Вольдек А.И. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

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 Ц

> 5 а!см

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 политурой. Политура увеличивает переходное

сопротивление щеточного контакта, ограничивает тем самым ве-

личину тока короткого замыкания

секции и улучшает коммутацию.

Наличие хорошей политуры

на коллекторе является призна-

ком хорошей коммутации. Зер-

кало щетки при хорошей комму-

тации имеет также блестящую по-

верхность.

Сильное искрение и дуговые раз-

ряды разрушают политуру и зер-

кальную поверхность щеток, кон-

тактные поверхности становятся ма-

товыми и появляются следы нагара.

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 Ди

от средней плотности тока под щеткой/',,.

Там же штриховыми линиями изображены кривые удельного пе-

реходного сопротивления

= Д t/щ/Ущ

в функции /

На начальном, круто поднимающемся, участке кривых ЛU

— / (/щ) преобладает контактная проводимость, а на пологом уча-

стке — ионная проводимость.

Рис. 6-1. Вольт-амперьые харак-

теристики щеток

Кривые 1 на рис. 6-1 соответствуют случаю, когда при малых

сопротивление р

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-

держателях с зазорами более 0,2—0,3 мм, слишком большое расстоя-

ние 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 механиче-

ского характера.

Электромагнитные 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

^ 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

Отсутствие искрения (темная

коммутация)

Слабое точечное искрение под

небольшой частью щетки

Отсутствие почернения на кол-

лекторе и нагара на щетках

•4-

Слабое искреиие под большей

частью щетки

Появление следов почернения

на коллекторе, легко устра-

няемых протиранием поверх-

ности коллектора бензином,

а также следов нагара на

щетках

Искрение под всем краем щет-

ки. Допускается только при

кратковременных толчках на-

грузки и перегрузки

Появление следов почернения

на коллекторе, не устраняе-

мых протиранием коллектора

бензином, а также следов

нагара иа щетках

3 Значительное искрение под

всем краем щетки с наличием

крупных и вылетающих искр.

Допускается только для мо-

ментов прямого (без реостат-

ных 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 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

машины через электрическую дугу на поверхности коллектора.

Гл. в] Коммутация 115

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-

ранство. Поэтому последующая дуга возни-

кает в более благоприятных условиях,

является более мощной и растягивается на

большее расстояние по коллектору, и, на-

конец, дуга может растянуться до щеток

противоположной полярности.

Круговой огонь возникает обычно при Рис.

6-2.

Распространение

больших толчках тока якоря (значитель- кругового огня по кол-

ные перегрузки, короткие замыкания на лектору

зажимах машины или в сети и т. п.).

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 U„ > 1000 в, между щеточными бракетами разных

полярностей ставятся также изоляционные барьеры, препятствую-

щие распространению дуги.

§ 6-3. Процесс коммутации

Период коммутации Т

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

равно времени перемещения

коллектора, вращающегося с окружной скоростью v

, на ширину

щетки Ь

—

bJv

. (6-1)

Обозначим: £)

— диаметр коллектора,

= nDjK

(6-2)

116 Машины постоянного тока [Разд. /

— коллекторное деление и

Р.=ь„Л (6-3)

— коэффициент щеточного перекрытия (обычно (}

= 2,0 -=- 4,0,

а при сложных петлевых обмотках |3

достигает 7,0). Тогда

nDji = Ь

Кп (6-4)

и для простой петлевой обмотки, согласно выражению (6-1),

При сложной, m-ходовой петлевой обмотке (рис. 6-3, б) между

началом и концом секции располагается m — 1 коллекторных

пластин. При этом секция замкнута накоротко в течение времени

перемещения коллектора на ве-

®=/ , гп=2 личину дуги Ь

—(m — 1 )Ь

, и,

б) р^п следовательно,

Подставив сюда Ь

— р

m = alp и значение о

из фор-

мулы (6-4), получим

Рис. 6-3. Определение периода комму-

тации Т> Рк-(а/Р— 0 /с

/к

КИ '

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, р

= 2,5. Тогда по

формуле (6-5) или (6-6)

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, что цшрина щетки равна коллекторному делению (рис. 6-4).

Составим второе уравнение Кирхгофа для коммутируемой сек-

ции (рис. 6-4):

i>c

+ h

(ги

+ г

щ1

) - h (г

+ = £<?, (6-7)

где i — ток в коммутируемой секции, принимаемый положительным

для начального момента коммутации (рис. 6-4, а)\ i

— токи,

протекающие через соединительные проводники («петушки») и кол-

лекторные пластины 1 и 2 к щетке; г

— сопротивление секции;

— сопротивление «петушка»; г

ш1

, г

щ2

— сопротивления щеточ-

ного контакта между пластинами 1 и 2 и щеткой; 2е — сумма э. д. е.,

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-i i = 0; i

-l-i* = 0- (6-8)

Процесс коммутации определяется изменением во времени то-

ков i, i

. 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,

, г с и г

можно считать постоянными и заданными величинами.

Однако г

щ1

и г

щ2

являются весьма сложными и математически

трудно определимыми функциями токов i

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 при-

ближенное решение, которое позволяет выявить основные законо-

мерности процесса коммутации и определить способы ее улучшения.

Подставим i

и i

из уравнений (6-8) в (6-7). Тогда получим

(г

+ 2г

+ г

ц + г

щ2

) - i

(г

ш2

- г

щ1

) = S е,

откуда

I — — Лд1 j

2Г

щ1

щ2

а 1

+2г

щ1

гщ2

Первый член этого выражения представляет собой так называе-

мый основной ток коммутации секции, а второй член — добавочный

ток коммутации. Очевидно, что знаменатели в выражении (6-9)

определяют сопротивление короткозамкнутого контура коммути-

руемой секции. Добавочный ток коммутации поэтому можно рас-

сматривать как ток короткого замыкания секции, определяемый

э. д. с. Ее.

Коммутация сопротивлением, прямолинейная коммутация. Рас-

смотрим сначала случай, когда Ее = 0. При этом в секции суще-

ствует только основной ток коммутации. Изменение тока секции i

определяется только изменением г

щ1

и г

щ2

, вследствие чего этот слу-

чай называется коммутацией сопротивлением.

Сопротивления г

и г

значительно меньше г

ш1

и г

щ2

. Поэтому

можно положить r

» г, » 0, в тогда при Ее = 0

i= ia- (6-10)

Щ2 "Г

Щ1

В классической теории коммутации принимается, что г

щ1

и г

щ2

обратно пропорциональны контактным площадям S

и S

пластйн 1

и 2 со щетками (рис. 6-4). При этом предполагается также, что токи

['х и i

распределяются равномерно по этим площадям.

Пусть начало коммутации соответствует времени t — 0

(рис. 6-4, а), а конец t = Т

(рис. 6-4, в). Тогда

при = Ь

=I^iS; S

= -L- S, (6-11)

к к

где S — полная контактная площадь коллекторной пластины со

щеткой в положении, показанном на рис. 6-4, а не.

Пусть, далее, переходное сопротивление между щеткой и пласти-

ной в предельных положениях в соответствии с рис. 6-4, а не равно

. Тогда при указанных выше предположениях

S 5 /С

о\

щ1

—

щ~ у t^

• ~

~7~' '

Подставим теперь значения г

щ1

и г

щ2

из (6-12) в (6-10). Тогда

найдем, что

(6-13)

Зависимость i от t, согласно выражению (6-13), является ли-

нейной (рис. 6-5, а). Такую коммутацию поэтому называют пря-

молинейной.

Установим распределение плотности тока под щеткой для этого

случая коммутации. Плотности тока под сбегающим и набегающим

краями щетки соответственно равны:

1С т

. • J»_ _ Т

/щ1

S, s " т

-('

/ща_

Sj S ' t •

На рис. 6-5, а для некоторого момента времени t в соответствии

с уравнениями (6-8) показаны также значения токов и i

. При этом

из рис. 6-5, а следует, что

-^rr~tga

; у- ~ tg a

Значит,

/щ1

~ ^ tg a

; ~ tg a

. (6-14)

Очевидно, что при прямолинейной коммутации (рис. 6-5, а)

aj = a

= const. Поэтому в течение всего периода коммутации

также /

1 = /

щ2

= const.

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 &

> Ь

коммутация простой петле-

вой обмотки является прямолинейной, если только Ее = 0 и г

= г

= 0.

Если г

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.

Замедленная и ускоренная коммутация. В общем случае,

при 2е ф 0, на основной ток коммутации накладывается

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

1к.д = И

/''к, (6-15)

где

'"к —

"Ь

п +

ш1

/*щ2

или в соответствии с равенствами (6-12)

f.^e + fr.+ ^f), Гщ- (6-16)

Зависимость сопротивления короткозамкнутого контура сек-

ции г

от времени согласно выражению (6-16) изображена на рис. 6-6.

Если предположить, что 2е по абсолютной

величине постоянна, то характер зависи-

мости /

от t при Ее > 0 и 2е<0 имеет

вид, также изображенный на рис. 6-6.

При Ее >•

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 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 L 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 <;

ток

имеет обратный знак и характер измене-

ния токов соответствует рис. 6-7, б. В этом случае токи i, t'x и г

изменяются быстро в начале коммутации, и такая коммутация

называется ускоренной. Ток i

и плотность тока /

щ2

на на-

[Г

к,Чд

ук

Г^кд №>0)

\ *

А'

\АкдРе<0)

Рис. 6-6. Добавочный ток

коммутации