Синхронные машины. Машины постоянного тока (стр. 25 из 42)
2.6 Круговой огонь на коллекторе
При эксплуатации машины постоянного тока на коллекторе иногда возникает электрическая дуга или множество мелких электрических разрядов. Это явление называют круговым огнем.
Причиной возникновения кругового огня является чрезмерно высокое напряжение между смежными коллекторными пластинами.
Если напряжение между смежными пластинами превышает 25 В, то между этими пластинами возможно появление короткой электрической дуги.
При работе машины постоянного тока смежные коллекторные пластины могут оказаться замкнутыми через «мостик», образуемый угольной пылью или более крупными осколками щетки. В этом случае по «мостику» проходит ток, происходит его сгорание и возникает короткая дуга.
Процесс изменения тока в дуге описывается дифференциальным уравнением
, (2.14)где ес–мгновенное значение э.д.с. секции; rс – активное сопротивление секции; Lc– индуктивность секции; Δид – падение напряжения в стволе дуги; Δиэ – околоэлектродное падение напряжения в электрической дуге.
Величина Δиэдля медных электродов составляет 20–23 В, что и определяет в основном минимальную величину напряжения между коллекторными пластинами, при которой возможно появление кругового огня.
Дальнейшее (после появления короткой дуги) развитие процесса зависит от параметров электрической машины: ее мощности, величины активного сопротивления и индуктивности секции, частоты вращения ротора и т.д.
В машинах малой мощности, у которых секции обмотки якоря имеют довольно большое активное сопротивление и индуктивность, ток в короткой дуге невелик, и явление кругового огня протекает сравнительно безвредно. В этом случае на коллекторе в зонах, где действует значительное напряжение между пластинами, возникает небольшое искрение. Это явление иногда называют потенциальным искрением, так как оно обусловлено повышенной разностью потенциалов между пластинами коллектора. При более мощных коротких дугах происходит оплавление смежных пластин, при этом образуются кратеры диаметром 2–3 мм и на коллекторе наблюдаются так называемые вспышки. Это явление более опасно, так как оплавленные края коллекторных пластин вызывают быстрый износ щеток, а иногда их полное разрушение.
В мощных машинах, а также машинах средней и малой мощностей с высокими значениями напряжения между коллекторными пластинами, единичная короткая дуга между смежными пластинами перерастает в мощную дугу. Эта дуга перекрывает значительную часть коллектора или даже замыкает накоротко щеткодержатели разной полярности (перекрытие коллектора). Возникновение мощной дуги на коллекторе сопровождается сильным световым и звуковым эффектом (в крупных машинах это похоже на взрыв бомбы). Большой ток якоря, возникающий при перекрытии коллектора, вызывает срабатывание защиты и повреждает поверхность коллектора, изоляторы щеткодержателей и т.д., т.е. выводит машину из строя.
Процессы перерастания единичной вспышки в круговой огонь очень быстротечны, что затрудняло их изучение. Было создано немало различных гипотез, пока не удалось сфотографировать весь процесс скоростной кинокамерой (4000 кадров в секунду). На рис. 2.27, а показала схема развития единичной вспышки в круговой огонь. Короткая дуга возникает из-за наличия «мостика» между» пластинами а и b. Ток в дуге быстро увеличивается и пространство над коллектором ионизируется, т.е. заполняется раскаленными парами меди. По мере вращения коллектора все большее пространство становится ионизированным и, наконец, дуга перекрывает несколько пластин, что ведет к еще большему возрастанию тока. Дальнейшее развитие процесса носит случайный характер, но всегда сопровождается повреждением коллектора и других деталей машины. Процесс перерастания единичной вспышки в мощную дугу длится 0,01–0,001 с и поэтому не удается создать от него какую-либо защиту.
Рис. 2.27 – Возникновение кругового огня на коллекторе и зависимость предельно допустимых напряжений ик.макс от коллекторного деления tк:
1 – первичная дуга при замыкании смежных коллекторных пластин,
2 – газы и пары меди, 3 – мощная дуга
Для предотвращения возможности возникновения кругового огня необходимо снижать величину максимального напряжения между смежными коллекторными пластинами. На рис. 2.27, б показаны зависимости предельно допустимых величин максимальных напряжений между смежными коллекторными пластинами uк.макс от величины коллекторного деления tкдля мощных электрических машин. Чем меньше толщина изоляции Δиз между пластинами и тоньше сами пластины, тем ниже должно быть выбрано максимальное напряжение. Безусловно, эти рекомендации являются ориентировочными, так как в них не учитываются частота вращения, величина воздушного зазора и т.д.
Искрение под щетками способствует появлению кругового огня, так как при этом происходит интенсивный износ щетрк, а следовательно, повышается вероятность появления токопроводящих мостиков.
Довольно длительное время была распространена гипотеза, согласно которой первоначальной причиной возникновения кругового огня является вытягивание дуги из-под щетки. Но она не подтвердилась практикой и экспериментами. Одним из доказательств развития кругового огня из единичной вспышки были опыты с генератором, работающим в режиме холостого хода со снятыми щетками. В этом случае искрение под щетками отсутствовало, но при достаточно высоком напряжении uк.макс возникал круговой огонь:
1) когда промежуток между смежными пластинами засорялся осколком щетки; 2) когда между этими пластинами искусственно зажигали короткую дугу с помощью вспомогательного электрода.
Реакция якоря искажает магнитное поле в воздушном зазоре машины, увеличивая магнитную индукцию под одним из краев главных полюсов (см. рис. 2.24). Вследствие этого возрастает максимальное напряжение uк.макс между смежными пластинами и увеличивается опасность кругового огня.
Для машин с петлевой и волновой обмотками соответственно:
, (2.15)где ωс–число витков в секции; р–число пар полюсов.
Чтобы уменьшить вероятность возникновения кругового огня, в крупных машинах используют обмотки якоря с одновитковыми секциями (ωc=1),снижают среднее напряжение между коллекторными пластинами до 15–18 В (при этом соответственно ограничивают активную длину якоря) и принимают меры для уменьшения искажающего действия реакции якоря, т.е. индукции Baq. Уменьшение Baqпроще всего достигается путем увеличения воздушного зазора. По этой причине машины постоянного тока обычно выполняют со сравнительно большим воздушным зазором. Однако увеличение воздушного зазора требует соответствующего повышения м.д.с. обмотки возбуждения (для создания необходимого магнитного потока). А это приводит к увеличению размеров статора и всей машины.
Более выгодным является применение особой формы воздушного зазора: минимального под серединой полюса и расширяющегося к краям, где возрастает м.д.с. якоря. При такой форме зазора магнитное сопротивление для потока главных полюсов увеличивается в меньшей степени, чем для потока, создаваемого поперечной реакцией якоря. Следовательно, расширяющийся зазор требует меньшего повышения м. д. с. обмотки возбуждения, чем равномерный.
Рис. 2.28 – Принцип действия (а) и устройство (б) компенсационной обмотки:
1 – главный полюс, 2 – обмотка возбуждения, 3 – компенсационная обмотка
Еще более кардинальной мерой является применение компенсационной обмотки (рис. 2.28), которую располагают в пазах главных полюсов и соединяют последовательно с обмоткой якоря. Эту обмотку включают таким образом, чтобы образуемая ею м. д. с. Fк была направлена встречно м.д.с. якоря Faqи компенсировала ее действие. При Fк = Faqм. д. с. якоря практически не будет искажать магнитное поле в воздушном зазоре. Компенсационная обмотка существенно усложняет конструкцию машины, поэтому ее применяют только в машинах средней и большой мощности, работающих в тяжелых условиях (частые пуски, толчки нагрузки, перегрузки по току и т.п.). Кроме того, компенсационную обмотку применяют также в тех случаях, когда машина проектируется при жестких габаритных ограничениях, так как компенсационная обмотка позволяет уменьшить воздушный зазор и, следовательно, размеры обмотки возбуждения.
2.7 Коммутация
Коммутацией называют процесс изменения тока в секциях обмотки якоря при переходе их из одной параллельной ветви в другую. В более широком смысле слова под коммутацией понимают все явления и процессы, возникающие под щетками при работе коллекторных электрических машин. Если щетки искрят, то говорят, что машина имеет плохую коммутацию; если искрение отсутствует, то коммутацию называют хорошей. Качество коммутации (интенсивность искрения) в значительной степени определяет работоспособность машины и ее надежность в эксплуатации.
Причины искрения щеток. Искрение может вызываться большим количеством причин, которые обычно разбивают на две группы: механические и электромагнитные.
Типичными механическими причинами являются: биение коллектора, его эллиптичность, шероховатость рабочей поверхности коллектора, наличие выступающих коллекторных пластин и изоляционных прокладок, вибрация щеткодержателей и т.д. Все эти причины приводят к вибрации щеток, в связи с чем возможен кратковременный разрыв контакта между щеткой и коллекторными пластинами и возникновение кратковременной электрической дуги. Особенно трудно обеспечить отсутствие вибрации щеток при больших окружных скоростях коллектора – порядка 50 м/с и выше, что связано с особыми свойствами щеточного контакта.