Причины искрения на коллекторе машины постоянного тока и способы улучшения 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. Если по какой-то причине щетка прилегает к коллектору не всей поверхностью, то возникает чрезмерные местные плотности тока, приводящие к искрению на коллекторе.

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

Механические причины - слабое прижатие щеток к коллектору, биение коллектора, его эллиптичность, шероховатость рабочей поверхности коллектора, и т.п. причины, вызывающие нарушение электрического контакта между щеткой и коллектором. Это приводит к вибрации щеток и, следовательно, к разрыву контакта между щеткой и коллекторными пластинами.

Потенциальные причины – чрезмерное повышение напряжения между смежными пластинами (в процессе эксплуатации промежутки между пластинами забиваются угольной пылью и осколками щеток, которые могут замыкать пластины, образуя «мостики») (не более 16 В для машин без компенсационной обмотки и 20 В для машин с компенсационной обмоткой). В машинах малой мощности мостики сгорают при небольшом токе I, и наблюдается небольшое потенциальное искрение, обусловленное повышенной разностью потенциалов между пластинами коллектора.

При большем токе края смежных пластин оплавляются и возникают кратеры D =2…3 мм и наблюдаются вспышки. Это более опасно, так как оплавленные края коллекторных пластин вызывают быстрый износ щеток или их разрушение. В этом случае искрение наиболее опасно, т.к. оно сопровождается возникновением электрических дуг.

В машинах большой и средней мощности с высоким значением напряжения U между смежными коллекторными пластинами возникает электрическая дуга или множество мелких электрических разрядов.

Коммутационные причины искрения возникают при физических процессах, происходящих в машинах в связи с переходом секции обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую.

Процесс изменения тока в секциях обмотки якоря при переходе из одной параллельной ветви в другую называют коммутацией. Шире под коммутацией понимают все явления и процессы, возникающие под щетками при работе коллекторных электрических машин. Если щетки искрят – плохая коммутация, если нет – хорошая. Качество коммутации (интенсивность искрения) определяет работоспособность машины и надежность ее в эксплуатации.

Даже при идеальном состоянии щеточного контакта при выходе коллекторной пластины из-под щетки происходит разрыв электрической цепи, по которой проходит ток и возникает короткая электрическая дуга, повреждающая сбегающие части щетки и коллекторных пластин. Такое искрение повреждает поверхность коллектора, приводит к вибрации щеток и далее следуют механические причины.

Затраты на ремонт и эксплуатацию коллекторных машин велики и иногда составляют 1/3 стоимости машины в год. Поэтому необходимо проводить мероприятия по уменьшению искрения щеток.

Качество коммутации оценивается степенью искрения (классом коммутации) под сбегающим краем щетки. Степень искрения и характеристики соответствуют ГОСТу 183-74.

При номинальном режиме работы машины искрение не должно превышать степень 1 ½.

Небольшие искры в виде отдельных огневых точек практически безопасны для коллектора, поэтому эксплуатация машины при первых трех степенях коммутации допустима. При дальнейшем усилении искрения под сбегающим краем щеток возникает опасность появления электрических дуг, перекрывающих пространство между щетками противоположной полярности, что может привести к возникновению мощной электрической дуги в виде огневой ленты между щетками или к появлению кругового огня. Круговой огонь – мощная электрическая дуга, которая ведет за собой перекрытие значительной части коллектора, сопровождающаяся звуком и светом (в больших машинах как взрыв бомбы).

Большой ток якоря I_a повреждает поверхность коллектора и выводит машину из строя. В машинах большой мощности круговой огонь развивается из единичной вспышки между соседними коллекторными пластинами из-за замыкания изоляции между пластинами, вызванного угольной пылью, осколками щеток или медными заусенцами.

Способы улучшения коммутации.

Основной причиной неудовлетворительной коммутации является возникновение в коммутирующих секциях добавочного тока коммутации i_д = (е_р+е_вр) / r_щ ,

где е_р – реактивная ЭДС, индуцированная в коммутирующих секциях за счет взаимной индуктивности секций и явления самоиндукции секций; е_вр – ЭДС вращения, наводимая в коммутирующих секциях магнитной индукцией в зоне коммутации В_к, создаваемой за счет реакции якоря; r_щ – электрическое сопротивление щетки добавочному току коммутации.

Следовательно, для улучшения коммутации необходимо уменьшать величину добавочного тока коммутации. Этого можно добиться несколькими способами.

1. Выбор щеток.

С точки зрения обеспечения удовлетворительной коммутации целесообразно применение щеток с большим падением напряжения в переходном контакте и собственно щетке, т.е. щетки с большим сопротивлением r_щ, что привело бы к уменьшению тока i_д. Однако применение таких щеток ведет к увеличению площади щеточного контакта, следовательно, к увеличению длины коллектора.

Используют щетки на основании опыта эксплуатации ЭМ, электрографитированные щетки. Для увеличения переходного сопротивления, а значит для улучшения коммутации выполняется политура коллектора – тонкая оксидированная пленка на поверхности коллектора, обладающая повышенным электрическим сопротивлением.