книги из ГПНТБ / Аврух, В. Ю. Устройство и эксплуатация щеточных узлов современных турбогенераторов и турбовозбудителей

ток и щеточно-коллекторного аппарата осуществляется двухкамерным центробежным вентилятором, воздух от

которого через улитки отводится в камеры фундамент­ ной плиты, где проходит фильтры очистки и трубчатый

воздухоохладитель. При двухкамерном вентиляторе очи-

Рис. 2-1. Продольный разрез возбудителя турбогенератора типа ВТ.

1 — магнитная система; 2 — якорь; 3 — коллектор; 4 — вентилятор; 5 — диффу­ зор; 6 — газоохладитель; 7 — траверса с бракетами щеткодержателей; 8 — кол­ лекторные нажимные кольца; 9 — подшипник.

щенный и охлажденный воздух разделяется на два пото­ ка, один из которых проходит аксиальные и радиальные каналы сердечника якоря, воздушный зазор и межпо­ люсное пространство, охлаждает тем самым сердечники

якоря и полюсов и их обмотки, другой поток омывает коллектор и щеточный аппарат (рис. 2-1).

Разделение потоков облегчает работу щеточно-коллек­

торного узла, особенно в режимах перегрузки, в которых возможна диструкция изоляции, и одновременно способ­ ствует длительному сохранению изолирующих СВОЙСТВ II механической прочности изоляции. По нагревостойкости изоляция турбовозбудителей относится к классу В. Наи­

большая температура перегрева коллектора не превыша­ ет 80 °С.

21

Коллектор быстроходных машин представляет собой конструкцию втулочного типа клинообразного сечения. Пластины, механические свойства которых приведены в табл. 2-2, собраны на втулке и удерживаются по на­ ружному радиусу тремя бандажными кольцами, а в осе­

На поверхности коллектора около бандажных колец выполнены канавки для выхода фрезы при продорожива-

нии коллектора. Ширина канавок от 5 до 10 мм. Соеди­ нение пластин с проводниками якоря осуществляется

ленточными петушками.

Для коллекторов возбудителей допустимая величина эксцентрицитета составляет 0,035 мм, допустимая вели­ чина выступания отдельной пластины — 0,006 мм, пре­ дельный износ коллектора— 16 мм при диаметре от 100

до 250 мм и 20 мм при диаметре свыше 250 мм. Предель­ ное значение амплитуды вибрации 50 мкм.

Над коллектором установлена траверса, способная перемещатся в тангенциальном направлении для уста­ новки нейтрали в обе стороны. К траверсе прикрепля­ ются щеточные бракеты в виде стальных полос, изолиро­ ванные от траверсы и шунтируемые медными шинами.

Щеткодержатели изолируются от бракетов, а концы токоведущих проводов щеток присоединяются к медным

шинам бракетов. Ток якоря от двух кольцевых шин ми­ нусовых и полюсовых бракетов отводится к контактным кольцам по гибким проводам. Для мощных возбудителей желательно применять щеткодержатели реактивного ти­ па, у которых продольная ось щетки составляет острый угол с вектором окружной скорости коллектора в точке касания. Удельное давление на щетки должно быть

22

i'

Рис. 2-2. Щеткодержатель радиальный типа ДГ. Основные размеры.

1 — обойма; 2 — нажимной механизм.

щеткодержателя приведена на рис. 2-2.

На коллекторах возбудителей в основном устанавли­ ваются электрощетки марок ЭГ-4, ЭГ-14, ЭГ-74. Харак­ теристики щеток приведены в гл. 4 и в табл. 3-1 и 3-2.

Глава третья

Электрофизические и механические процессы в скользящем контакте коллекторов

Критериями оценки работы щеточно-контактного ап­ парата системы возбуждения турбоагрегатов служат об­ щепринятые показатели статистической, вероятностной теории надежности, такие, как вероятность безотказной

работы, среднее время безотказной работы, частота от­ казов и интенсивность отказов.

Установление непосредственной зависимости показа­ телей надежности от свойств и параметров материалов

23

и элементов щеточно-контактного аппарата, от физико­ механических и электрических процессов, происходящих в скользящем контакте и изменяющих эти свойства и па­ раметры, а также от интенсивности эксплуатационных

воздействий с учетом физических моделей отказов поз­ воляет определить сущность показателей надежности й достигнуть эффективного решения задачи обеспечения надежности щеточно-контактного аппарата.

- Процессы, происходящие в коллекторах электриче­

ских машин, связанные с изменением тока в отдель­

ных секциях якорной обмотки при переключении их из одних параллельных ветвей в другие параллельные вет­ ви, называются коммутацией электрических машин.

Коммутация — чрезвычайно сложное явление, поэто­ му математическому описанию этого процесса, которое служит методом для расчета коммутационных парамет­ ров (щеточного перекрытия, намагничивающей силы до­ полнительного полюса и компенсационной обмотки, ширины зоны коммутации и т. д.), уделяется большое внимание.

Внастоящее время существует несколько теорий ком­

мутации,- учитывающей в уравненйях коммутационных процессов определенные свойства контакта.

Вобразовании электрической проводимости, как установлено работами ряда авторов, участвует несколь­ ко процессов:

1)проводимость через точки непосредственного кон­

такта;

2)проводимость через продукты износа щетки и КОЛ’

лектора;

3)процессы полупроводимости через изолирующие пленки;

4)автоэлектронная и термоэлектронная эмиссия че­

рез газовые пленки;

t 5) электрические разряды и дуги, возникающие при

тепловой и искровой ионизации; 6) перемещение материалов контакта через пленку на

коллекторе.

Столь сложные процессы, обеспечивающие проводи­ мость тока в скользящем контакте, не позволяет при уп­ рощенном представлении и описании электрических свойств щеток обеспечить требуемую коммутацию, осо­ бенно в условиях, когда работа скользящего контакта усложнилась благодаря повышению окружных скоростей

24

Рис. 3-1. Процесе изменения тока в коммутирующей секции обмот­ ки якоря.

ʃɪn, ðn, /р — высота, ширина и длина паза; /Лб — длина лобовых частей обмотки якоря; 2α—число параллельных ветвей обмотки.

Более точно с учетом влияния материала бандажа

лобовых частей, конструктивных особенностей обмотки

используется формула Цорна:

суммы коэффициентов магнитных проводимостей соот­ ветственно лаза, зубцов и лобовых частей.

Подставляя полученное значение реактивных э. д. с., определяют величину воздушного зазора, сравнивая его с предварительно принятым по опытно установленным зависимостям; путем последовательного приближения добиваются минимального расхождения между приня­ тым и расчетно установленным зазором.

Дальнейший расчет связан с определением коммути­ рующей э. д. с. ßk с тем, чтобы наведенная потоком доба­ вочного полюса в короткозамкнутых секциях ее величи­ на в каждый момент имела направление, противополож­ ное реактивной э. д. с., и была бы равна ей по величине.

Для этого устанавливается форма наконечника полюса,

26

проверяется насыщение магнитной цепи добавочных по­ люсов и т. д.

Таким образом видно, что математические вычисле­ ния значений реактивной э. д. с. и коммутирующей э. д .с.

сводятся в конечном счете к определению закона скоро­

сти изменения тока в коммутирующих секциях при уменьшении потока в индуктивном витке.

Практически расчет формы дополнительных полюсов, воздушного зазора под добавочными полюсами не обес­ печивает компенсацию само- и взаимоиндуктивных токов коммутируемой сетки, что приводит не к линейной ком­

мутации, а к криволинейной замедленной или уско-

рённой.

В этих случаях под‘взаимодействием разности er±eκ создается добавочный коммутационный ток, приводящий к различной плотности тока под набегающей и сбегаю­ щей частью щетки ® зависимости от характера коммута­

ции. Последнее обстоятельство приводит к тому, что под щеткой появляется искрение, вызванное большим запасом электромагнитной энергии в короткозамкнутых секциях

при их разрыве щетками.

Таким образом, основное допущение, принимаемое по классической теории коммутации гщ= const, приводит к тому, что после изготовления машины обычно произ­ водится настройка ее коммутации на заводских стендах в основном при помощи изменения зазора добавочных полюсов, изменения сопротивления магнитопровода, оп­ ределения оптимального щеточного перекрытия путем раздвижки щеток. Однако этими методами полностью

скомпенсировать er в большинстве случаев не удается, и поэтому большая роль в коммутации принадлежит свой­ ствам щеточного контакта. В связи с этим точное отра­ жение свойств щеточного контакта в уравнении комму­

тации имеет первостепенное значение.

При этом важно достаточно точно математически описать электрические свойства электрощеточного кон­ такта, т. е. зависимость типа

∆i∕=f(∕),

где ΔU— переходное падение напряжения в щеточном контакте; / — плотность тока в щетках.

C этой целью используют динамические или стати­ ческие вольт-амперные характеристики, снятые на модель­

ных стендах или на реальных электрических машинах.

27

Однако сложность введения вольт-амперных хараю теристик в уравнение коммутации путем аппроксимации с учетом наиболее важных факторов, таких, как темпе­

ратура, частота вращения, давление на щетку, количе­

ство установленных щеток на траверсе, атмосферные ус­ ловия, не позволяет учесть возможную нестабильность

контактного падения напряжения, связанного с поляр­ ными свойствами щеток, процессами трения и изнашива­

ния и т. д. По этой же причине практически трудно

учесть и возможные колебания длительности периода

Таблица ɜ-ɪ

Основные технические данные щеток типов ЭГ-4, ЭГ-14, ЭГ-74

коммутации, которая может изменяться от расчетного более чем на 10%. Поэтому настройка коммутации тур-

бовозбудителей за счет свойств щеточного контакта

является хотя и сложной, однако в большинстве случаев

выполнимой задачей.

Прежде чем перейти к другим факторам, осложняю­ щим коммутацию (механическая нестабильность контак­

та, неэффективная система вентиляции и теплоотвода, неудовлетворительное конструктивное исполнение узла

и т. п.), представляется целесообразным ознакомиться со свойствами отечественных марок щеток при работе на коллекторах из меди Ml и результатами таких экспери­

ментов, выполненных для определения влияния коллек­ торной пленки на характер коммутации.

Значительное воздействие коллекторной пленки (по­ литуры) на работу скользящего контакта является в на­ стоящее время общепризнанным. Для испытаний были выбраны щетки электрографитовой группы марок ЭГ-4, ЭГ-14 и ЭГ-74, которые применяются на турбовозбудите­ лях. Основные технические характеристики испытанных электрощеток приведены в табл. 3-1.

Испытания щеток перечисленных марок проводились на работающей в длительном номинальном режиме

28

электрической машине постоянного тока со следующими параметрами:

Эксперименты проводились в следующей последова­

тельности. Сначала на коллектор устанавливались щетки

Рис. 3-2. Зоны безыскровой работы электрических машин при исполь­

зовании щеток различных марок.

до получения 100% зеркала, и затем в течение 25 ч ра­ ботала в номинальном режиме для наведения коллек­ торной пленки. Через 25 ч снимались зоны безыскровой

лась образовавшаяся политура. Эта операция занимала 5—7 мин, и коллектор практически не успевал остыть. Щетки снова устанавливались в гнезда щеткодержате­ лей, и снимались зоны безыскровой работы на коллекто­ ре, лишенном политуры. Аналогичная операция повторя­ лась для щеток каждой марки.

Зоны безыскровой работы машины со щетками марок ЭГ-4, ЭГ-14 и ЭГ-74 при наличии политуры на коллекто­ ре и без нее приведены на рис. 3-2. Количественная

29

оценка полученных при испытаниях зон безыскровой ра­ боты результатов произведена по методике, изложенной в [Л. 3].

Согласно этой методике зону безыскровой работы

можно оценить при помощи «индекса коммутации» Λζ для определения которого необходимо вычислить эквато-

5 IO 15 20 25 А

риальные моменты инерции площадей зон для электро­

щеток различных марок. Тогда отношение моментов

инерции площадей зон безыскровой работы к моменту инерции площади зоны произвольно выбранной базовой марки щеток и даст количественное значение индекса коммутации. Результаты количественной оценки зон да­ ны в табл. 3-2.

Таблица 3-2

Значения индексі коммутации для щеток типов ЭГ-4, ЭГ-14, ЭГ-74

Индекс коммутации N

Марка

При расчетах за базовую марку электрощеток была принята марка ЭГ-4. Анализ данных табл. 3-2 показыва­

ет, что коммутирующая способность щеток при их работе

30