Причины, вызывающие искрение на коллекторе

ГЛАВА 27

Коммутация в машинах постоянного тока

Причины, вызывающие искрение на коллекторе

При работе машины постоянного тока щетки и коллектор образуют скользящий контакт. Площадь контакта щетки выбирают по значению рабочего тока машины, приходящегося на одну щетку, в соот­ветствии с допустимой плотностью тока для вы­бранной марки щеток. Если по какой-то причине щетка прилегает к коллектору не всей поверхно­стью, то возникают чрезмерные местные плотности тока, приводящие к искрению на коллекторе.

Причины, вызывающие искрение на коллекторе, разделяют на механические, потенциальные и ком­мутационные.

Механические причины искрения – сла­бое давление щеток на коллектор, биение коллекто­ра, его эллиптичность или негладкая поверхность, загрязнение поверхности коллектора, выступание миканитовой изоляции над медными пластинами, неплотное закрепление траверсы, пальцев или щет­кодержателей, а также другие причины, вызываю­щие нарушение электрического контакта между щеткой и коллектором.

Потенциальные причины искрения появ­ляются при возникновении напряжения между смежными коллекторными пластинами, превышаю­щего допустимое значение (см. § 25.5). В этом слу­чае искрение наиболее опасно, так как оно обычно сопровождается появлением на коллекторе электри­ческих дуг.

Коммутационные причины искрения соз­даются физическими процессами, происходящими в машине при переходе секций обмотки якоря из од­ной параллельной ветви в другую.

Иногда искрение вызывается целым комплексом причин. Выяснение причин искрения следует начи­нать с механических, так как их обнаруживают ос­мотром коллектора и щеточного устройства. Труд­нее обнаружить и устранить коммутационные причины искрения.

При выпуске готовой машины с завода в ней настраивают темную коммутацию, исключающую какое-либо искрение. Од­нако в процессе эксплуатации машины, по мере износа коллектора и щеток, возможно появление искрения. В некоторых случаях оно может быть значительным и опасным, тогда машину необходи­мо остановить для выяснения и устранения причин искрения. Однако небольшое искрение в машинах общего назначения обычно допустимо.

Согласно ГОСТу, искрение на коллекторе оценивается степе­нью искрения (классом коммутации) под сбегающим краем щетки.

Степень 1 — искрения нет (темная коммутация).

Степень 1^1/₄ — слабое искрение под небольшой частью щет­ки, не вызывающее почернения коллектора и появления нагара на щетках.

Степень 1^1/₂ — слабое искрение под большей частью щет­ки, приводящее к появлению следов почернения на коллекторе, легко устраняемого протиранием поверхности коллектора бензи­ном, и следов нагара на щетках.

Степень 2 — искрение под всем краем щетки. Допускается только при кратковременных толчках нагрузки и при перегрузке. Приводит к появлению следов почернения на коллекторе, не уст­раняемых протиранием поверхности коллектора бензином, а также следов нагара на щетках.

Степень 3 — значительное искрение под всем краем щетки с появлением крупных вылетающих искр, приводящее к значи­тельному почернению коллектора, не устраняемое протиранием поверхности коллектора бензином, а также к подгару и разруше­нию щеток. Допускается только для моментов прямого (безрео­статного) включения или реверсирования машин, если при этом коллектор и щетки остаются в состоянии, пригодном для даль­нейшей работы.

Если допустимая степень искрения в паспорте электрической машины не указана, то при номинальной нагрузке она не должна превышать 1^1/₂.

При вращении якоря машины постоянного тока коллекторные пластины поочередно вступают в соприкосновение со щетками. При этом переход щетки с одной пластины (сбегающей) на дру­гую (набегающую) сопровождается переключением секции об­мотки из одной параллельной ветви в другую и изменением как значения, так и направления тока в этой секции. Процесс пере­ключения секции из одной параллельной ветви в другую и сопро­вождающие его явления называются коммутацией.

Секция, в которой происходит коммутация, называется ком­мутирующей, а продолжительность процесса коммутации — пе­риодом коммутации:

Т_к = [60/(Kn)](b_щ/ b_к)

где b_щ — ширина щетки; К — число коллекторных пластин; n — частота вращения якоря, об/мин; b_к — расстояние между серединами соседних коллекторных пластин (коллекторное деление).

Сложность процессов коммутации не позволяет рассмотреть коммутацию в общем виде. Поэтому для получения аналитических и графических зависимостей, поясняющих коммутацию, допуска­ют, что ширина щетки равна коллекторному делению; щетки рас­положены на геометрической нейтрали; электрическое сопротив­ление коммутирующей секции и мест ее присоединения к коллектору по срав­нению с сопротив­лением переходного

контакта «щетка— коллектор» пренеб­режимо мало (обыч­но такое соотноше­ние указанных со­противлений соот­ветствует действи­тельности).

Рис. 27.1. Переход коммутирующей секции

из одной параллельной ветви в другую

В начальный момент коммутации (рис. 27.1, а) контактная поверхность щетки касается только пластины 1, а коммутирующая секция относится к левой параллельной ветви обмотки и ток в ней равен i_a. Затем пластина 1 постепенно сбегает со щетки и на смену ей набегает пластина 2. В результате комму­тирующая секция оказывается замкнутой щеткой и ток в ней по­степенно уменьшается. В середине процесса коммутации (t = 0,5T_К) контактная поверхность щетки равномерно перекрывает обе коллекторные пластины (рис. 27.1, б). В конце коммутации (t = T_к) щетка полностью переходит на пластину 2 и теряет контакт с пла­стиной 1 (рис. 27.1, в), а ток в коммутирующей секции становится равным — i_a, т. е. по значению таким же, что и в начале коммута­ции, а по направлению — противоположным. При этом коммути­рующая секция оказалась в правой параллельной ветви обмотки.

Прямолинейная коммутация

Этот вид коммутации имеет место в машине, если в процессе коммутации в коммутирующей секции ЭДС не наводится или, что более реально, сумма ЭДС в коммутирующей секции равна нулю. В этом случае для коммутирующей секции, замкнутой щеткой (рис. 27.1, б), в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно записать

i₁r₁ – i₂r₂ = 0 (27.1)

r₁ и r₂ — переходные сопротивления между щеткой и сбегающей 1 и набегающей 2 пласти –

нами; i₁ и i₂ — токи, переходящие в обмот­ку якоря через пластины 1 и 2:

i₁ = i_a + i ; i₂ = i_a – i (27.2)

здесь i – ток в коммутирующей секции.

Используя (27.2), получим

(i_a + i)r₁ – (i_a – i)r₂ = 0

откуда ток в коммутирующей секции

i = i_a(r₂ – r₁)/ (r₂ + r₁) (27.3)

Закон изменения тока коммутирующей секции в функции времени определяется уравнением

i = i_а(1 – 2t /Т_к). (27.4)

Это уравнение является линейным, а поэтому график i = f (t) представляет собой прямую линию, пересекающую ось абсцисс в точке t = 0,5 T_k (рис. 27,2). Коммутация, при которой ток в комму­тирующей секции i изменяется по прямолинейному закону, назы­вают прямолинейной (идеальной) коммутацией.

Весьма важным фактором, определяющим качество коммута­ции, является плотность тока в переходном контакте «щетка-пластина»: j_i — плотность тока под сбегающим краем щетки; j₂ — плотность тока под набегающим краем щетки.

Плотность тока под щеткой прямо пропорциональна тангенсу угла между осью абсцисс и графиком коммутации, т.е. j₁ ≡ tg α₁, и j₂ ≡ tg α₂. График прямолинейной (идеальной) коммутации имеет вид прямой линии. При этом α₁ = α₂, а следовательно, плот­ность тока в переходном кон­такте «щетка — коллектор» в течение всего периода комму­тации остается неизменной (j₁ = j₂ = const). Физически это объясняется тем, что при прямо­линейной

Рис. 27.2. График тока прямолинейной коммутации

коммутации убывание тока, проходящего через сбе­гающую пластину коллектора, пропорционально уменьшению площади контакта щетки с этой пластиной, а нарастание тока через набегающую пластину пропорционально увеличению площади контакта щетки с этой пластиной.

Из построений, сделанных на рис. 27.2, следует, что к моменту времени, когда щетка теряет контакт со сбегающей пластиной, ток через эту пластину уменьшается до нуля. Таким образом, при прямолинейной коммутации пластина коллектора выходит из-под щетки без разрыва тока.

Изложенные свойства прямолинейной (идеальной) коммутации — постоянство плотности тока под щеткой и выход пластины из-под щетки без разрыва тока — являются основными, и благода­ря им этот вид коммуташш не сопровождается искрением на кол­лекторе.