Круговой огонь на коллекторе тяговых двигателей

Круговым огнем на коллекторе называется быстро переходящая электрическая дуга между разнополярными щетками. Круговой огонь – это наиболее неблагоприятный процесс, который может возникнуть только при токосъеме в тяговых двигателях. Даже продолжительное искрение под щетками в пределах установленных норм не вызывает обычно повреждений коллектора. Круговой огонь представляет большую опасность, так как при этом дугой перекрывается вся поверхность машины (коллектора) между щетками противоположной полярности или переброс её на заземленные части (подшипниковые щиты, полюсы и т. д.) (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Пример образования кругового огня

Склонность машины к образованию круговых огней существенно снижает её эксплутационную надежность. Кроме того, при возникновении кругового огня получается сильный бросок тока, а следовательно и силы тяги. Максимум броска тока достигает 10…16-кратного значения действующего до этого тока.

Основными двумя причинами образования кругового огня можно назвать:

1) сильное искрение под щетками в виде длинных языков пламени;

2) попадание между продороженными коллекторными пластинами токопроводящих частиц (щеточная и медная пыль, осколки щеток).

В обоих случаях для появления кругового огня необходимы, кроме указанных, потенциальные условия на коллекторе. Если их нет, то даже при сильном загрязнении и искрении под щетками круговой огонь не возникает.

Каким же образом из-за сильного искрения образуется круговой огонь?

Действительно, кривая разности потенциалов между соседними коллекторными пластинами под влиянием реакции якоря сдвигается в режиме двигателя своим крутым фронтом в сторону сбегающегося края щетки (рис. 6.3).

Как же образуется дуга? Проиллюстрировать процесс образования дуги можно рис. 6.4.

Рис. 6.4. Процесс образования дуги

Вследствие сильного искрения под положительной щеткой (из-за высокого напряжения U_кmax) на уходящей коллекторной пластине образуется катодное пятно. Катодное пятно это обязательный атрибут кругового огня (его зарождение). Такое пятно обеспечивает термическую ионизацию окружающего пространства. Если пластина с катодным пятном переместилась в точку и напряжения оказалось достаточно, чтобы поддержать дугу 7 (при этом напряжение или разность потенциалов между и оказались достаточными, чтобы поддержать дугу 8), то она будет существовать и дальше, например, как дуга 9. Перемещаясь далее, эта дуга и возникающие за ней дуги ионизируют воздух около поверхности коллектора, в результате чего и создаются условия для появления кругового огня, т. е. электрической дуги между щетками.

Вторая из названных причин – попадание токопроводящих частиц между пластинами – является более частой, чем первая.

Условиями, в этом случае, для возникновения кругового огня будут служить:

1) достаточно быстрое нарастание тока через образовавшийся токопроводящий мостик, чтобы быстро раскалить металл;

2) достаточно большое напряжение между соседними пластинами, чтобы поддержать дугу.

Обычно напряжения 25…27 В между двумя соседними пластинами оказывается достаточно, чтобы поддержать дугу. На образование круговых огней сказываются и динамические воздействия от пути на тяговый двигатель.

Для защиты машины от круговых огней принимают специальные меры. Одной из таких мер можно считать снижение среднего значения напряжения между двумя коллекторными пластинами

,

которое не должно превышать определенных величин для двигателей с компенсационной обмоткой, без неё, для генераторов и т. д. В целом лежит в пределах 18…20 В. Еще более важной величиной является наибольшее напряжение между коллекторными пластинами

,

где – коэффициент искажения поля; – коэффициент полюсного перекрытия.

При толщине изоляции между пластинами 0,8…2,2 мм не должно превышать 30…40 В в наиболее тяжелых режимах работы.

Круговой огонь вызывает массу нежелательных явлений. Кроме бросков тока и силы тяги, могут происходить и выплавление коллекторных пластин и разбрызгивание металла по поверхности коллектора. Это приводит либо к обточке коллектора, либо к его смене. Может возникнуть необходимость в продорожке.

6.5. Дополнительные полюсы и компенсация ими
реактивной эдс

Дополнительные полюсы предназначены для компенсации реактивной эдс. Для того чтобы произошла компенсация, необходимо создать в зоне коммутации индукцию

.

Такую индукцию можно получить, если мдс положительного полюса будет равной

,

где – мдс реакции якоря в зоне коммутации; и падение магнитного потенциала в воздушном и дополнительном зазоре.

Установлено, что реактивная эдс зависит от тяговых нагрузок двигателя. В связи с этим, естественно, наиболее полная компенсация реактивной э.д.с. возможна, когда и соответствующий ей магнитный поток

тоже пропорционален току

.

В формулах – ширина наконечника дополнительного полюса; – воздушный зазор под дополнительным полюсом.

Для того чтобы во всех режимах выдержать пропорцию, необходимо любыми средствами снизить магнитную насыщенность магнитной цепи. Это возможно путем увеличения зазора , либо созданием дополнительного зазора с диамагнитной прокладкой (рис. 6.6).

Расчетные индукции в остове составляют, как правило 1,5…1,6 T. В сердечнике дополнительного полюса индукция ограничивается уровнем 0,8…0,9 T.

Рассчитать индукцию в дополнительном полюсе можно по формуле

,

где – длина полюса (дополнительного).

Большое значение имеет коэффициент магнитного рассеяния, который характеризует степень использования создаваемого дополнительными полюсами магнитного потока

,

где – часть магнитного потока, рассеивающегося через воздух и главный полюс.

Рис. 6.6. Магнитные потоки дополнительного полюса

Не трудно догадаться, что чем больше коэффициент полюсного перекрытия и ширина наконечника , тем больше рассеивание магнитного потока дополнительного полюса. Компенсацию реактивной эдс можно проиллюстрировать диаграммой на рис. 6.7.

Рис. 6.7. Компенсация реактивной эдс

При постоянной скорости вращения компенсируется эдс у машин с высоким насыщением (без второго зазора), – для машин со вторым зазором. Величина – характеризует степень перекомпенсации машины. Некоторая перекомпенсация двигателей желательно во всем диапазоне рабочих режимов.