Природа проводимости в щеточном контакте.

Как уже указывалось (см. § 3-3), коммутацией называется процесс переключения секций обмотки из одной параллельной ветви в другую и изменения направления тока в них на обратное.

Во время коммутации секции замыкаются накоротко щетками, через которые ток из якоря передается во внешнюю цепь или из внешней цепи в якорь. Явления в щеточном контакте, т. е. между щетками и коллекторными пластинами, оказывают большое влияние на коммутацию и на исправную работу машины.

Передача тока от щетки к коллектору и обратно может осуществляться через: 1) непосредственный механический контакт между щеткой и коллектором, 2) мельчайшие частицы медной и графитной пыли и 3) ионизированные воздушные щели между щеткой и коллектором. Соответственно говорят о зонах: 1) непосредственного контакта, 2) пылевидного контакта и 3) ионной проводимости.

Ввиду неровности микрорельефа непосредственный механический контакт, или соприкосновение щетки с коллекторными пластинами, происходит только на части контактной поверхности щетки, и притом только в отдельных точках. Плотность тока в этих точках достигает нескольких тысяч ампер на квадратный миллиметр. Точечные контакты непостоянны ввиду их износа и разрушения, а также перемещения коллектора, причем время существования каждого точечного контакта в отдельности весьма невелико.

Вследствие износа щеток и коллектора в контактном слое всегда имеется множество мелких пылинок. Поэтому контакт и передача тока частично осуществляются через эти пылинки. Плотность тока при этом также велика, а продолжительность каждого контакта из-за движения коллектора и сгорания пылинок невелика.

Точки непосредственного и пылевидного контакта вследствие больших плотностей тока накаляются до красного и белого каления. При красном калении медь и щетки, поляризованные анодно, испускают ионы. При белом калении происходит термическая эмиссия электронов из катодно поляризованных щеток и пластин. Эмитирующие электроны в свою очередь ионизируют воздух в контактном слое. В результате этого создается ионная проводимость тока. В зоне ионной проводимости под щеткой возникают также слабые электрические искровые и дуговые разряды. Такие разряды появляются и на краях щеток при замыкании секций накоротко и их размыкании.

Рассмотренные разнородные зоны проводимости невелики по размерам, перемежаются друг с другом и перемещаются по контактной поверхности щетки. Ионная проводимость преобладает при больших плотностях тока под щеткой (/_щ > 5 а/см².)

Искровые и дуговые разряды оказывают интенсивное термическое действие на материалы щетки и коллектора. Катод термически разрушается, и электродное вещество переносится с катода на анод. В результате этого происходит электрическая эрозия, следствием которой является перенос материала и износ электродов. Высокие температуры возникают лишь в отдельных точках, и поэтому щетки

и коллекторные пластины в целом не нагреваются до высокой температуры.

Электролиз. В воздухе всегда есть влага, и все предметы покрыты тончайшей пленкой влаги, которая имеет определенную степень кислотности, так как в воздухе всегда содержатся различные окислы. Поэтому при прохождении тока через слой щеточного контакта возникает явление электролиза. В результате электролиза на коллекторе образуется блестящая пленка окислов меди, имеющая различную окраску (розовую, коричневую, фиолетовую, сине-стальную) и называемая политурой. Политура увеличивает переходное сопротивление щеточного контакта, ограничивает тем самым величину тока короткого замыкания секции и улучшает коммутацию.

Наличие хорошей политуры на коллекторе является признаком хорошей коммутации. Зеркало щетки при хорошей коммутации имеет также блестящую поверхность.

Сильное искрение и дуговые разряды разрушают политуру и зеркальную поверхность щеток, контактные поверхности становятся матовыми и появляются следы нагара. Переходное сопротивление щеточного

контакта при этом уменьшается, и условия коммутации ухудшаются.

В верхних слоях атмосферы влаги весьма мало, и условия коммутации машин постоянного тока на высотных самолетах сильно ухудшаются. Для создания политуры в этом случае применяются специальные сорта щеток.

Вольт-амперные характеристики щеток. Вследствие сложной природы щеточного контакта его переходное сопротивление не является постоянным, а зависит от величины тока. На рис. 6-1 сплошными линиями показаны две вольт-амперные характеристики щеток, представляющие собой зависимость падения напряжения в контактном слое щетки Д£ /_щ от. средней плотности тока под щеткой /,,. Там же штриховыми линиями изображены кривые удельного переходного сопротивления

Рис. 6-1. Вольт-амперьые характеристики щеток

Рщ^ U щ/ J щ

в функции /_щ.

На начальном, круто поднимающемся, участке кривых AU_m = = / (/_щ) преобладает контактная проводимость, а на пологом участке — ионная проводимость.

Кривые / на рис. 6-1 соответствуют случаю, когда при малых /_щ сопротивление р_щ велико и начальная часть вольт-амперной характеристики круто поднимается. Такие щетки обеспечивают лучшие условия коммутации, чем щетки, соответствующие кривым 2 на рис 6-1 (см. § 6-3 и 6-6).

Искрение на коллекторе

Причины искрения.

С практической точки зрения важно, чтобы коммутация происходила без значительного искрения у контактных поверхностей щеток, так как сильное искрение портит поверхность коллектора и щеток и делает длительную работу машины невозможной.

Причины искрения 'на щетках можно подразделить на механические и электромагнитные.

Механические причины искрения большей частью связаны с нарушением контакта между щетками и коллектором. Такие нарушения вызываются: 1) неровностью поверхности коллектора, 2) плохой пришлифовкой щеток к коллектору, 3) боем коллектора, если он превышает 0, 2—0, 3 мм, 4) выступанием отдельных коллекторных пластин, 5) выступанием слюды между коллекторными пластинами, 6) заеданием щеток в щеткодержателях (тугая посадка), 7) вибрацией щеток (нежесткость токосъемного аппарата, плохая балансировка машины, слишком свободное расположение щеток в щеткодержателях с зазорами более 0, 2—0, 3 мм, слишком большое расстояние между обоймой щеткодержателя и коллектором — более 2— 3 мм и т. д.). Искрение может быть вызвано также неравномерным натягом щеточных пружин, несимметричной разбивкой щеточных пальцев и щеток по окружности и другими причинами механического характера.

Электромагнитные причины искрения на щетках связаны с характером протекания электромагнитных процессов в коммутируемых секциях. Обеспечение достаточно благоприятного протекания этих процессов является важной задачей при создании машин постоянного тока, в особенности крупных. Изучение этих вопросов составляет основное содержание последующих параграфов настоящей главы.

Степень искрения. Качество коммутации, согласно ГОСТ 183—66 (табл. 6-1), оценивается степенью искрения (классом коммутации) под сбегающим краем щетки, т. е. под тем краем, из-под которого пластины коллектора выходят при своем вращении. Степени искрения 1, 1 - и 1 g допускаются при любых режимах работы.

Таблица 6-1 Степень искрения (класс коммутации) электрических машин

Степень искрения (класс коммутации)	Характеристика степени искрения	Состояние коллектора и щеток
1 4	Отсутствие искрения (темная коммутация) Слабое точечное искрение под небольшой частью щетки	Отсутствие почернения на коллекторе и нагара на щетках
'1	Слабое искрение под большей частью щетки	Появление следов почернения на коллекторе, легко устраняемых протиранием поверхности коллектора бензином, а также следов нагара на щетках
	Искрение под всем краем щетки. Допускается только при кратковременных толчках нагрузки и перегрузки	Появление следов почернения на коллекторе, не устраняемых протиранием коллектора бензином, а также следов нагара на щетках
	Значительное искрение под всем краем щетки с наличием крупных и 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 поверхности коллектора бензином, а также подгар и разрушение щеток

Потенциальное искрение. В определенных условиях возникают искровые разряды между отдельными коллекторными пластинами на свободной поверхности коллектора, не занятой щетками. Такое искрение называется потенциальным. Оно вызывается либо накоплением угольной пыли и грязи в канавках между соседними коллекторными пластинами, либо возникновением чрезмерных напряжений между соседними пластинами (см. § 5-3). Такое искрение опасно тем, что оно способно развиться в короткое замыкание между пластинами и в так называемый круговой огонь.

I Круговой огонь представляет собой короткое замыкание якоря машины через электрическую дугу на поверхности коллектора.

Круговой огонь возникает в результате чрезвычайно сильного расстройства коммутации, когда под сбегающим краем щетки появляются сильные искры и электрические дуги (рис. 6-2). Распространение огня происходит путем повторных зажиганий дуги. Появляющаяся под щеткой дуга растягивается электродинамическими силами и гаснет, оставляя за собой ионизированное пространство. Поэтому последующая дуга возникает в более благоприятных условиях, является более мощной и растягивается на большее расстояние по коллектору, и, наконец, дуга может растянуться до щеток противоположной полярности.

Круговой огонь возникает обычно при больших толчках тока якоря (значительные перегрузки, короткие замыкания на зажимах машины или в сети и т. п.). При этом, с одной стороны, появляется сильное искрение («вспышка») под щеткой, а с другой стороны, происходит значительное искажение кривой поля в зазоре и увеличение напряжения между отдельными коллекторными пластинами (см. § 5-3), что способствует возникновению кругового огня. Круговой огонь вызывает порчу поверхности коллектора и щеток.

Действенной мерой против возникновения кругового огня является применение компенсационной обмотки (см. § 5-3), а также быстродействующих выключателей, отключающих короткие замыкания в течение 0, 05—0, 10 сек.

Иногда, при 1/„ > 1000 в, между щеточными бракетами разных полярностей ставятся также изоляционные барьеры, препятствующие распространению дуги.

Процесс коммутации

Период коммутации Т_к представляет собой время, в течение которого секция замкнута накоротко щеткой и коммутируется.

В случае простой петлевой обмотки секция, изображенная на рис. 6-3, а в виде петли, присоединяется к соседним коллекторным пластинам. При этом значение Т_к равно времени перемещения коллектора, вращающегося с окружной скоростью v_K, на ширину тетки h •

Выражение (6-6) действительно также для простой петлевой обмотки (alp = 1) и, кроме того, как можно показать, для простой и сложной волновой обмотки.

Пусть, например, мы имеем машину с простой петлевой обмоткой и я = 1500 об/мин = 25 об/сек, К = 100, р_к = 2, 5. Тогда по формуле (6-5) или (6-6)

Таким образом, процесс коммутации протекает быстро и по отношению к внешней цепи машины является периодическим процессом с частотой порядка 1000—3000 гц.

Уравнения коммутации. Исследуем закономерности коммутации секции для простой петлевой обмотки и примем сначала для простоты, что ширина щетки равна коллекторному делению (рис. 6-4).

Составим второе уравнение Кирхгофа для коммутируемой секции (рис. 6-4):

где i — ток в коммутируемой секции, принимаемый положительным для начального момента коммутации (рис. 6-4, а); ц, i₂— токи, протекающие через соединительные проводники («пегушки») и коллекторные пластины / и 2 к щетке; г_с — сопротивление секции; г_п — сопротивление «петушка»; r_ml, r_m2 — сопротивления щеточного контакта между пластинами / и 2 и щеткой; Ее — сумма э. д. с, индуктируемых в коммутируемой секции в результате процесса самоиндукции в короткозамкнутой секции и других явлений.

Рис. 6-4. Последовательные моменты коммутации секции

Кроме того, для узловых точек а и б на рис. 6-4 можно составить два первых уравнения Кирхгофа:

i_a + i-h = 0\ i_a-i-h = 0. (6-8)

Процесс коммутации определяется изменением во времени токов г, i-i, i₂. Эти токи могут быть определены из уравнений (6-7) и (6-8), если известны все другие величины. Однако в общем случае решение этих уравнений весьма затруднительно. Действительно, i_a, r_z и г„ можно считать постоянными и заданными величинами. Однако г_щ1 и г_щ2 являются весьма сложными и математически трудно определимыми функциями токов i_x, t₂ и времени t (см. § 6-1). То же можно сказать и о сумме э. д. с. 2е. Поэтому ниже, следуя так называемой классической теории коммутации, находим приближенное решение, которое позволяет выявить основные закономерности процесса коммутации и определить способы ее улучшения.

Подставим г'х и t₂ из уравнений (6-8) в (6-7). Тогда получим

Первый член этого выражения представляет собой так называемый основной ток коммутации секции, а второй член — добавочный ток коммутации. Очевидно, что знаменатели в выражении (6-9)

определяют сопротивление короткозамкнутого контура коммутируемой секции. Добавочный ток коммутации поэтому можно рассматривать как ток короткого замыкания секции, определяемый э. д. с. Не.

Коммутация сопротивлением, прямолинейная коммутация. Рассмотрим сначала случай, когда 2е = 0. При этом в секции существует только основной ток коммутации. Изменение тока секции i определяется только изменением г_щ1 и г_щ2, вследствие чего этот случай называется коммутацией сопротивлением.

Сопротивления г_с и г_а значительно меньше r_ml и г_щ2. Поэтому можно положить г_с х г_п « 0, и тогда при 2е = 0

На рис. 6-5, а для некоторого момента времени / в соответствии с уравнениями (6-8) показаны также значения токов i_x и i₂. При этом из рис. 6-5, а следует, что

Очевидно, что при прямолинейной коммутации (рис. 6-5, а) ^ai — ^a2 ⁼ const. Поэтому в течение всего периода коммутации также /_щ1 = /_щ2 = const.

Рис 6-5 Прямолинейная (а) и криволинейная (б) коммутация сопротивлением

Таким образом, при прямолинейной коммутации плотность тока под всей щеткой на протяжении всего времени коммутации неизменна, как если бы щетки находились на сплошном вращающемся контактном кольце, а не на коллекторе. Такой случай коммутации поэтому является теоретически идеальным.

Можно показать, что и при Ь_т > Ь_к коммутация простой петлевой обмотки является прямолинейной, если только 2е = 0 и г_с = = г_п = 0.

Если г_с ф 0 и г_п Ф 0, то по равенствам (6-9) и (6-12) можно установить, что при 2е = 0 ток i изменяется так, как показано на рис. 6-5, б. Следовательно, в общем случае коммутация сопротивлением не является прямолинейной. Однако в обычных условиях отклонение кривой на рис. 6-5, б от прямой линии мало, и им можно пренебречь.

Замедленная и ускоренная коммутация. В общем случае, при 2е ф 0, на основной ток коммутации накладывается

Зависимость сопротивления короткозамкнутого контура секции г_к от времени согласно выражению (6-16) изображена на рис. 6-6.

Если предположить, что Ее по абсолютной величине постоянна, то характер зависимости /_{к д} от t при Ее > О и Ее < 0 имеет вид, также изображенный на рис. 6-6.

При Ее > О ток i_{K д} складывается с основным током коммутации, который можно принять линейным. При этом получается случай так называемой замедленной коммутации (рис. 6-7, а), когда изменение тока i в начале коммутации происходит медленно и ускоряется к концу.

Рис. 6-6. Добавочный ток коммутации

Величина тока на сбегающем краю щетки i_t в этом случае сохраняется большой вплоть до конца коммутации, вследствие чего и плотность тока /_щ1 под этим краем щетки к концу коммутации становится большой. Размыкание контура короткозамкнутой секции сбегающим краем щетки при этом аналогично выключению или разрыву цепи тока с г и L при помощи рубильника.

По изложенным причинам при замедленной коммутации возникают благоприятные условия для искрения под сбегающим краем щетки.

Этому способствует также то обстоятельство, что контакт на краях щетки менее устойчив (из-за наличия зазора между щеткодержателем и щеткой последняя качается, и края щетки стираются больше и т. д.).

При Ее •< 0 ток г_{к д} имеет обратный знак и характер изменения токов соответствует рис. 6-7, б. В этом случае токи г, i₁ и i₂ изменяются быстро в начале коммутации, и такая коммутация называется ускоренной. Ток i₂ и плотность тока /_щ2 на на-

бегающем краю щетки уже в начале коммутации, когда этот край щетки подобно рубильнику замыкает цепь короткозамкну-той секции, становятся большими. При этом существует некоторая тенденция к искрению под набегающим краем щетки.

Однако сильного искрения обычно не наблюдается. В конце же процесса ускоренной коммутации, как видно из рис. 6-7, б, ток i_u а также плотность тока /_щ1 на сбегающем краю щетки могут быть малы или даже практически равны нулю. Поэтому размыкание цепи короткозамкнутой секции сбегающим краем щетки при такой

Рис. 6-7. Замедленная (а) и ускоренная (б) коммутация

ускоренной коммутации происходит в весьма благоприятных условиях подобно размыканию рубильником цепи с малым током.

Подобная коммутация, когда ток на сбегающем краю щетки в конце коммутации мал, называется некоторыми авторами также коммутацией с малой ступенью тока. Получению такой коммутации способствуют щетки с круто поднимающейся вольт-амперной характеристикой (кривая / на рис. 6-1), когда переходное сопротивление щетки при малых плотностях тока велико.

Таким образом, замедленная коммутация является неблагоприятной и нежелательной. Наоборот, слегка ускоренная коммутация благоприятна, и на практике стремятся достичь именно такой коммутации.

Хотя выше рассматривался случай коммутации для простой петлевой обмотки и Ь_ш = Ь_к, однако и в общем случае коммутация имеет характер и особенности, подобные изложенным выше.

⇐ Предыдущая78910111213141516Следующая ⇒

Поделиться: