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

на коллекторе, имеющем политуру, значительно возра­ стает по мере перехода от графитовых композиций к са­ жевым композициям. Этот вывод находится в полном соответствии с данными [Л. 3].

Совершенно иная картина предстает при рассмотре­

нии той части табл. 3-2, где показаны индексы коммута­ ции при работе щеток на коллекторе, лишенном политу­

ры. Здесь не удается наблюдать столь резкого возраста­ ния индекса коммутации по мере перехода от одной технологической композиции щеток к другой, хотя тенден­ ция к некоторому увеличению сохраняется. Можно счи­ тать, что значение индекса коммутации при работе щеток на коллекторе, лишенном политуры, практически не из­ меняется. Изложенные обстоятельства дают основание полагать, что коллекторная пленка оказывает существен­ ное влияние на коммутирующую способность электроще­ ток. Причем коммутирующая способность электрощеток в значительной мере проявляется через свойства и со­

став политуры, которую они формируют на коллекторе.

Приведенные на рис. 3-2 зоны дают, помимо количе­ ственной оценки, возможность судить о качественном влиянии коллекторной пленки на коммутацию, т. е. опре­ делить, замедляет пленка коммутацию или ускоряет ее.

Необходимо отметить, что этот вопрос уже рассматри­ вался в [Л. 4], правда, в несколько ином плане. При раз­ работке Оптимальной теории коммутации Μ. Ф. Кара­ севым коллекторная пленка рассматривалась с точки зрения ее воздействия на форму, кривой тока коммути­

руемых секций. Для проверки этого положения электри­ ческая машина типа ПН-145 была нагружена током 30 А,

ипри наличии наведенной пленки на коллекторе снята кривая 1 тока коммутации последней секции обмотки яко­ ря (рис. 3-3) . Как видно из рис. 3-3, коммутация машины была несколько ускоренной. Затем политура удалялась,

ивновь было произведено осциллографирование тока

коммутируемой секции (кривая 2). Из сопоставления

кривых 1 и 2 видно, что удаление коллекторной пленки резко -увеличило ускорение коммутации. Дальнейший опыт показал, что для восстановления коммутации в том виде, в каком она наблюдалась при наличии пленки, не­

обходимо произвести отпитку дополнительных полюсов,

т. е. уменьшить коммутирующую э. д. с.

Для анализа качества коммутации с колекторной пленкой и без нее воспользуемся средними линия-

31

ми зоны безыскровой работы, которые соответствуют оптимальным условиям коммутации. Средние линии зо­ ны безыскровой работы приведены на рис. 3-4. Рассмат­ ривая приведенные кривые, можно отметить, что харак­

тер коммутации для щеток различных марок при нали­ чии политуры и без нее резко отличается. Прежде всего обращает на себя внимание тот факт, что без политуры дополнительные полюсы оказались слишком сильными и коммутация ускоренной. Степень ускорения является не­ одинаковой и возрастает по мере перехода от графито­ вых к сажевым электрощеткам.

При появлении на коллекторе политуры наблюдается

замедление коммутации. Этот эффект отмечен также для щеток всех испытанных марок. Однако в степени за­ медления коммутации не удается проследить той же за­ кономерности, которая была выявлена при испытаниях щеток на. коллекторе без политуры. Подобный характер изменения средних линий безыскровых зон при работе щеток на коллекторе при наличии политуры и без нее

не может быть объяснен ни с позиций классической тео­ рии коммутации, при которой принято Гщ=const, ни C по­ зиций теории коммутации О. Г. Вегнера, при которой при­

нято А const. Действительно, как© той, так и в другой теориях в формулах для определения коммутирующей э. д. с. характеристика щетки не находит никакого отра­ жения, а щетке отводится роль пассивного элемента, не оказывающего заметного влияния на характер коммута­ ции. Между тем из опыта эксплуатации электрических машин хорошо известно, что при применении щеток

срезко отличающимися контактными характеристиками часто приходится подстраивать дополнительные полюсы

стем, чтобы усилить или уменьшить коммутирующее по­ ле, а это как раз и свидетельствует о влиянии контакт­ ных характеристик щетки на величину ек. Приведенные на рис. 3-4 кривые подтверждают существенное влияние контактных характеристик на коммутацию.

Рассмотрим эти кривые с точки зрения оптимальной коммутации. В соответствии с этой теорией набегающий кра.й щетки работает по характеристике А£7Щ = const, а сбегающий — по характеристике гщ=const, причем обе эти характеристики в отличие от уже рассмотренных теорий коммутации играют весьма активную роль. Сог­ ласно [Л. 4] сопротивление сбегающего края щетки r2 воздействует ускоряюще на коммутацию, т. е. это. соц-

32

ротивлеііие в какой-то мере выполняет ту же роль, ЧТО II

коммутирующее поле. Что же касается падения напря­ жения набегающей части щетки, то ее роль в коммута­ ционном процессе диаметрально противоположна, т. е. чем больше ∆(7ι, тем больше э. д. с. βκ потребуется для

обеспечения режима оптимальной коммутации.

Рассмотрим приведенные на рис. 3-5 вольт-амперные

характеристики электрощеток испытанных марок, кото­ рые были сняты на короткозамкнутом коллекторе при наличии политуры и без нее.

Вольт-амперные характери­ стики щеток без политу­

ры имеют практически линей-

туры.

ный характер, а величина переходного падения напряже­ ния определяется в основном удельным сопротивлением электрощеточного полуфабриката. Поскольку величина переходного падения напряжения для электрощеток всех марок без политуры практически одинакова, то степень ускорения коммутации определяется сопротивлением сбе­ гающего края щетки. Чем больше это сопротивление, тем более ускоренной является коммутация. При обра­ зовании политуры увеличивается переходное сопротив­ ление в контакте и возрастает крутизна вольт-амперных

характеристик. C точки зрения оптимальной теории ком мутации вольт-амперная характеристика может способ-

ствовать как ускорению, так и замедлению коммутации. Здесь все зависит от того, в какой мере повышается пе­

реходное напряжение AU для набегающего края щетки,

которое действует встречно по отношению к коммутиру­ ющей э. д. с., и в какой мере повышается наклон вольт-

амперной характеристики при малых плотностях, при ко­ торых работает сбегающий край. Повышение наклона равносильно увеличению r2, т. е. усилению коммутирую­ щей э. д. с.

В нашем случае, как уже отмечалось, коммутация за­ медляется для электрических щеток всех марок, однако

при сопоставлении кривых, приведенных на рис. 3-4 и 3-5, очевидно, что степень замедления коммутации нахо­ дится в прямой зависимости от вида водьт-амперных

характеристик при наличии коллекторной пленки? Дейст­ вительно, переходное падение напряжения, например, для щеток марок ЭГ-4 и ЭГ-74 при высоких плотностях тока

практически одинаково, но крутизна вольт-амперной ха­ рактеристики для щеток марки ЭГ-74 значительно боль­ ше, чем для щеток марки ЭГ-4. Поскольку увеличение крутизны вольт-амперной характеристики равносильно

усилению коммутирующей э. д. с., то степень замедления коммутации для щеток марки ЭГ-4, имеющих более по­

логую вольт-амперную характеристику, оказалась боль­ шей, чем для щеток марки ЭГ-74.

Проведенные эксперименты показывают, что при об­ разовании политуры происходит существенное смещение физической нейтрали машины, связанное с изменением вида вольт-амперных характеристик щеток. В свою оче­ редь на вид вольт-амперных характеристик значительное влияние оказывает коллекторная пленка. Подтверждени­

ем последнего положения служит следующий экспери­ мент. На короткозамкнутом коллекторе была снята вольт-

амперная характеристика щеток марки ЭГ-4 (кривая 3 на рис. 3-6). Затем политура была сошлифована и установ­

лены щетки марки ЭГ-14. Через 25 ч работы определя­

лась их вольт-амперная характеристика (кривая/). Пос­ ле этого на коллектор, имевший политуру, сформирован­ ную щетками марки ЭГ-14, установлены щетки марки ЭГ-4 и сразу же определена их вольт-амперная характе­ ристика. Сопоставление кривых 1 и 2на рис. 3-5 показыва­ ет, что щетки марки ЭГ-4 имеют, работая по политуре щеток ЭГ-14, вольт-амперную характеристику, практи­ чески не отличающуюся от характеристики щеток ЭГ-14,

34

Экспериментальная проверка показала, что температура скользя­ щего контакта зависит от вида выделяющихся потерь. Причем если будет преобладать составляющая, обусловленная механическими по­

терями, то температура нагрева щеток будет неравномерной вслед­

ствие разной величины коэффициента трения. Это приведет к нерав­ номерной токовой нагрузке щеток на бракетах и будет способствовать болыіШхМ перегрузкам отдельных щеток и их искрению. Преоблада­ ние электрических потерь в контакте достигается при определенных

плотностях тока и значительно уменьшает потери трения. Температу­

ра контакта в этом случае определяется электрическими потерями,

что приводит к выравниванию нагрева щеток и более равномерной нагрузке. В то же время под щетками создается больше контактных

точек проводимости, что улучшает токораспределение по отдельным

щеткам. , - • При линейных вольт-амперных характеристиках изменение пере­

ходного падения напряжения, постоянно наблюдаемое в процессе

работы контакта, приводит к тому, что плотность тока под щетками

изменяется незначительно и, что самое главное для коммутации, изменение тока коммутации происходит по линейному закону. Одна­ ко такой режим работы щеточного контакта^возможен не на всех марках щеток. Щетки, не обладающие полирующими свойствами, на­

водят толстый слой пленки и обеспечить линейность вольт-амперных характеристик не могут.

В практике наблюдаются случаи заволакивания (смещения) меди с поверхности ламелей в межламельное пространство. Работа скользящего контакта в случае заволйкивания меди в коллекторах с ламелями, выполненными с фасками и без фасок, может быть про­

иллюстрирована следующим экспериментом. Эксперимент проводился на ранее описанной машине мощностью 9 кВт с коллекторными ла­ мелями без фасок, с фасками, равными 1 мм по катету с двух сто­ рон, и с фаской по катету 0,5 мм с одной стороны, а с другой стороны без фаски.

После 20 ч испытаний якорь устанавливался в центрах микроско­

па типа УИМ-21, и при девятикратном увеличении поверхности кол­ лектора наблюдался полученный эффект. Для изучения влияния

режима работы машины на прочностные характеристики коллектор­ ной меди измерялась твердость коллекторных пластин на одном из

36

следов до и после 20 ч испытаний. Измерение твердости ііа коллек­ торе производилось по Бринеллю. Оценка коммутации электрической машины производилась с помощью индикатора искрения ИИ-5, ра­

ботающего на принципе измерения высокочастотных составляющих

на якорных зажимах.

Уровень искрения, определенный с помощью индикатора ИИ-5 в условных единицах (табл. 3-3), позволил предположить о некото­ ром расхождении в положении физической нейтрали при работе

Зависимость между токораспределением в сбегающем 'и набе­ гающем краях щетки по разности напряжений в них от тока нагруз­

ки по методу Карасева — Черномашенцева [Л. 4] показывает, что при работе с маркой ЭГ-74 при этой же настройке геометрической

нейтрали нарушается характер коммутации. В данном случае для сохранения оптимальной коммутации при работе щеток марки ЭГ-74 необходим небольшой ток оптики при /я = 30 А. Способность щеток

марки ЭГ-74 обеспечивать меньшее отступление от оптимальной ком­

мутации по сравнению с маркой ЭГ-4 объясняется тем, что щетки марки ЭГ-7£ имеют вольт-амперную характеристику, приближающую­ ся к условию Гщ = const.

Результаты испытаний коллектора с ламелями без фасок и с фас­ ками различного размера в номинальном режиме работы электриче­ ской машины со щетками марки ЭГ-14 приведены в табл. 3-4. x

Таблица 3-4

Работа коллектора с различной конструкцией ламели

Конструкция ламелей коллектора Результат испытаний

37

Как видно из табл. 3-4, конструкция ламели оказала существен­ ное влияние на результаты испытаний. Следы электроэрозии, грани­ чащие с небольшими фасками, позволяют предположить, что при пе­ реходе от испытания коллектора с ламелями без фасок к ламелям с фасками время коммутации было уменьшено, и заволакивание меди может быть уменьшено также путем соответствующей раздвижки щеток. Необходимо отметить, что никаких отклонений в процессе коммутации на коллекторе с ламелями с фасками и без фасок инди­

каторами ИИ-5 не было обнаружено (показания стрелочного прибора

во всех режимах были одинаковы).

Проведенное измерение твердости коллекторной меди па собран­

ном коллекторе показало, что ее нижний допустимый предел твердо­

сти составляет 75 НБ.

После испытаний машины в длительном режиме без фасок на

коллекторе на большей части пластин твердость повысилась. В связи с тем, что измерение твердости на собранном коллекторе не исклю­ чает некоторых погрешностей, результаты измерений усреднялись, в результате чего твердость ламелей составила 78 единиц.

Таким образом, при работе в данном режиме имел место наклеп

меди. Этот факт показывает, что явление заволакивания в данном

случае не связано с нагревом коллектора до температур, близких к температуре рекристаллизации. Пластическая деформация меди наступила из-за низкой твердости и соответственно низкой тепло­ устойчивости коллекторной меди.

Глава четвертая

Электрофизические и механические процессы в скользящем контакте контактных колец

Сравнивая работу щеточных аппаратов турбогенера­

торов и турбовозбудителей, необходимо отметить, что

хотя в первом случае отсутствуют условия, связанные с задачами обеспечения безыскровой коммутации, одна­ ко проблема обеспечения надежности работы щеточно­ контактного аппарата столь же сложна. Причем наладка и обеспечение длительной работы щеточно-контактного аппарата аналогичны наладке и обеспечению длитель­ ной работы щеточно-коллекторного узла (конечно, за исключением коммутации).

В то же время при работе щеток на контактных коль­ цах сложнее выполнимы задачи обеспечения стабильно­ го контакта. Так, если в качестве материала для коллек­ торов используется медь или сплавы на основе меди, то для контактных колец можно использовать только сталь,

обладающую худшими контактными свойствами по срав­ нению с медью и сплавами на основе меди.

Окружная скорость контактных колец на рабочей по­ верхности из-за больших диаметров колец составляет

38

у современных турбогенераторов 70—90 м/с, в то время как окружная скорость коллекторов турбовозбудителей не превышает 50 м/с. К тому же, если учесть большую подверженность динамическим возмущениям узла кон­ тактных колец, становится ясным, что обеспечение меха­ нической стабильности контакта на кольцах достаточно сложная задача. Специфика работы щеток на контакт­ ных кольцах заключается также в том, что токосъем осу­

ществляется раздельно для каждой полярности, отсюда вытекают и различия в рабочих характеристиках (износ, трение, токораспределение, потери мощности и теплоот­

вод и т. д.) и необходимость особых мероприятий в обес­ печении надежности работы контакта каждой полярно­ сти.

Для щеточно-контактного аппарата генератора еще

одной характерной задачей, более сложной по сравне­ нию с коллекторными машинами, является обеспечение равномерного распределения тока в большом количестве параллельно включенных щеток. У современных мощных турбогенераторов количество щеток на полярность до­ стигает 120, в то время как на щеточном бракете одной полярности турбовозбудителя количество щеток не пре­ вышает 10.

Исходя из изложенного, представляется целесообраз­ ным рассмотреть задачи, которые необходимо решить для обеспечения падежной работы щеточно-контактного аппарата турбогенераторов в части:

а) определения оптимальных свойств электрощеточ- ■ных материалов в конструкции узла;

б) обеспечения условий постоянства контакта щет­ ка — кольцо;

в) установления характеристик скользящего контак­

та, ограничивающих полярный эффект.

Для выяснения физической сущности процессов, при­ водящих к отказам, проведем классификацию процессов, происходящих в щеточно-контактном аппарате. В соот­ ветствии с [Л. 5] эти процессы можно классифици­

ровать по:

1)типу применяемых материалов, образующих кон­

тактную пару;

2)месту проектирования процессов, влияющих на ра­

ботоспособность узла;

3)виду энергии, определяющей характер процесса;

4)типу эксплуатационного воздействия;

39

5)характеру влияния на материалы контактной пары

рабочих условий и окружающей среды;

6)характеру изменения эксплуатационных'воздейст­ вий во времени;

7)виду изменений, происходящих в контактной паре

иконтакте, под влиянием воздействующих факторов.

Количественную оценку этих совместных процессов,

происходящих в контакте, можно провести C помощью методов математической статистики.

При обработке экспериментальных данных этих ис­ следований использовалась методика [Л. 9], согласно которой износоустойчивость материалов контактной па­ ры, токораспределение характеризуют такие статисти-' ческие показатели, как среднее значение ХСр, квадратич­

ное отклонение Sx коэффициент вариации Λ ∙, опреде­ ляемые как

Sx =

/<х== ⅛ .1ОО»/о>

^ cP

где по — число наблюдений; Xi— текущее значение па­ раметра.

Статистические показатели износоустойчивости элек­ трощеток марок ЭГ-4, 61 ЮМ, ЭГ-2АФ при работе на контактных кольцах с амплитудой вибрации 2Á в преде­ лах норм, установленных заводами, приведены в табл. 4-1.

Как видно из табл. 4-1, характерным является увели­ чение абсолютных величин значений скорости изнаши­ вания и разброса в величинах износа отдельных щеток с увеличением мощности турбогенераторов, коэффициент вариации колеблется в довольно значительных пределах.

Полярный износ щеток на контактных кольцах турбоге­

нераторов мощностью 200 тыс. кВт начинает сказывать­ ся в большей степени, чем на турбогенераторах 100 и 150 тыс. кВт, и для турбогенераторов мощностью 300 тыс. кВт разница в значениях средней скорости изна­ шивания увеличивается в 2 раза.

40