pdf.php@id=6159.pdf

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 влия­ ние на коммутацию и на исправную работу машины.

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

Ввиду неровности микрорельефа непосредственный механиче­ ский контакт, или соприкосновение щетки с коллекторными пла­ стинами, 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, ис­ пускают ионы. При белом калении происходит термическая эмиссия электронов из катодно поляризованных щеток и пластин. Эмити­ рующие 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 по­ являются 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 контакт­ ной поверхности щетки. Ионная проводимость преобладает при больших плотностях тока под щеткой (/щ > 5 а/смг.)

Искровые и дуговые разряды оказывают интенсивное термиче­ ское 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 тем­ пературы.

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 кол­ лекторе образуется блестящая пленка окислов меди, имеющая раз­ личную окраску (розовую, коричневую, фиолетовую, сине-стальную) и называемая п о л и т у р о й . Политура увеличивает переходное сопротивление щеточного контакта, ограничивает тем самым ве­

личину тока короткого замыкания секции и улучшает коммутацию.

Переходное сопротивление щеточного контакта при этом уменьшается, и условия коммутации ухуд­ шаются.

В верхних слоях атмосферы влаги весьма мало, и условия ком­ мутации 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 яв­ ляется постоянным, а зависит от величины тока. На рис. 6-1 сплош­ ными линиями показаны две вольт-амперные характеристики ще­ ток, представляющие собой зависимость падения напряжения в кон­ тактном слое щетки Д{/щ от средней плотности тока под щеткой/',,. Там же штриховыми линиями изображены кривые удельного пе­ реходного сопротивления

рщ= Д{/щ//щ

в функции /щ.

На начальном, круто поднимающемся, участке кривых Д{/„, =

— / (Ущ) преобладает контактная проводимость, а на пологом уча­ стке — ионная проводимость.

Кривые 1 на рис. 6-1 соответствуют случаю, когда при малых /щ сопротивление рщ 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).

§ 6-2. Искрение на коллекторе Причины искрения.

С практической точки зрения важно, чтобы коммутация про­ исходила без значительного искрения у контактных поверхно­ стей щеток, так как сильное искрение портит поверхность кол­ лектора и щеток и делает длительную работу машины невоз­ можной.

Причины искрения 'на щетках можно подразделить на механиче­ ские и электромагнитные.

Механические причины искрения большей частью связаны с на­ рушением контакта между щетками и коллектором. Такие наруше­ ния вызываются: 1) неровностью поверхности коллектора, 2) пло­ хой 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) вибра­ цией щеток (нежесткость токосъемного аппарата, плохая баланси­ ровка машины, слишком свободное расположение щеток в щетко­

ского характера.

Элекгромагнитные причины искрения на щетках связаны с ха­ рактером протекания электромагнитных процессов в коммутируе­ мых секциях. Обеспечение достаточно благоприятного протекания этих процессов является важной задачей при создании машин по­ стоянного тока, в особенности крупных. Изучение этих вопросов составляет основное содержание последующих параграфов настоя­ щей 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 искре­

ния 1, 1 ^ и 1 ^ допускаются при любых режимах работы.

Потенциальное искрение. В определенных условиях возникают искровые разряды между отдельными коллекторными пластинами на свободной поверхности коллектора, не занятой щетками. Такое искрение называется п о т е н ц и а л ь н ы м . Оно вызывается либо накоплением угольной пыли и грязи в канавках между сосед­ ними коллекторными пластинами, либо возникновением чрезмерных напряжений между соседними пластинами (см. § 5-3). Такое искре­ ние опасно тем, что оно способно развиться в короткое замыкание между пластинами и в так называемый круговой огонь.

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

Круговой огонь возникает в результате чрезвычайно сильного расстройства коммутации, когда под сбегающим краем щетки по­ являются сильные искры и электрические дуги (рис. 6-2). Распро­ странение огня происходит путем повторных зажиганий дуги. Появляющаяся под щеткой дуга растягивается электродинамиче­ скими силами и гаснет, оставляя за собой ионизированное прост­

При этом, с одной стороны, появляется сильное искрение («вспыш­ ка») под щеткой, а с другой стороны, происходит значительное искажение_кривой поля в зазоре и увеличение напряжения между отдельными коллекторными пластинами (см. § 5-3), что способ­ ствует 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 за­ мыкания в течение 0,05—0,10 сек.

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

§ 6-3. Процесс коммутации

Период коммутации Тк 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 Тк равно времени перемещения коллектора, вращающегося с окружной скоростью ок, на ширину щетки Ьщ:

Обозначим: Пк — диаметр коллектора,

При сложной, /л-ходовой петлевой обмотке (рис. 6-3, б) между началом и концом секции располагается ш — 1 коллекторных пластин. При этом секция замкнута накоротко в течение времени перемещения коллектора на ве­ личину дуги Ьщ—(т — 1)ЬК, и,

следовательно,

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

Пусть, например, мы имеем машину с простой петлевой обмот­ кой и п = 1500 об/мин — 25 об/сек, К — 100, рк = 2,5. Тогда по формуле (6-5) или (6-6)

= ню • 25” = сек-

Таким образом, процесс коммутации протекает быстро и по от­ ношению к внешней цепи машины является периодическим процес­ сом с частотой порядка 1000—3000 гц.

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

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

На рис. 6-5, а для некоторого момента времени ( в соответствии с уравнениями (6-8) показаны также значения токов ^ и ;2. При этом из рис. 6-5, а следует, что

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

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

Можно показать, что и при 6Щ> Ьк коммутация простой петле­ вой обмотки является прямолинейной, если только Ее = 0 и гс — = г„ = 0.

Если гс ф 0 и г„ Ф 0, то по равенствам (6-9) и (6-12) можно установить, что при Ее = 0 ток I изменяется так, как показано на рис. 6-5, б. Следовательно, в общем случае коммутация сопро­ тивлением не является прямолинейной. Однако в обычных условиях отклонение кривой на рис. 6-5, б от прямой линии мало, и им можно пренебречь.

добавочный ток, определяемый последним членом равенства (6-9):

Зависимость сопротивления короткозамкнутого контура сек­ ции гк от времени согласно выражению (6-16) изображена на рис. 6-6.

Если предположить, что Ее по абсолютной величине постоянна, то характер зависи­ мости /к.д от 1 при Ее >- 0 и Ее ■< О имеет вид, также изображенный на рис. 6-6.

При Ее >- 0 ток д складывается с основным током коммутации, который можно принять линейным. При этом

в начале коммутации происходит мед­ ленно и ускоряется к концу.

Величина тока на сбегающем краю щетки % в этом случае сохраняется боль­ шой вплоть до конца коммутации, вслед­ ствие чего и плотность тока /щ1 под этим краем щетки к концу коммутации ста­

новится большой. Размыкание контура короткозамкнутой секции сбегающим краем щетки при этом аналогично выключению или раз­ рыву цепи тока с г и Ь при помощи рубильника.

По изложенным причинам при замедленной коммутации воз­ никают 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 щетко­ держателем и щеткой последняя качается, и края щетки стираются больше и т. д.).

При Ее •< О ток /к д имеет обратный знак и характер измене­ ния токов соответствует рис. 6-7, б. В этом случае токи 1, ^ и »2 изменяются быстро в начале коммутации, и такая коммутация называется у с к о р е н н о й . Ток »2 и плотность тока на на­