Какие причины вызывающие искрение возникают при замедленной коммутации

Причины, вызывающие искрение на коллекторе

При работе машины постоянного тока щётки и коллектор образуют скользящий контакт. Щётки выбирают в соответствии с допустимой плотностью тока для выбранной марки щёток, а площадь контакта – по значению рабочего тока, приходящегося на одну щётку.

Причины, вызывающие искрение на коллекторе разделяют на механические, потенциальные и коммутационные. Коммутация – это процесс переключения секции якоря из одной параллельной ветви в другую.

1). Механические причины искрения – слабое давление щёток на коллектор, биение коллектора, загрязнение или негладкость поверхности коллектора, выступление миканитовой изоляции над пластинами, неплотное закрепление траверсы или щёткодержателей, т. е. любые причины, нарушающие контакт между щётками и коллектором.

2). Потенциальные причины искрения – появляются при возникновении напряжения между коллекторными пластинами, превышающего допустимое значение (30 В при мощности машины до 1 кВт и 16 В при мощности машины более 1 кВт).

3). Коммутационные причины искрения – создаются физическими процессами при переходе секции обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую.

Искрение на коллекторе оценивается классом коммутации (степенью искрения) под сбегающим краем щётки:

— степень 1 – тёмная коммутация (искрения нет),

— степень 1 — слабое искрение,

— степень 1 — слабое искрение под большей частью щётки и почернение коллектора,

— степень 2 – искрение под всем краем щётки с почернением коллектора и нагаром на нём,

— степень 3 – значительное искрение под всем краем щётки с появлением вылетающих искр и значительным почернением коллектора.

При номинальной нагрузке класс коммутации не должен превышать 1 . Классы коммутации 2 и 3 допускаются только для прямого (безреостатного) включения или реверсирования машин, если при этом коллектор и щётки остаются пригодными к эксплуатации.

1.3.2. Виды коммутации и способы её улучшения

Сложность процессов коммутации не позволяет рассмотреть её в общем виде. Поэтому для получения аналитических и графических зависимостей, поясняющих коммутацию, допускают, что ширина щётки равна коллекторному делению (ширине щётки), щётки расположены на геометрической нейтрали (линии перпендикулярной магнитным силовым линиям магнитного поля машины) и электрическое сопротивление коммутирующей секции мало.

Различают следующие виды коммутации, т. е. процесса перехода щётки с одной пластины коллектора на другую, при котором секция обмотки переходит из одной параллельной ветви в другую (рис. 8):

1). Прямолинейная, при которой пластины коллектора выходят из под щётки без разрыва тока и ток в коммутирующей секции изменяется по прямолинейному закону. При этом не происходит искрения на коллекторе (идеальная коммутация).

2). Криволинейная замедленная, при которой ток в коммутирующей секции изменяется с высокой скоростью, что приводит к возникновению реактивной (результирующей) ЭДС , препятствующей линейному изменению тока в коммутирующей секции. При этом плотность тока под сбегающим краем щётки (добавочный ток коммутации iд) может достичь недопустимо больших значений и вызвать искрение на коллекторе.

Рис. 8. Виды коммутации:

а) – прямолинейная; б) – криволинейная замедленная.

Способы улучшения коммутации сводятся к уменьшению добавочного тока коммутации iд:

где – сумма электрических сопротивлений добавочному току коммутации (в основном определяется сопротивлением щёток и переходного контакта ).

Из полученного выражения следует, что уменьшить коммутацию можно либо уменьшив суммарную реактивную ЭДС , либо увеличив сопротивление щёток . Отсюда вытекает ряд основных способов улучшения коммутации:

1). Уменьшение реактивной ЭДС. Реактивная ЭДС может быть в значительной степени уменьшена или даже полностью устранена созданием в зоне коммутации (по оси щёток) коммутирующего поля определённой полярности. Создаётся такое поле или добавочными полюсами или смещением щёток с геометрической нейтрали.

Добавочные полюса создают в зоне коммутации магнитное поле такой величины и направления, чтобы наводимая этим полем в коммутирующей секции ЭДС вращения компенсировала реактивную ЭДС. При этом щётки устанавливают на геометрической нейтрали. Если машина снабжена компенсационной обмоткой, то магнитодвижущую силу (МДС) добавочных полюсов уменьшают на МДС компенсационной обмотки.

Смещением щёток с геометрической нейтрали создают коммутирующее поле в зоне коммутации в машинах мощностью до 1 кВт, не имеющих добавочных полюсов.

2). Улучшение коммутации применением щёток с большим сопротивлением целесообразно для машин с небольшим рабочим током, т. к. при большом рабочем токе необходимо увеличивать площадь щёточного контакта, что приводит к увеличению коллектора и, следовательно, габаритов машины в целом.

Про значительных перегрузках или внезапном коротком замыкании машины постоянного тока, коммутация приобретает резко замедленный характер. При этом появляются коммутационные и потенциальные причины для возникновения электрической дуги на коллекторе. Т. к. коллектор вращается, то дуга механически растягивается, образуя вокруг коллектора мощную электрическую дугу, называемую круговым огнём по коллектору. Круговой огонь очень опасен, т. к. может привести к тяжёлой аварии машины, вплоть до пожара. Добавочные полюса и компенсационная обмотка уменьшают эту опасность, но полностью её не устраняют. Поэтому для устранения этого явления в машинах, работающих в условиях перегрузок, между коллектором и обмоткой на якоре устанавливают изолирующий экран или применяют воздушное дутьё, сдувающее дугу в сторону подшипника, а для создания препятствия на пути распространения дуги между щётками разной полярности устанавливают барьеры из изоляционного материала.

Т. к. коллекторные машины создают радиопомехи, для их подавления чаще всего применяют ёмкостные фильтры в виде конденсаторов, включаемых между каждым токоведущим проводом и корпусом машины.

Искрение контактов: причины возникновения и способы устранения

Практически все электромеханические коммутирующие устройства со временем начинают сильно искрить. Как вы уже догадались – это искрят контакты, замыкающие и размыкающие различные цепи. Строго говоря, искрение обычных контактов происходит всегда, но оно незначительно. Проблемы начинаются с того момента, когда искрообразование нарушает нормальный режим работы электроприбора, а в области рабочего пространства коммутационного узла ощущается запах озона и гари.

Основные причины искрения

Чтобы ответить на вопрос, почему и при каких обстоятельствах возникает электрическая искра, выясним, какие процессы лежат в основе искрообразования. Собственно говоря, их немного – всего два:

.
1. Влияние индуктивных цепей при их коммутации.

Существует ещё несколько факторов усиливающих процесс искрения. Это износ, превышение значений токов коммутации, ослабление пружин или уменьшение упругости пластин и некоторые другие.

Для лучшего понимания причин искрения рассмотрим более детально физику процесса. Начнём с понятия искры.

Из школьного курса физики известно, что между проводниками, на которых образовались электрические заряды, происходит ионизация воздушного пространства. По нему в определённый момент протекает ток. Если поддерживать разницу потенциалов на определённом уровне, то образуется электрическая дуга, с огромным тепловым излучением. Примером может служить работа сварочного аппарата.

Известно, что заданным током электрическую дугу можно зажечь лишь на определённом расстоянии между электродами. Чем больше разница потенциалов, тем больший промежуток, на котором происходит образование дугового электротока.

Искра – это частный случай кратковременной электрической дуги. Для этого явления справедливы утверждения приведённые выше. Отсюда вывод – для недопущения процесса искрообразования необходимо устранить причины, вызывающие зажигание электрической дуги. В частности, при разомкнутом или замкнутом положении контактов искрение прекращается по причине исчезновения условий для существования тока в ионизированном пространстве.

А теперь остановимся вкратце на процессах, вызывающих искрение в коммутационных устройствах.

Дребезг контактов

Когда катушка реле замыкает электрическую цепь или разрывает контакт, он под действием упругих сил несколько раз отскакивает. В определённые моменты расстояние между контактами оказывается настолько маленькое, что создаются условия для электрического пробоя. Поскольку процесс дребезга длится лишь доли секунды, то образуется именно искра, которая исчезает в положении замкнутого контакта. Искрение прекращается также в том случае, когда цепи полностью разомкнуты.

Влияние индуктивных цепей

При коммутации электродвигателей и различных соленоидов на выводах индуктивной нагрузки происходит образование ЭДС самоиндукции: E = -L*di/dt.

Из формулы видно, что ЭДС пропорциональна скорости изменения силы тока. Поэтому, при мгновенном расхождении контактов её величина резко возрастает. Кроме того, на ЭДС самоиндукции влияет индуктивность коммутируемого устройства. В частности, такой принцип коммутации использовался в старых моделях автомобилей. Контакты прерывателя с огромной скоростью разрывали цепь катушки индуктивности, в результате чего на электродах свечей зажигания напряжение достигало десятки киловольт.

В нашем случае напряжение разрыва, конечно же, значительно меньше, однако его вполне достаточно для образования искры. Заметим, что определённой индуктивностью обладают даже обычные провода. Поэтому искрение возможно при отключении нагрузки, находящейся в конце длинных линейных цепей.

Прочие причины искрения

Выше упоминалось о том, что усилить искрение могут различные факторы, связанные с эксплуатацией коммутационных устройств. В данном разделе мы рассмотрим, что происходит под действием некоторых факторов:

1. При плохом контакте увеличивается продолжительность дребезга, что является причиной усиления искрения.
2. Если ток коммутации сильно отличается от номинального (в большую сторону) то, во-первых, греются контакты, а во-вторых – искра получается более мощной и разрушительной.
3. Когда ослабление упругости пластин коммутационной системы не обеспечивает надёжного замыкания, то это ведёт к подгоранию контактов, образованию налёта и сажи, увеличивающих процесс искрообразования.

Заметим, что в электродвигателях постоянного тока искрят щетки. В оптимальном режиме работы мотора искрение незначительное. Но при перегрузках или в случаях междувитковых замыканий происходит значительное искрообразование, разрушающее коллектор. Похожее явление происходит при плохом прижимании щёток или в результате засорения промежутков между пластинами коллектора.

На рисунке 1 изображен якорь с подгоревшим коллектором.

Рис. 1. Подгоревший коллектор

Искрение наблюдается, когда вставляют в розетку вилки шнуров, во время подключения мощных электроприборов. Явление усиливается, если штырьки штепселя не соответствуют гнезду розетки.

Последствия, к которым приводят плохая коммутация в розетке, показаны на рис.2.

Рис. 2. Последствия плохой коммутации

Последствия

Искрение контактов не проходит бесследно. Возникают побочные следствия, сокращающие срок службы коммутирующих устройств:

• выгорают контакты;
• ослабляются упругие пластины, контактной группы;
• перегреваются реле и розетки;
• при наличии мощного тока отключения искра может стать причиной пожара, вызвать ожоги у обслуживающего персонала.

Пригоревшие контакты могут залипать, вследствие чего нарушается работа электрооборудования. Если такая неприятность случится в защитных коммутирующих устройствах, это может привести к непредсказуемым ситуациям.

Способы устранения

Выяснив причины искрения, вы можете выбрать действенный способ устранения неполадки. Например, если плохо соединяются контакты, это может быть признаком их засорения сажей. Необходимо удалить весь нагар, используя растворители. Обычно протирают контакты ваткой, пропитанной спиртом. В качестве растворителя подойдёт обычная водка или одеколон.

Изначально поверхность контактов делают очень гладкой для лучшего прижатия их друг к другу. Но в процессе эксплуатации искрение разрушает напыление, вследствие чего появляются шероховатости. Для восстановления работоспособности достаточно отшлифовать поверхность нулёвкой. Если покрытие серебряное – лучше использовать деревянную пластинку, а когда контакт сгорел, то он подлежит замене.

Возможна ситуация, когда искрит замкнутый контакт. Причиной может быть сильное его выгорание или потеря упругости пластины, которая разрывает контакт. Можно попытаться временно восстановить работоспособность реле путём шлифования или попытаться восстановить изгиб пластин.

Мы рассмотрели примеры устранения последствий искрения. Но существует ряд эффективных способов борьбы с причиной этого явления. Остановимся на некоторых из них:

1. Применение неокисляющихся металлов – серебра и различных сплавов.
2. Покрытие контактов ртутью (при условии, что они находятся в закрытой камере, например, контакты манометра).
3. Использование схем для шунтирования.
4. Встраивание в конструкции коммутирующих аппаратов искрогасительных RC цепей.

Метод с применением схем для подавления искрения довольно эффективен и не дорогой. При желании каждый, хоть немного разбирающийся в электротехнике человек, может самостоятельно изготовить искрогасящую цепь.

Для гашения искрообразования в индуктивных цепях постоянного тока достаточно установить диод параллельно нагрузке. При этом катод диода необходимо подключить к положительному, а анод соединить с отрицательным полюсом.

На рисунке 3 изображены схемы, объясняющие действие шунтирующего диода. Обратите внимание на то, как индукционный ток рассеивается на диоде, не попадая на коммутационное реле (позиция С).

Рис. 3. Схемы объясняющие действие шунтирующего диода

Для переменного тока устанавливают шунтирующую искрогасительную RC цепь. Накопленная энергия рассеивается на переходном сопротивлении, а не на контактах. Ёмкость шунтирующего конденсатора можно вычислить по формуле: C_ш = I 2 /10, здесь I – рабочий ток нагрузки, а 10 – условная постоянная, позволяющая производить расчёты для простых схем RC цепей.

Сопротивление резистора находим [ 1 ]: Rш = E₀ / (10*I*(1 + 50/E₀)), где E₀ – ЭДС (напряжение) источника питания, I – сила рабочего тока нагрузки, цифра 50 –стандартная частота переменного ток в электросети. Также пользуются для подбора параметров номограммой ниже.

По известным значениям напряжения источника питания U и тока нагрузки I находят две точки на номограмме, после чего между точками проводится прямая линия, показывающая искомое значение сопротивления резистора R. Значение емкости С отсчитывается по шкале рядом со шкалой тока I. Номограмма дает разработчику достаточно точные данные, при практической реализации схемы необходимо будет подобрать ближайшие стандартные значения для резистора и конденсатора RC-цепи.

Рис. 4. Номограмма

Сама типовая схема искрогасительной RC цепи изображена на рисунке 5.

Рис. 5. Схема искрогасительной RC цепи

Защита контактов от искрения – лучший способ продлить срок службы коммутирующего устройства. Применив несложную схему можно успешно решить задачу, связанную с искрением.

§30. Коммутация

Под коммутацией в широком смысле слова понимают все явления и процессы, возникающие под щетками при работе коллекторных электрических машин. Если щетки искрят, то говорят, что машина имеет плохую коммутацию; если искрение отсутствует, то коммутацию называют хорошей. Качество коммутации в значительной степени определяет работоспособность машины и ее надежность в эксплуатации.

Причины искрения щеток. Искрение может вызываться большим количеством причин; обычно их разбивают на две группы: механические и электромагнитные. Механическими причинами являются биение коллектора, его эллиптичность, шероховатость, наличие выступающих коллекторных пластин и изоляционных прокладок, вибрация щеткодержателей и т. д. Все эти причины приводят к вибрации щеток, в связи с чем возможны кратковременный разрыв контакта между щеткой и коллектором и возникновение кратковременной электрической дуги. Особенно трудно обеспечить отсутствие вибрации щеток при больших окружных скоростях коллектора (50 м/с и выше).

Электромагнитные причины приводят к тому, что даже при идеальном состоянии щеточного контакта при выходе коллекторной пластины из-под щетки разрывается ток и возникает короткая электрическая дуга, повреждающая сбегающие части щетки и коллекторных пластин. Искрение, вызванное электромагнитными причинами, повреждает поверхность коллектора и, как следствие, приводит к вибрации щеток, т. е. способствует возникновению искрения из-за механических причин. Неустойчивость же щеточного контакта оказывает существенное влияние на электромагнитные процессы в секциях, переходящих из одной параллельной ветви обмотки якоря в другую. Поэтому, как правило, искрение щеток на коллекторе вызывается совместным действием многих причин.

Качество коммутации оценивается степенью искрения (классом коммутации) под сбегающим краем щетки, из-под которого выходят пластины коллектора при его вращении. Допускаемые степени искрения согласно Государственному стандарту приведены в табл. 3.

Физическая Сущность процесса коммутации. Как было установлено в § 28, щетки разделяют обмотку якоря на несколько параллельных ветвей. При вращении якоря каждая секция его обмотки переходит из одной параллельной ветви в другую, что сопровождается резким изменением направления тока в секции и замыканием этой секции накоротко щетками. Процесс переключения секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую и изменения направления в них тока называется процессом коммутации.

Предположим, что в какой-либо момент секция 1 (рис. 112, а) находится в нижней параллельной ветви, при этом ток ветви iя протекает по секции в направлении от ее начала Н к концу К (для простоты принимаем, что щетки скользят не по коллектору, а непосредственно по виткам обмотки якоря). Через некоторое время якорь повернется и секция 1 окажется в верхней параллельной ветви (рис. 112, б). При этом ток iя будет уже проходить по секции в обратном направлении, т. е. от ее конца К к началу Н.

Большую часть времени, соответствующего одному обороту якоря, ток секции равен току параллельной ветви iя. Однако поскольку секция, перемещаясь под полюсами, попадает то в одну, то в другую параллельную ветвь, направление тока в ней периодически меняется (рис. 112,в). Изменение направления тока в секции происходит за период времени, в течение которого соединенные с секцией коллекторные пластины соприкасаются со щеткой. Это время называется периодом коммутации Тк. Секция начинает коммутироваться в момент, когда коллекторные пластины, между которыми подключена секция, перекрываются набегающим краем щетки; заканчивается же процесс коммутации этой секции в момент выхода указанных коллекторных пластин из-под противоположного (сбегающего) края щетки.

Рис. 112. Переход секции обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую (а и б) и кривая изменения тока в секции (в)

Рассмотрим более подробно процесс коммутации в какой-либо секции обмотки якоря двухполюсной машины при различных положениях щетки относительно коллекторных пластин. При этом ради простоты будем считать, что ширина щетки равна ширине коллекторной пластины. В начальный момент коммутации (рис. 113, а) щетка перекрывает коллекторную пластину 1, и ток в обмотке якоря I_я = 2i_я, пройдя щетку и коллекторную пластину, разветвляется на две ветви, при этом по каждой параллельной ветви (правой и левой) протекают токи i_я. При вращении якоря коллекторные пластины сдвигаются относительно щетки, и через некоторое время щетка начинает перекрывать обе коллекторные пластины 1 и 2, замыкая накоротко коммутируемую секцию 1—4, обозначенную жирной линией (рис. 113,б). При этом через коммутируемую секцию будет протекать некоторый ток i, в обеих же параллельных ветвях будут проходить токи i_я. Поэтому через набегающую коллекторную пластину 1 будет проходить ток i₁=i_я+i, а через сбегающую пластину 2 — ток i₂ = i_я — i.

Рис. 113. Распределение тока в коммутируемой секции в различные моменты коммутации

В конце процесса коммутации (рис. 113, в) щетка сходит с коллекторной пластины У и перекрывает только одну пластину 2, при этом ток в коммутируемой секции будет направлен противоположно его направлению в начале коммутации.

Таким образом, в течение периода коммутации Т_к рассматриваемая секция 1—4 переходит из правой параллельной ветви в левую. В течение этого периода ток i в коммутируемой секции линейно изменяется от +i_я до -i_я, ток i₁ — от 2i_я до нуля, а ток i₂ — от нуля до 2i_я (рис. 114, а). Такая коммутация носит название прямолинейной, или идеальной.

Рассмотренный выше процесс коммутации не вызывает каких-либо неприятных последствий в машине. Для нее характерно:

сбегающая коллекторная пластина 2 выходит из-под края щетки без разрыва тока;

плотность тока под щетками в течение периода коммутации остается неизменной, так как по мере уменьшения тока i₁ пропорционально уменьшается перекрываемая щеткой площадь S₁ коллекторной пластины 1. Точно так же по мере увеличения тока i₂ пропорционально увеличивается перекрываемая щеткой площадь S₂ коллекторной пластины 2.

По этим причинам прямолинейная коммутация считается оптимальной. Если при расчете машины выбрать площадь щеток так, чтобы плотность тока под ними не превышала некоторую предельную для щеток данной марки, то данная машина будет работать без искрения.

Однако в действительных условиях работы машин постоянного тока процесс коммутации протекает более сложно. В современных машинах период коммутации Т_к весьма мал и составляет примерно 0,001—0,0001 с. Вследствие этого скорость изменения тока в коммутируемой секции очень велика и в ней индуцируется довольно большая э. д. с. самоиндукции e_L. Обычно в процессе коммутации участвует несколько секций, одновременно замыкаемых накоротко щетками. При этом в них возникает также и э. д. с. взаимоиндукции е_м. Сумма возникающих в каждой коммутируемой секции э. д. с.

Рис. 114. Зависимости изменения токов i, i1, i2 в коммутируемой секции во времени при прямолинейной (а), замедленной и ускоренной (б) коммутации

Рис. 115. Возникновение реактивной э.д.с. (а) и добавочного тока коммутации (б)

самоиндукции и взаимоиндукции носит название реактивной э. д. с: е_р = е_L + е_м (рис. 115, а). Эта э.д.с, действуя в замкнутой накоротко секции, сильно изменяет характер коммутации и вызывает добавочный ток коммутации i_к (рис. 115,б).
Согласно правилу Ленца э. д. с. самоиндукции и взаимоиндукции должны противодействовать вызывающей их причине, т. е. замедлять изменение тока i в коммутируемой секции. Так как этот ток в процессе коммутации стремится уменьшиться, а затем изменить свой знак, реактивная э. д. с. е_р должна противодействовать этому уменьшению; следовательно, она будет иметь направление, совпадающее с направлением тока i в коммутируемой секции в первую половину периода коммутации. Такое же направление имеет и добавочный ток коммутации i_к.
Циркулируя в цепи коммутируемой секции, замкнутой накоротко щеткой, ток iк уменьшает ток i₂ на набегающем крае щетки и увеличивает ток i₁ на сбегающем крае. В результате плотность тока под щетками становится неравномерной: пониженной на набегающем крае щетки и повышенной на сбегающем. Такая коммутация называется замедленной. Ток в коммутируемой секции в этом случае изменяется по кривой 1 или 2 (см. рис. 114, б).

Влияние коммутации на работу машины. При замедленной коммутации площадь S₁ соприкосновения пластины 1 (см. рис. 113) со щеткой уменьшается быстрее, чем ток i₁, вследствие чего увеличивается плотность тока под сбегающим краем щетки.

Рис. 116. Возникновение искрения под сбегающим краем при замедленной коммутации

В конце процесса коммутации эта плотность тока может достичь большого значения и вызвать искрение под щетками. В этом случае небольшая площадь электрического контакта между щеткой и сбегающей пластиной не может пропустить через себя значительный ток, и он начинает проходить помимо этого контакта. Практически при этом образуется искровой разряд (рис. 116, а) между щеткой и сбегающей коллекторной пластиной 1.

При большом значении реактивной э. д. с. е_р ток i₁ к моменту схода щетки со сбегающей пластины не успевает уменьшиться до нуля (кривая 2 на рис. 114, б). При этом через сбегающую пластину проходит остаточный ток i_ост, который разрывается щеткой. В этом случае запас электромагнитной энергии в цепи коммутируемой секции оказывается достаточным, чтобы ионизировать воздушный промежуток между щеткой и сбегающей коллекторной пластиной, поэтому между ними появляется довольно значительный дуговой разряд, т. е. интенсивное искрение (рис. 116,б). В результате длительного искрения неизбежен преждевременный износ коллектора и щеток. Коллектор загрязняется, чернеет и становится непригодным к работе. Необходимо периодически выполнять его очистку. При сильном искрении разрушаются щетки и поверхность коллектора, которую приходится подвергать обточке. При неблагоприятных условиях (в машинах с сильным искажением магнитного поля от действия реакции якоря) дуга будет переходить от пластины к пластине, что приведет к возникновению кругового огня.

Чем больше мощность электрической машины и чем выше частота вращения якоря, тем большая реактивная э. д. с. индуцируется в коммутируемых секциях и тем неблагоприятнее протекает процесс коммутации.

На протекание процесса коммутации оказывает также вредное влияние сдвиг физической нейтрали относительно геометрической, возникающий под действием реакции якоря. Обычно щетки устанавливают под серединами полюсов так, чтобы замыкаемые ими коллекторные пластины были соединены с секциями обмотки якоря, расположенными на геометрической нейтрали. В этом месте не действует магнитный поток, созданный обмоткой возбуждения машины, и при холостом ходе в указанных секциях не индуцируется никакой э. д. с. Однако при нагрузке из-за сдвига физической нетрали относительно геометрической расположенные на геометрической нейтрали коммутируемые секции оказываются в зоне действия магнитного потока якоря Ф_я (см. рис. 105, б), поэтому при вращении якоря в них так же, как и в остальных секциях обмотки якоря, будут индуцироваться э. д. с, называемые э. д. с. вращения. Э. д. с. вращения, созданная потоком якоря, ухудшает коммутацию, так как совпадает по направлению с реактивной э. д. с. е_р.

Способы улучшения коммутации. Основной причиной искрения в машинах постоянного тока является разрыв щетками остаточного тока, созданного в коммутируемой секции реактивной э. д. с. и э. д. с. вращения от действия потока якоря. Следовательно, улучшение коммутации может быть осуществлено тремя путями:

1) уменьшением реактивной э. д. с;

2) компенсацией реактивной э. д. с. и э. д. с. вращения от потока якоря некоторой добавочной э. д. с, называемой коммутирующей; эта э. д. с. может быть индуцирована при помощи какого-либо дополнительного внешнего (коммутирующего) магнитного поля;

3) уменьшением тока коммутации i_к путем увеличения сопротивления цепи коммутируемой секции.

Рассмотрим более подробно эти способы.

Уменьшение реактивной э. д. с. Это достигается путем уменьшения индуктивности секции различными конструктивными мерами. Индуктивность секции стараются сделать возможно меньшей, уменьшая число витков. Поэтому в тяговых двигателях и тепловозных генераторах секции делают одновитковыми. Пазы якоря стараются также делать открытыми и не очень глубокими (глубина их не превышает 4,5—5,5 см даже у самых крупных машин).

На значение индуктивности оказывает влияние положение стороны секции в пазу; индуктивность верхнего слоя всегда меньше индуктивности нижнего слоя. Чтобы индуктивности всех секций были примерно одинаковыми, одну сторону каждой секции располагают в верхнем слое, а другую — в нижнем.

Определенное значение для коммутации имеет и ширина щетки. Чем шире щетка, тем больше число коллекторных пластин перекрывает она одновременно и тем больше коммутируется одновременно секций. Поэтому уменьшение ширины щетки обеспечивает уменьшение реактивной э. д. с. Практика тягового электромашиностроения выработала наиболее рациональное соотношение между шириной щетки и шириной коллекторной пластины; обычно в тяговых двигателях и генераторах щетка перекрывает 3,5—4,5 коллекторных пластины.

Однако в крупных машинах все рассмотренные конструктивные меры не могут снизить индуктивность секций и реактивную э. д. с. до допустимых значений. Поэтому в таких машинах приходится уменьшать длину, окружную скорость и суммарный ток проводников, лежащих в пазах якоря, а для получения необходимой мощности машины увеличивать диаметр якоря, что приводит к увеличению габаритных размеров и массы машины. По этим причинам машины постоянного тока имеют примерно на 20—25 % меньшую мощность, чем машины переменного тока при тех же габаритных размерах и частоте вращения.

Поскольку конструктивные меры уменьшения реактивной э. д. с. влекут за собой увеличение габаритных размеров и массы, этими способами добиваются лишь снижения реактивной э. д. с. при номинальной нагрузке до уровня 3—5 В. При такой реактивной э. д. с. обычно удается наладить коммутацию, применив добавочные полюсы.

Создание в коротко замкну той секции коммутирующей э. д. с. В машинах мощностью свыше 1 —1,5 кВт для создания коммутирующего поля с целью компенсации реактивной э. д. с. и э. д. с. вращения от потока якоря применяют добавочные полюсы. Они расположены между главными полюсами на геометрической нейтрали машины (см. рис. 111, а), т. е. там же, где находятся коммутируемые секции, замыкаемые накоротко щетками. Ширину этих полюсов выбирают небольшой (рис. 117, а), чтобы созданное ими магнитное поле действовало только в зоне, где происходит процесс коммутации (коммутационной зоне). Магнитный поток добавочных полюсов направлен против потока якоря в коммутационной зоне и компенсирует его; в этом случае в коммутируемых секциях не будет индуцироваться э. д. с. вращения. Кроме того, поток добавочных полюсов индуцирует в коммутируемых секциях коммутирующую э. д. с. е_к, направленную против реактивной э. д. с. е_р (рис. 117, б). Добавочные полюсы рассчитывают так, чтобы коммутирующая э. д. с. е_к была приблизительно равна реактивной э. д. с. е_р. В этом случае имеют место рассмотренные выше условия идеальной коммутации, обеспечивающие безыскровую работу машин. Полярность каждого добавочного полюса в генераторах должна быть такой же, как у следующего по направлению вращения главного полюса, а в двигателях — как у предшествующего главного полюса. Если коммутирующая э. д. с. е_к будет больше реактивной э. д. с. е_р, то имеет место ускоренная коммутация, при этом ток в коммутируемой секции изменяется по кривой 3 (см. рис. 114,б). При небольшом преобладании э. д. с. е_к коммутация протекает благоприятно, плотность тока под сбегающей пластиной становится малой (образуется так называемая «ступень малого тока») и сход этой пластины из-под щетки происходит без искрения. Однако если ек значительно превосходит е_р, то искрение возникает под набегающим краем щетки. Осуществить точную компенсацию реактивной э. д. с. коммутирующей невозможно из-за технологических неточностей

Рис. 117. Электромагнитная схема машины с добавочными полюсами (а) и индуцирование в короткозамкнутых секциях коммутирующей э.д.с. (б): 1, 3 — добавочный и главный полюсы; 2 — обмотка добавочного полюса; 4 — якорь; 5 – коммутируемые секции; 6 — щетка; 7 — коллектор

Рис. 118. Схема включения обмоток якоря, возбуждения, добавочных полюсов и компенсационной в машине постоянного тока (а) и зависимости э.д.с. ер и ек от тока якоря Iя (б): Я — обмотка якоря; ОВ — обмотка возбуждения; ОДП — обмотка добавочных полюсов; КО — компенсационная обмотка

ностей при изготовлении машины (неточное расположение главных и добавочных полюсов, щеток на коллекторе, неодинаковая толщина коллекторных пластин и изоляционных прокладок, несимметричное расположение пластин на коллекторе и пр.) и нестабильного характера щеточного контакта. Однако практика показывает, что если нескомпенсированная э.д.с. ?е = е_р — е_к не превышает 0,8—1,0 В, то коммутация протекает удовлетворительно.

При изменении нагрузки машины изменяется ток, протекающий по обмотке якоря, а следовательно, и реактивная э. д. с. е_р в коммутируемой секции. Для того чтобы поле добавочных полюсов автоматически компенсировало э. д. с. е_р при различных нагрузках, обмотку добавочных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря (рис. 118, а), а их магнитную цепь делают ненасыщенной. Поэтому создаваемое этими полюсами коммутирующее магнитное поле, а следовательно, и коммутирующая э. д. с. е_к будут изменяться пропорционально току в обмотке якоря, т. е. так же, как и реактивная э. д. с.

Рассмотренные выше условия имеют место при изменении нагрузки машины от холостого хода до несколько большей ее номинальной. Однако при сильных перегрузках компенсация реактивной э. д. с. е_р нарушается, так как при больших токах в обмотке якоря начинает сказываться насыщение магнитной цепи добавочных полюсов. В этом случае реактивная э. д. с. будет возрастать пропорционально току, рост же коммутирующей э. д. с. е_к из-за насыщения будет более замедленным (рис. 118, б), вследствие чего в коммутируемых секциях появится некоторая нескомпенсированная э. д. с. ?_е =e_р-е_к, вызывающая искрение под щетками.

Чтобы увеличить предельную нагрузку, при которой происходит насыщение магнитной цепи добавочных полюсов, поперечное сечение их сердечников делают достаточно большим, а воздушный зазор под добавочными полюсами устраивают значительно большим, чем воздушный зазор под главными полюсами (рис. 119, а). В машинах

Рис. 119. Магнитная цепь добавочных полюсов в машинах большой мощности (а и б) и схема магнитных потоков, проходящих через добавочный полюс (в): 1 — остов; 2 — обмотка добавочного полюса; 3 — дополнительный воздушный зазор (немагнитная прокладка); 4 — сердечник добавочного полюса; 5 — основной воздушный зазор; 6 — якорь; 7 — главный полюс; 8 — междуполюсное пространство; 9 — коммутационная зона

большой и средней мощности при конструировании магнитной цепи добавочных полюсов приходится принимать специальные меры для уменьшения магнитного потока рассеяния Ф_? добавочного полюса, который проходит через междуполюсное пространство помимо якоря (рис. 119, в). Этот поток превышает в 2—4 раза полезный поток добавочного полюса Ф_дп, проходящий через коммутационную зону. Для уменьшения потока рассеяния, который может вызвать насыщение сердечников добавочных полюсов, обмотку добавочного полюса размещают ближе к якорю и делят воздушный зазор на две части, устанавливая немагнитные прокладки 3 между остовом и торцами сердечников добавочных полюсов (рис. 119, б). Дополнительный воздушный зазор у остова повышает магнитное сопротивление для потока рассеяния, что обеспечивает уменьшение этого потока. Кроме того, такой зазор улучшает коммутацию при переходных режимах.

Увеличение сопротивления цепи коммутируемой секции. Щетки по своей физической природе являются нелинейными сопротивлениями. При быстром увеличении плотности тока под сбегающим краем щетки сопротивление ее резко возрастает, что ведет к уменьшению остаточного тока или к полному его устранению даже в случае, когда коммутация является неидеальной. Коммутирующие свойства щеток характеризуются падением напряжения 2?u_щ в контактном слое пары щеток, одна из которых проводит, а другая отводит ток. Наилучшие коммутирующие свойства имеют электрографитированные щетки, для них 2?u_щ ? 2,4—2,6 В. Стремление к улучшению коммутации — основная причина перехода от медных щеток, первоначально применявшихся в электромашиностроении, к электрографитированным.

При прохождении тока между щеткой и коллектором происходят сложные электролитические процессы. Вследствие этого поверхность коллектора покрывается политурой — тонкой пленкой светло или темно-коричневого цвета, содержащей, главным образом, окислы меди и углерод. Наличие политуры благотворно сказывается на работе щеток; коэффициент трения уменьшается и возрастает переходное сопротивление контакта между щеткой и коллектором. Процесс появления политуры при обычных условиях длится от 2 до 10 ч. При очень больших скоростях перемещения щетки по коллектору (свыше 50—60 м/с) может происходить частичное разрушение политуры.

Улучшение условий коммутации можно обеспечить при применении разрезных щеток (см. рис. 87,б). В этом случае удлиняется путь, по которому проходит добавочный ток коммутации i_k, и увеличивается сопротивление цепи коммутируемой секции. Следовательно, уменьшается ток i_k.

Особенности коммутации при переходных режимах. Тяговые двигатели электроподвижного состава нередко работают при переходных режимах, вызываемых резкими колебаниями напряжения в сети, нарушением электрического контакта между токоприемником и контактной сетью (отрыв токоприемника от контактного провода), нарушением сцепления между колесными парами и рельсами (бок-сование, юз и восстановление нормального сцепления) и переключениями электрических цепей в процессе управления локомотивами.

При прекращении питания двигателя (отрыв токоприемника
от контактного провода) и последующем его восстановлении происходит процесс изменения тока якоря I_я и магнитного потока Ф главных полюсов. Магнитный поток Ф достигает первоначального значения только через некоторое время ? t, так как в массивном остове машины индуцируются вихревые токи, которые согласно правилу Ленца противодействуют изменению потока. Медленное восстановление магнитного потока главных полюсов Ф, а следовательно, и э. д. с. двигателя Е приводит к резкому возрастанию тока I_я до значения I_мах, примерно в 2—3 раза большего его значения до прекращения питания. В результате происходит нарушение нормальной коммутации машины и соответствующее увеличение потока якоря, сопровождающееся возрастанием напряжения между смежными коллекторными пластинами, что может привести к возникновению кругового огня.

Возникновение вихревых токов в массивном остове машины и сердечниках добавочных полюсов приводит к нарушению коммутации также и потому, что они задерживают изменение магнитного потока добавочных полюсов, который должен быстро следовать за изменением реактивной э. д. с, т. е. тока в обмотке якоря. В результате нарушается условие компенсации реактивной э. д. с. е_р — е_к = 0 и возникает нескомпенсированная э. д. с. ?е = е_р— е_к, вызывающая искрение под щетками. Введение в магнитную цепь добавочных полюсов второго воздушного зазора у остова (см. рис. 119,б) ослабляет этот задерживающий эффект и способствует более быстрому изменению коммутирующей э. д. с. е_к в соответствии с изменением е_р.

6.3 Причины, вызывающие искрение на коллекторе

При вращении машины коллекторные пластины поочередно вступают в соприкосновение со щетками. При этом переход щетки с одной пластины на другую сопровождается переключением секции обмотки из одной параллельной ветви в другую и изменением значения и направления тока в секции. Процесс переключения секции из одной параллельной ветви в другую называется коммутацией. Различают при этом два вида коммутации: прямолинейная коммутация, при которой ток коммутирующей секции изменяется по прямолинейному закону; криволинейная коммутация, когда процесс изменения направления тока затягивается во времени, а признаком является неодинаковая плотность тока под щеткой в периоде коммутации.

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.

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, выступление 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. В этом случае искренне 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 ГОСТ, искрение на коллекторе оценивается степенью искрения: степень 1 – искрение отсутствует (темная коммутация); степень 1 1 / 4 – незначительное искрение под щеткой, не вызывающее почернение коллектора появление нагара; степень 1 1/2 – слабое искрение под большей частью щетки, следы почернения, которые легко устраняются путем протирания поверхности коллектора; степень 2 – искрение под всем краем щетки (приводит к появлению неустраняемых следов почернения и нагара); степень 3 – значительное искрение с появлением крупных вылетающих искр, приводящее к неустраняемому почернению коллектора.

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