4.9. Причины искрения щеток

Работа машины постоянного тока часто сопровождается искрением щеток (в основном на сбегающем крае). Искрение щеток – опасное явление и может нарушить работу машины. Однако требование абсолютно безыскровой («темной коммутации») является чрезмерным, т.к. слабое искрение под небольшой частью щеток неопасно для машины.

Степень искрения	Характеристика степени искрения	Состояние коллектора и щеток
1	Отсутствие искрения («темная коммутация»)	Нормальное
1,25	Слабое точечное искрение под небольшой частью полюса	Отсутствие почернения на коллекторе и нагара на щетках
1,5	Слабое искрение под небольшой частью щетки	Появление следов почернения на коллекторе, устраняемых протиранием поверхности коллектора бензином, а также следов нагара на щетках
2	Искрение под всем краем щетки. Допускается при кратковременных толчках нагрузки и перегрузках	Появление следов почернения на коллекторных не устраняемых протиранием бензином, а также следов нагара на щетках
3	Значительное искрение под всем краем щетки с наличием крупных вылетающих искр. Допускается только для моментов прямого безреостатного включения или реверсирования машин, если при этом коллектор и щетки остаются в состоянии, пригодном для работы.	Значительное почернение на коллекторе, не устраняемое протиранием поверхности коллектора бензином, а также подгар и разрушение щеток.

Причины искрения:

Механические причины искрения – слабое давление щеток на коллектор, биение коллектора, его эллиптичность или негладкая поверхность, загрязнение поверхности коллектора, выступание миканитовой изоляции над медными пластинами, неплотное закрепление траверсы, пальцев или щеткодержателей, а также другие причины, вызывающие нарушение электрического контакта между щеткой и коллектором.

Потенциальные причины искрения появляются при возникновении напряжения между смежными коллекторными пластинами, превышающего допустимое значение. В этом случае искрение наиболее опасно, так как оно обычно сопровождается появлением на коллекторе электрических дуг.

Коммутационные причины искрения создаются физическими процессами, происходящими в машине при переходе секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую.

Иногда искрение вызывается целым комплексом причин. Выяснение причин искрения следует начинать с механических, так как их обнаруживают осмотром коллектора и щеточного устройства. Труднее обнаружить и устранить коммутационные причины искрения.

4.10. Способы улучшения коммутации

Основная причина неудовлетворительной коммутации в машинах постоянного тока – добавочный ток коммутации :

, где– сумма электрических сопротивлений добавочному току коммутации. Наибольшее значение имеет сопротивление щетки и переходного контакта:

.

Отсюда следуют способы улучшения коммутации.

Выбор щеток. Для обеспечения удовлетворительной коммутации целесообразнее применять щетки с большим переходным падением напряжения в переходном контакте и собственно щетке. Однако допустимая плотность тока в щеточном контакте невелика, что требует увеличения площади щеточного контакта и длины коллектора. Поэтому щетки с большим сопротивлением применяют в основном в машинах с относительно высоким напряжением и небольшим рабочим током.

Щетки для электрических машин разделяют на четыре группы.

Группа щеток, обозначение	Переходное падение напряжения на пару щеток при номинальном токе, В	Номинальная плотность тока, А/мм2	Область применения
Графитовые Г	1,9 – 2,0	0,11 – 0,12	Для машин с облегченными условиями коммутации
Электрографитовые ЭГ	2,0 – 2,7	0,10 – 0,15	Для машин со средними и затруднительными условиями коммутации и для контактных колец
Угольно-графитовые УГ, Т	2,0	0,06 – 0,07	Для машин со средними условиями коммутации
Медно-графитовые М, МГ	0,2 – 1,5	0,15 – 0,20	Для низковольтных (до 48 В) машин и контактных колец

Наибольшее применение в машинах постоянного тока напряжением 110 – 440 В имеют электрографитированные щетки.

Увеличению переходного сопротивления щеточного контакта, а следовательно улучшению коммутации, способствует политура коллектора – тонкая оксидная пленка на поверхности коллектора, обладающая повышенным электрическим сопротивлением.

Уменьшение реактивной ЭДС. Существенное влияние на суммарную ЭДС в коммутирующей секции оказывает реактивная ЭДС

.

ЭДС внешнего поля (взаимоиндукции) зависит от ширины щетки: чем шире щетка, тем большее число коллекторных пластин она перекрывает, тем больше секций одновременно коммутируется, что вызывает повышение ЭДС. Однако слишком узкие щетки также нежелательны. Наиболее целесообразны щетки шириной в 2 – 3 коллекторных деления.

Реактивная ЭДС может быть ослаблена уменьшением индуктивности секций. Для этого не применяют в обмотке якоря секции с большим числом витков и полузакрытые пазы, что влияет на размеры машины. При проектировании машин постоянного тока выбор ее параметров связывают со стремлением получить компактную и экономичную машину.

Добавочные полюсы. Они предназначены для создания в зоне коммутации магнитного поля такой величины и направления, чтобы наводимая этим полем в коммутирующей секции ЭДС вращения компенсировала реактивную ЭДС. Это основной способ улучшения коммутации. Без принятия мер по улучшению коммутации ЭДСинаправлены в одну сторону, т.е. действуют согласно. Посредствам добавочных полюсов можно создать в зоне коммутации магнитное поле такой величины и направления, что ЭДС вращенияизменила свое направление на обратное и. В этом случае коммутация становится прямолинейной (идеальной). Добавочные полюсы располагают между главными. При этом щетки устанавливают на геометрической нейтрали.

Все машины постоянного тока мощностью свыше 1 кВт снабжаются добавочными полюсами, число которых принимают равным числу главных полюсов или вдвое меньшим. Наличие добавочных полюсов позволяют увеличить линейную нагрузку машины и при заданной мощности получить машину меньшего веса и габаритов.

Обмотку добавочных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря. В этом случае МДС добавочных полюсов при различных нагрузках машины изменяется пропорционально току якоря, т.е. пропорционально МДС якоря. Полярность добавочного полюса в генераторе должна быть такой же, как и у следующего по направлению вращения главного полюса, а в двигателе – как у предшествующего полюса.

Получение коммутирующего поля смещением щеток. В машинах постоянного тока мощностью до 1 кВт, выполняемых без добавочных полюсов, коммутирующее поле в зоне коммутации создается смещением щеток с геометрической нейтрали. Если щетки установлены на геометрической нейтрали, то поперечное магнитное поле якоря с магнитной индукцией создает в зоне коммутации индукцию. В результате в коммутирующих секциях наводится ЭДС вращения, направленная согласованно с реактивной ЭДСи способствующая замедленной коммутации.

Если же щетки сдвинуть на угол за физическую нейтраль, то коммутирующее поле с индукциейизменит свое направление относительно направления при положении щеток на геометрической нейтрали. Это поле будет наводить в коммутирующих секциях ЭДС вращения, равную реактивной ЭДС и противоположную ей по направлению, т.е. реактивная ЭДС окажется скомпенсированной и коммутация станет прямолинейной (идеальной).

Щетки смещают в направлении вращения якоря у генераторов или против вращения якоря у двигателей. Способ улучшения коммутации сдвигом щеток с геометрической нейтрали имеет следующие недостатки:

– коммутирующее поле изменяется не пропорционально нагрузке машины;

– усиливается размагничивающее действие реакции якоря;

– недопустимо применение способа для реверсируемых машин