del commutador cap al pinzell en aquesta posició serà de 2 Ia.
Posició-2
Ara l'armat gira cap a la dreta i el raspall entra en contacte amb la barra a. En aquesta posició, el corrent total realitzat serà de 2 Ia, però el corrent de la bobina canvia. Aquí el corrent flueix a través de dos camins A i B. El 3/4 del 2Ia prové de la bobina B i el 1/4 restant prové de la bobina A. Quan KCL s’aplica al segment a i b, el corrent per la bobina B es redueix a Ia / 2 i el corrent traçat pel segment a és Ia / 2.
posició 2
Posició-3
En aquesta posició la meitat del raspall, una superfície està en contacte amb el segment a i l’altra meitat es troba amb el segment b. Com que el pinzell de corrent total de corrent total és de 2Ia, el corrent Ia es trau a través de la bobina A i Ia es trau a través de la bobina B. Mitjançant KCL podem observar que el corrent de la bobina B serà zero.
posició 3
Posició-4
En aquesta posició, un quart de la superfície del raspall estarà en contacte amb el segment b i tres quarts amb el segment a. Aquí el corrent traçat a través de la bobina B és - Ia / 2. Aquí podem observar que el corrent de la bobina B s’inverteix.
posició 4
Posició-5
En aquesta posició, el pinzell està en ple contacte amb el segment a i el corrent de la bobina B és Ia, però té una direcció inversa a la direcció actual de la posició 1. Així, el procés de commutació es completa per al segment b.
posició 5
Efectes de la commutació
El càlcul s’anomena commutació ideal quan la inversió del corrent es completa al final del període de commutació. Si la inversió actual es completa durant el període de commutació, es produeix una espurna al contacte dels raspalls i es produeix un sobreescalfament que danya la superfície del commutador. Aquest defecte s’anomena Màquina poc commutada.
Per evitar aquest tipus de defectes, hi ha tres tipus de mètodes per millorar la commutació.
- Conmutació de resistència.
- Commutació CEM.
- Bobinatge compensador.
Conmutació de resistència
Per abordar el problema de la mala commutació s’aplica un mètode de commutació per resistència. En aquest mètode, els raspalls de coure de menor resistència són substituïts per raspalls de carboni de major resistència. La resistència augmenta amb l’àrea de secció decreixent. Per tant, la resistència del segment de commutador final augmenta a mesura que el raspall es mou cap al segment principal. Per tant, el segment capdavanter és el més afavorit pel camí actual i el corrent gran pren el camí proporcionat pel segment capdavanter per arribar al pinzell. Això es pot entendre tot veient la nostra figura a continuació.
A la figura superior, el corrent de la bobina 3 pot prendre dos camins. Camí 1 de la bobina 3 a la bobina 2 i segment b. Camí 2 des de la bobina 2 de curtcircuit i després la bobina 1 i el segment a. Quan s'utilitzen raspalls de coure, el corrent prendrà el camí 1 a causa de la menor resistència que ofereix el camí. Però quan s’utilitzen raspalls de carboni, el corrent prefereix el camí 2 perquè a mesura que disminueix l’àrea de contacte entre el raspall i el segment, augmenta la resistència. D’aquesta manera s’atura la inversió primerenca del corrent i s’eviten espurnes a la màquina de CC.
Commutació EMF
La propietat d’inducció de la bobina és un dels motius de la lenta inversió del corrent durant el procés de commutació. Aquest problema es pot solucionar neutralitzant la tensió de reactància produïda per la bobina produint l’emf inversa a la bobina de curtcircuit durant el període de commutació. Aquesta commutació CEM també es coneix com a commutació de tensió.
Això es pot fer en dos mètodes.
- Mitjançant el mètode de canvi de pinzell.
- Mitjançant l’ús de pols de commutació.
En el mètode de canvi de raspall, els raspalls es desplacen cap endavant per al generador de corrent continu i cap enrere en el motor de corrent continu. Això estableix un flux a la zona neutral. A mesura que la bobina de commutació està tallant el flux, s’indueix una petita tensió. Com que s’ha de canviar la posició del raspall per a cada variació de càrrega, aquest mètode poques vegades es prefereix.
En el segon mètode, s’utilitzen pols de commutació. Aquests són els petits pols magnètics col·locats entre els pols principals muntats a l’estator de la màquina. Aquests s'uneixen en connexió en sèrie amb l'armadura. A mesura que el corrent de càrrega provoca e.m.f. , aquests pols commutants neutralitzen la posició del camp magnètic.
Sense aquests pols de commutació, les ranures del commutador no es mantindrien alineades amb les porcions ideals del camp magnètic, ja que la posició del camp magnètic canvia a causa de l’e.m.f. Durant el període de commutació, aquests pols commutants indueixen una e.m.f a la bobina de curtcircuit que s’oposa a la tensió de reactància i dóna una commutació sense espurna.
La polaritat dels pols de commutació és la mateixa que el pol principal situat al costat del generador, mentre que la polaritat dels pols de commutació és oposada als pols principals del motor.
Aprendre sobre el commutador hem trobat que aquest petit dispositiu té un paper important en el bon funcionament de les màquines de corrent continu. No només com a convertidor de corrent, sinó també per al funcionament segur de les màquines sense danys causats per les espurnes, els commutadors són dispositius molt útils. Però, amb l’augment del desenvolupament tecnològic, els commutadors s’estan substituint per nova tecnologia. Podeu anomenar la nova tècnica que va substituir els commutadors els darrers dies?
