Во время вращения якоря каждая секция его обмотки включается то в одну, то в другую параллельную ветвь. Такое переключение происходит, когда стороны секции находятся на нейтрали машины. Совокупность всех явлений, имеющих место при переключении секции из одной параллельной ветви обмотки в другую, называют коммутацией, а время, в течение которого происходит этот процесс, — периодом коммутации.
Рис. 147. Дополнительные полюсы генератора
До коммутации первой секции (рис. 148, а) щетка Щ касается пластины 1 коллектора К. Ток , поступающий из внешней цепи, пройдя щетку и коллекторную пластину, разветвляется: одна половина идет в верхнюю ветвь обмотки (по секциям 1, 3 и др.), а другая - в нижнюю ветвь обмотки (по секции II и др.).
После окончания процесса коммутации секции I (рис. 148, е) щетка Щ касается второй пластины коллектора К. Ток по-прежнему делится на две равные части.
Рис. 148. Положения секции до коммутации (а), в середине периода коммутации (б) и после коммутации (в)
Однако в секции, которая переключалась в нижнюю параллельную ветвь, ток I 2 изменил направление, т. е. стал направлен по часовой стрелке. Следовательно, за время, равное периоду коммутации, ток в секции изменяется с 1/2 до —1/2. На рис. 148, б показано положение щетки Щ в середине периода коммутации. Изоляционная прослойка между коллекторными пластинами 1 и 2 находится посередине щетки, ток внешней цепи 1 делится между параллельными ветвями обмотки поровну, секция I замкнута щеткой Щ накоротко.
Согласно правилу Ленца направление реактивной э. д. с. совпадает с направлением тока 2 в рассматриваемой секции до начала коммутации. Под действием реактивной э. д. с. ер в короткозамкнутой секции возникает добавочный ток, который складывается с основным током под сбегающим краем щеток и вычитается — под набегающим. Это приводит к соответствующему изменению плотности тока под щеткой.
Увеличенная плотность тока под сбегающим краем щетки вызывает его перегрев и искрение, что может привести к порче коллектора, щеток и машины в целом. Особенно опасен круговой огонь по коллектору, т. е. мощная электрическая дуга между разноименными щетками, возникающая при большой реактивной э. д. с. ер. Для того чтобы улучшить коммутацию тока, нужно устранить или ограничить добавочный ток коммутации, где гк - сопротивление цепи, по которой протекает ток. В этом случае ток будет проходить равномерно по всей поверхности щетки и искрение на коллекторе прекратится.
Используют следующие способы, улучшающие коммутацию. Щетки сдвигают с нейтрали так, чтобы э. д. с. ек, возникающая в коротко- замкнутой секции от внешнего поля, была равна э. д. с. ер, но направлена ей навстречу.
Для этого в генераторах щетки следует сдвигать за геометрическую нейтраль по направлению вращения якоря, а в двигателях — против вращения якоря. Этот способ можно применять только при постоянной нагрузке, когда физическая нейтраль занимает определенное положение.
В машинах устанавливают дополнительные полюсы, которые, как и щетки, располагают по линии геометрической нейтрали. Магнитное поле добавочных полюсов не только компенсирует поле якоря, но и наводит э. д. с. ек в короткозамкнутой секции обмотки якоря. Благодаря последовательному соединению обмотки якоря и обмотки дополнительных полюсов увеличение нагрузки приводит к автоматическому увеличению э. д. с. ер и ек, компенсирующих одна другую. Все машины постоянного тока снабжают дополнительными полюсами.