Komutator jest istotną częścią maszyny prądu stałego i zachowuje się jak przełącznik nawrotny.
W przypadku generatora prądu stałego komutator służy do zamiany prądu przemiennego (AC) na prąd stały (DC).
W przypadku silnika prądu stałego służy do odwrócenia prądu dostępnego z zasilacza prądu stałego i pomaga utrzymać jednokierunkowy moment obrotowy.
Komutator składa się z drutów miedzianych ciągnionych w kształcie klina. (Drut ciągniony na twardo oznacza, że drut jest ciągnięty w taki sposób, że zapewnia maszynie większą wytrzymałość.)
Znajduje zastosowanie w maszynach prądu stałego (silnik prądu stałego, prądnica prądu stałego, dynamo) oraz w silnikach uniwersalnych.
Generalnie używa się go razem z pędzlami. A szczotki to części nieruchome, a komutator to część obrotowa.
Rola komutatora
Komutator łączy obwód obracającego się twornika z obwodem stacjonarnym.
Jak wiemy, zwora jest częścią obrotową. A obciążenie lub źródło połączone z maszyną prądu stałego musi być połączone z zaciskami stacjonarnymi.
W związku z tym komutator i szczotki pomagają połączyć obracające się przewody twornika z zaciskami stacjonarnymi.
Generator prądu stałego przekształca wejście mechaniczne na wyjście elektryczne prądu stałego (DC). Jeśli cewka obraca się w polu magnetycznym, wygeneruje prąd przemienny. Dlatego komutator przekształca prąd przemienny w prąd stały.
Źródło prądu stałego zasila silnik prądu stałego. Zasilanie DC wchodzi do maszyny przez szczotkę i komutator. A komutator doprowadza prąd elektryczny do uzwojenia twornika. Co pół obrotu odwraca aktualny kierunek obracającego się uzwojenia. I pomaga wytworzyć stałą siłę obrotową.
Jak działa komutator w generatorze prądu stałego?
Aby zrozumieć działanie komutatora, weźmy przykład pojedynczej pętli.
Najpierw rozważamy operację bez komutatora w pojedynczej pętli. Schemat obwodu pojedynczej pętli bez komutatora pokazano na poniższym rysunku.
Tutaj pojedyncza pętla (ABCD) jest umieszczona pomiędzy polem magnetycznym generowanym przez magnesy trwałe. Zaciski cewek są połączone z zespołem pierścienia ślizgowego i szczotki.
Kierunek pola magnetycznego jest zawsze N-biegunem do S-biegunu. Rozważmy więc ten układ dla akcji generatora. A za pomocą środków zewnętrznych pętla obraca się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara.
W tym stanie pole elektromagnetyczne jest indukowane w przewodach pętli. A z powodu pola elektromagnetycznego prąd zaczyna płynąć do przewodników.
Kierunek prądu w przewodzie-1 jest od A do B. Podobnie kierunek prądu w przewodzie-2 jest od C do D. Dlatego kierunek prądu przez obciążenie jest od F do H.
Po półobrocie powyższy układ wygląda jak na poniższym rysunku.
Teraz, w tym stanie, kierunek pola magnetycznego nie ulega zmianie. Ale zmienia się pozycja przewodników.
Stąd prąd płynący przez przewodnik-1 płynie z B do A. A prąd płynący przez przewodnik-2 płynie z D do C.
Widzimy więc, że obecny kierunek zmienia się na poprzedni stan.
Przebieg wyjściowy tego układu pokazano na poniższym rysunku.
W tym układzie kształt fali wyjściowej zmienia polaryzację (z dodatniej na ujemną). Stąd ten układ wytwarza prąd przemienny. Ale potrzebujemy prądu stałego.
W tym celu musimy wymienić pierścienie ślizgowe na komutator. A rozmieszczenie pokazano na poniższym rysunku.
Zaciski cewki (przewodniki) są połączone z komutatorami. A komutator obraca się z cewką.
Komutatory połączone są szczotkami. A szczotki są nieruchome. Obciążenie jest połączone przez szczotki.
Teraz kierunek pola magnetycznego jest od bieguna N do bieguna S. A prąd, który przepływa przez przewodnik-1, jest od A do B. Prąd, który przepływa przez przewodnik-2, jest od C do D.
Dlatego prąd przepływa przez obciążenie od F do G.
Po półobrocie układ wygląda jak na poniższym rysunku.
W tym stanie prąd przepływający przez przewodnik-1 jest z B do A. A kierunek prądu przez przewodnik-2 jest z D do C. Dlatego kierunek prądu przez obciążenie jest z F do G.
Stąd kierunek prądu przez obciążenie nie zmienia się po połowie obrotu. Jeszcze dalej cewka obraca się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara. Ale prąd przepływający przez ładunek pozostaje w jednym kierunku.
Wykres tego układu pokazano na poniższym rysunku.
Tutaj widzimy prąd płynący tylko w jednym kierunku. Stąd możemy uzyskać pulsujący prąd stały z tego układu za pomocą komutatora.