Мдк 0101. Причины искрения щеток. Коммутация

Лекция №4

1. Причины искрения щеток

2. Коммутация

Причины искрения щеток. Процесс изменения тока в секциях обмотки якоря при переходе их из одной параллельной ветви в другую называют коммутацией. В более широком смысле под коммутацией понимают все явления и процессы, возникающие под щетками при работе коллекторных электрических машин. Если щетки искрят, то это значит, что машина имеет плохую коммутацию; если искрение отсутствует, то коммутацию называют хорошей. Качество коммутации (интенсивность искрения) в значительной степени определяет работоспособность машины и ее надежность в эксплуатации.

Искрение может вызываться большим количеством причин, которые обычно разбивают на две группы — механические и электромагнитные.

К механическим причинам относятся: биение коллектора, его эллиптичность, шероховатость рабочей поверхности коллектора, наличие выступающих коллекторных пластин и изоляционных прокладок, вибрация щеткодержателей и т. п. Эти причины приводят к вибрации щеток, в связи с чем возможен кратковременный разрыв контакта между щеткой и коллекторными пластинами и возникновение кратковременной электрической дуги. Особенно трудно обеспечить устойчивую работу щеток при больших окружных скоростях коллектора — примерно 50 м/с и выше, что связано с особыми свойствами щеточного контакта.

Электромагнитные причины приводят к тому, что даже в случае идеального состояния щеточного контакта при выходе коллекторной пластины из-под щетки происходит разрыв электрической цепи, по которой проходит ток, и возникает короткая электрическая дуга, повреждающая сбегающие части щетки и коллекторных пластин. Искрение, вызванное электромагнитными причинами, повреждает поверхность коллектора и приводит к вибрации щеток, т. е. способствует воз­никновению искрения по механическим причинам. Неустой­чивость щеточного контакта, обусловленная механическими причинами, существенно влияет на электромагнитные процессы, происходящие в коммутируемых секциях. Поэтому, как правило, искрение щеток на коллекторе является результатом совместного действия многих причин.

Затраты на ремонт и эксплуатацию коллекторных машин (замену щеток, проточку коллекторов, устранение последствий кругового огня и т. п.) очень велики, и в некоторых машинах за один год составляют около 1/3 стоимости машины. Поэтому мероприятия, проводимые по уменьшению интенсивности искрения щеток, могут дать существенный технико-экономический эффект.

Качество коммутации оценивается степенью искрения (классом коммутации) под сбегающим краем щетки, из-под которого выходят пластины коллектора при его вращении.

Степени искрения и их характеристики согласно ГОСТу приведены в табл. 8.1.

Степень искрения	Характеристика степени искрения	Состояние коллектора и щеток
1	Отсутствие искрения (темная коммутация)	-
1/4	Слабое точечное искрение под небольшой частью щетки	Отсутствие   почернения   на коллекторе и нагара на щетках
1/2	Слабое искрение под большей частью щетки	Появление  следов почернения на коллекторе, легко устраняемых   протиранием  поверхности коллектора бензином, а также следов нагара на щетках
2	Искрение под всем краем щетки. Допускается только при кратковременных толчках нагрузки и перегрузках	Появление следов почернения на коллекторе, не устраняемых   протиранием  поверхности коллектора бензином, а также следов нагара на щетках
3	Значительное искрение под всем краем щетки с наличием крупных вылетающих искр. Допускается только для моментов прямого (без реостатных ступеней) включения или реверсирования машин, если при этом коллектор и щетки остаются в состоянии, пригодном для дальнейшей работы	Значительное почернение на коллекторе, не устраняемое протиранием коллектора бензином, а также подгар и разрушение щеток

Как видно из табл. 8.1, при длительной работе машины допускается слабое искрение под щетками. Однако требования ГОСТа проверяются только при контроле качества коммутации электрических машин, выпускаемых с завода. В эксплуатации может наблюдаться искрение значительно большей интенсивности, поскольку машина работает в форсированных режимах (при перегрузках или повышенной частоте вращения). Повышенное искрение щеток могут вызывать и другие особенности эксплуатации: вибрация и удары машины, работа на высоте более 1000 м над уровнем моря, работа в запыленных. помещениях или в агрессивной среде и т. п. Поэтому технические требования, предъявляемые к разработке машин постоянного тока, должны учитывать условия их будущей эксплуатации.

2. Коммутация.

Общие сведения.

Под коммутацией   понимают переключение секции из одной ветви обмотки якоря в другую и происходящее при этом изменение тока в ней с одного направления на другое.

         Процессы, возникающие при этом в секции и под щеткой, называются коммутационными процессами.

Под коммутацией в широком смысле слова понимаются все явления и процессы, возникающие под щеткой при работе машины. Говорят, что у машины хорошая коммутация, если нет искрения под щетками, и плохая коммутация, если под щетками возникает искрение.

Искрение щеток вызывается различными причинами. Оно может быть обусловлено механическими неисправностями: "эллиптичностью" коллектора, плохой стяжкой его пластин, шероховатостью его поверхности, выступанием в отдельных местах слюды над коллекторными пластинами, дрожанием щеткодержателей, щеточных болтов, траверсы и пр.

При указанных неисправностях в отдельные моменты времени будет нарушаться контакт щетки с коллектором и происходить разрыв цепи с током, что и приводит к искрению.

Неправильно подобранные щетки, чрезмерное или слишком слабое нажатие щеток на коллектор, неправильная их расстановка по коллектору также могут послужить причинами искрения под щетками.

а) Основное уравнение коммутации. 

Рассмотрим три основных этапа коммутации. В первый момент времени (рис. 8.29, а)ток i в коммутируемой секции, присоединенной к пластинам 1 и 2, равен i_a и направлен от пластины 2 к пластине 1. Ток щетки 2i_a проходит через пластину l, т. е. i₁ = 2i_a и i₂ = 0.

 В промежуточном положении (рис. 8.29, б) одна часть тока щетки 2i_a проходит через пластину 1, а другая часть — через пластину 2, причем
i₁ + i₂ = 2i_a .

 К концу периода коммутации (рис. 8.29, в)пластина 1 выходит из под щетки, и ток, проходящий через нее, становится равным нулю.

Рис. 8.29. Схемы распределения тока в коммутируемой секции в различные моменты времени

При этом ток щетки 2i_a проходит через пластину 2, т. е. i₂ = 2i_a и i₁ = 0, а ток i в коммутируемой секции изменяет свое направление по сравнению с током в начальный момент коммутации.

Секция, замкнутая щеткой, называется коммутируемой секцией.

В момент, когда набегающий край щетки получит соприкосновение с пластиной 2, имеем начало коммутации. Примем, что конец коммутации получается в момент, когда пластина 1 отойдет от щетки.

б) Прямолинейная коммутация.

Допустим, что сумма э.д.с., наведенных в коммутируемой секции, в любой момент времени равна нулю: e = 0. В рассматриваемом случае ток i в коммутируемой секции будет линейной функцией времени. Такая коммутация называется прямолинейной. При прямолинейной коммутации плотность тока под щеткой в любой момент времени будет распределена равномерно.

Рис. 5-30. Прямолинейная коммутация.

 Криволинейная коммутация.

Примем, что в коммутационной зоне нет внешнего поля (например, при положении щеток на физической нейтрали). В этом случае в коммутируемой секции будут иметь место только э.д.с. самоиндукции и э.д.с. взаимной индукции. Последняя будет наводиться вследствие изменения тока и создаваемого им поля соседней секции, замкнутой другой щеткой.

Результирующая э.д.с. самоиндукции и взаимной индукции называется реактивной э.д.с. Она согласно закону Ленца будет задерживать изменение тока. Такая коммутация называется замедленной. При замедленной коммутации плотность тока на сбегающем крае щетки возрастает. Рис. 5-31. Замедленная коммутация.

 Электродвижущая сила, наведенная в коммутируемой секции внешним полем, называется коммутирующей. Коммутация называется ускоренной. При ускоренной коммутации перегружается током набегающей край щетки. При его чрезмерной перегрузке может возникнуть искрение в моменты замыкания секции, когда пластина 2 подходит к щетке.

Рис. 5-32. Ускоренная коммутация.

Способы улучшения коммутации. Основным средством улучшения коммутации в современных машинах является применение добавочных полюсов, с помощью которых в коммутационной зоне создается магнитное поле, индуцирующее коммутирующую ЭДС е_к.ср требуемой величины. Только в машинах малой мощности (менее 300 Вт) удается обойтись без добавочных полюсов.

Добавочные полюсы устанавливают между главными полюсами (рис. 8.36, а). Они создают в зоне коммутации магнитное поле с такой индукцией В_к , чтобы при вращении якоря в коммутируемых секциях индуцировалась ЭДС е_к.ср = - е_р.ср . Обмотку добавочных полюсов включают последовательно в цепь якоря, а магнитную систему выполняют ненасыщенной.

Рис. 8.36. Схема расположения главных и добавочных полюсов (а) и кривая магнитного поля в машине (б) с добавочными полюсами: 1 — добавочные  полюсы;  2 — обмотка  добавочных  полюсов;  3 — обмотка возбуждения; 4 — главные полюсы

Сердечники добавочных полюсов изготовляют обычно массивными из стальной поковки, хотя иногда применяют и шихтованные из листов электротехнической стали. Шихтованные сердечники используют в тех случаях, когда ток якоря содержит переменные составляющие (двигатели пульсирующего тока и т. п.) и требуется, чтобы ЭДС е_к тоже содержала переменные составляющие, пропорциональные току якоря.

Необходимость обеспечения удовлетворительной коммутации накладывает определенные ограничения на габаритные размеры и конструкцию машин постоянного тока. Практика электромашиностроения показывает, что можно достичь безыскровой коммутации лишь тогда, когда реактивная ЭДС в номинальном режиме не превышает некоторого предельного значения. Поэтому в крупных машинах и машинах, работающих при высоких частотах вращения, применяют одновитковые секции и делают неглубокие пазы (не более 4—6 см в наиболее мощных машинах) для уменьшения индуктивности секции. В ряде случаев для уменьшения реактивной ЭДС приходится ограничивать активную длину якоря и его окружную скорость. Все эти меры приводят либо к снижению мощности машины при заданных габаритах, либо к увеличению ее размеров и массы (при заданной мощности). Поэтому машины постоянного тока имеют меньшую мощность, чем машины переменного тока тех же габаритов; при мощности 100 — 1000 кВт это уменьшение составляет 20—25%. Попытки увеличить мощность, допустив увеличение степени искрения на коллекторе, приводят к резкому возрастанию эксплуатационных расходов. Условия коммутации ограничивают также предельную мощность, на которую можно построить машину постоянного тока (при заданной частоте вращения).

Важную роль в процессе коммутации играют щетки, которые по своей физической природе являются нелинейными сопротивлениями. При быстром увеличении плотности тока под сбегающим краем щетки сопротивление щетки резко возрастает, что ведет к уменьшению остаточного тока или полному его устранению даже в том случае, когда коммутация является неидеальной. В электрических машинах большой и средней мощности применяют электрографитированные щетки с большим падением напряжения в скользящем контакте (2,4 — 3,5 В на пару щеток). Такие щетки получают в электропечах путем нагревания заготовок из угля и кокса до температуры 2000— 2500 °С, при этом они принимают структуру графита. Соответствующим выбором марки щетки часто удается улучшить коммутацию машины. Основные правила, которыми руководствуются при выборе щеток, следующие:

1) для быстроходных машин постоянного тока применяют мягкие щетки со средним значением падения напряжения под ними (1,5-2,0 В);

2) для машин постоянного тока с затрудненной коммутацией используют твердые щетки с повышенным падением напряжения под ними (2,4 — 3,5 В);

3) для контактных колец применяют металлографитные щетки с малым падением напряжения (0,1—0,5 В). Технические данные наиболее часто используемых марок щеток и области их применения приведены в табл. 8.2. Подбор щеток обычно производится экспериментально.

При работе электрических машин в условиях повышенной вибрации и больших угловых частотах вращения коллектора (свыше 1500 об/мин) давление на щетку может быть повышено до 50 кПа. Плотность тока щетки должна выбираться в зависимости от частоты вращения коллектора и условий коммутации каждого конкретного типа электрической машины. Коэффициент трения щеток о коллектор принимается равным 0,25 для всех марок щеток.