6.3 Причины, вызывающие искрение на коллекторе
При вращении машины коллекторные пластины поочередно вступают в соприкосновение со щетками. При этом переход щетки с одной пластины на другую сопровождается переключением секции обмотки из одной параллельной ветви в другую и изменением значения и направления тока в секции. Процесс переключения секции из одной параллельной ветви в другую называется коммутацией. Различают при этом два вида коммутации: прямолинейная коммутация, при которой ток коммутирующей секции изменяется по прямолинейному закону; криволинейная коммутация, когда процесс изменения направления тока затягивается во времени, а признаком является неодинаковая плотность тока под щеткой в периоде 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.
Причины, вызывающие искрение на коллекторе, разделяют на механические, потенциальные и коммутационные.
Механические причины искрения – слабое давление щеток на коллектор, биение коллектора, его эллиптичность или негладкая поверхность, загрязнение поверхности коллектора, выступление 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 искренне 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.
При выпуске готовой машины с завода в ней настраивают темную коммутацию, исключающую какое-либо искрение. Однако в процессе эксплуатации машины, по мере износа коллектора и щеток, возможно появление искрения. В некоторых случаях оно может быть значительным и опасным, тогда машину необходимо остановить для выяснения и устранения причин искрения. Однако небольшое искрение в машинах общего назначения обычно допустимо.
Согласно ГОСТ, искрение на коллекторе оценивается степенью искрения: степень 1 – искрение отсутствует (темная коммутация); степень 1 1 / 4 – незначительное искрение под щеткой, не вызывающее почернение коллектора появление нагара; степень 1 1/2 – слабое искрение под большей частью щетки, следы почернения, которые легко устраняются путем протирания поверхности коллектора; степень 2 – искрение под всем краем щетки (приводит к появлению неустраняемых следов почернения и нагара); степень 3 – значительное искрение с появлением крупных вылетающих искр, приводящее к неустраняемому почернению коллектора.
Если в паспорте машины не указана степень искрения, то при номинальной нагрузке она не должна превышать 1 1/2 .
Искрение на коллекторе электрической машины
При работе машины щетка и коллектор образуют скользящий контакт, под которым наблюдается более или менее интенсивное искрение. Лишь в редких случаях искрение отсутствует, а у тяговых электрических машин, работающих в исключительно тяжелых условиях, искрение есть практически всегда. Искрение вызывает эрозию коллектора, повышенный износ щеток и может даже вызвать их повреждение, а дальнейшую работу машины сделать невозможной.
Необходимо отметить, что стоимость ремонта в эксплуатации коллекторных машин, связанная с заменой щеток, проточкой и шлифовкой коллекторов, очень велика и составляет, например у тяговых двигателей локомотивов, за один год около 1/3 стоимости самой машины. Поэтому устранение искрения или хотя бы уменьшение его интенсивности может дать существенный технико-экономический эффект.
Искрение — результат разрыва тока. Какие же причины могут вызвать его? Эти причины можно условно разделить на четыре основные группы:
а) механические — из-за неровности поверхности коллектора, выступающих пластин или межламельной изоляции, вибрации или плохой притирки щеток и их перекоса (заедания) в гнездах щеткодержателей. Следует помнить, что окружная скорость коллекторов современных тяговых двигателей достигает ик = 55 м/с, что предъявляет исключительно высокие требования к механике скользящего контакта;
б) физико-химические, вызванные неудовлетворительным состоянием контакта щетка — коллектор. Для нормальной работы этого контакта, который представляют в виде находящихся в динамическом равновесии зернышек- контактов, непрерывно сгорающих и вновь образующихся, необходимы определенная температура, влажность, наличие кислорода и т. п. При этих условиях происходит процесс электролиза. Мельчайшие частицы графита, сгорая в кисло роде воздуха, образуют на поверхности коллектора тончайший орехового цвета слой окисленной пленки — политуры, предохраняющей» как смазка, коллектор и щетки от истирания. Если щетка скользит по коллектору при отсутствии тока, то политура не образуется, и происходит быстрый износ коллектора и щеток. Вот почему при транспортировке локомотива в «холодном» состоянии на длительное расстояние необходимо снять щетки с тяговых двигателей;
Степень
искре-
кия
Характеристика степени искрения
Состояние коллектора и щеток
Отсутствие искрения (темная коммутация)
Отсутствие почернения на коллекторе и нагара на щетках
Слабое точечное искрение под небольшой частью щетки
Слабое искрение под большей частью щетки
Появление следов почернения на коллекторе, легко устраняемых протиранием поверхности коллектора бензином, а также следов нагара на щетках
Искрение под всем краем щетки. Допускается только при кратковременных толчках нагрузки и перегрузке
Появление следов почернения на коллекторе, не устраняемых протиранием поверхности коллектора бензином, а также следов нагара на щетках
Значительное искрение под всем краем щетки с наличием вылетающих искр. Допускается только для моментов прямого (без реостатных ступеней) включения : или реверсирования машин, если при этом коллектор и щетка остаются в состоянии, пригодном для дальнейшей работы
Значительное почернение на коллекторе, не устраняемое протиранием поверхности коллектора бензином, а также подгар и разрушение щеток
в) электромагнитные, когда происходит разрыв тока в секции, присоединенной к двум соседним коллекторным пластинам, по которым скользит щетка;
г) потенциальные, вызванные повышением напряжения между соседними коллекторными пластинами. Такое искрение может перерасти в круговой, огонь.
Все эти причины, в конечном счете, связаны с вращением якоря и коллектора, во время которого секция переключается из одной параллельной ветви в другую. Во время этого переключения секция накоротко замыкается щеткой. А так как направление тока в параллельных ветвях по обе стороны от щетки противоположное, то ток в секции во время закорачивания ее щеткой меняет направление на обратное. Этот процесс носит название коммутации, а секция называется коммутируемой. Однако в более широком смысле слова под коммутацией понимают все явления и процессы, возникающие под щетками.
Поэтому, несмотря на различные причины, вызывающие искрение на коллекторе, говорят, что коммутация хорошая, если искрение очень слабое или его совсем нет. Если же искрение интенсивное, то говорят, что коммутация плохая.
Согласно ГОСТ 183—74, качество коммутации оценивают степенью искрения под сбегающим краем щетки, из-под которого выходят пластины коллектора при его вращении. Баллы степени искрения приведены в таблице.
В соответствии с ГОСТ 2582—81 — «Машины электрические вращающиеся тяговые», который распространяется на все электрические машины рельсового или безрельсового транспорта, коммутацию считают удовлетворительной, если в предусмотренных режимах испытаний не возникает остаточных деформаций или механических повреждений коллектора и щеткодержателей и они пригодны для дальнейшей работы без очистки или какого-либо исправления, а также если степень искрения не превышает 1 1/2 балла.
Наиболее распространенные неисправности машин постоянного тока
Искрение щеток может быть вызвано множеством причин, которые требуют от обслуживающего персонала внимательного наблюдения за системой скользящего контакта и щеточного аппарата. К основным из этих причин относятся механические (механическое искрение) и электромагнитные (электромагнитное искрение).
Механические причины, вызвавшие искрение, не зависят от нагрузки. Искрение щеток можно уменьшить, повышая или снижая давление на щетки, и, если возможно, снижая окружную скорость.
При механическом искрении искры зеленого цвета распространяются по всей ширине щетки, подгар коллектора не закономерный, беспорядочный. Механические искрения щеток вызываются: местным или общим биением, задирами на скользящей поверхности коллектора, царапинами, выступающей слюдой, плохой продорожкой коллектора (прорезка слюды между коллекторными пластинами), тугой или слабой посадкой щеток в обоймы щеткодержателей, податливостью бракет, вызывающей вибрацию щеток, вибрацией машин и др.
Электромагнитные причины, вызывающие искрение щеток, более сложные при их выявлении. Искрение, вызванное электромагнитными явлениями, изменяется пропорционально нагрузке и мало зависит от частоты вращения.
Электромагнитное искрение обычно имеет бело-голубой цвет. Форма искр шаровидная или каплеобразная. Подгар коллекторных пластин носит закономерный характер, по которому можно определить причину искрения.
Если в обмотке и уравнителях произойдет замыкание, нарушится пайка или возникнет прямой обрыв, искрение будет неравномерным под щетками, а подгоревшие пластины расположатся по коллектору на расстоянии одного полюсного деления.
Если щетки под бракетом одного полюса искрят больше, чем под бракетами других полюсов, значит, произошло витковое или короткое замыкание в обмотках отдельных главных или добавочных полюсов; неправильно расположены щетки или ширина их больше допустимой.
Кроме того, в машинах постоянного тока могут наблюдаться дополнительные нарушения:
- смещение щеточной траверсы с нейтрали вызывает искрение и нагрев щеток и коллектора;
- деформация скользящей поверхности коллектора вызывает вибрацию и искрение щеток;
- несимметрия магнитного поля вызывает снижение порога реактивной ЭДС, ухудшает коммутирующую способность машины, что, в свою очередь, вызывает искрение щеток. Магнитное поле машины симметрично, если строго соблюдаются правильный шаг по окружности между наконечниками главных и дополнительных полюсов и выдержаны расчетные зазоры под полюсами.
У крупных машин настройка электромагнитных цепей выполняется по методу безыскровой зоны.
Повышенный нагрев машины постоянного тока.
В машине постоянного тока имеется несколько источников тепла, нагревающих все ее элементы.
В понятие повышенного нагрева изоляции входит переход через определяемый нормами допустимый предел принятых в электромашиностроении классов нагревостойкости изоляции.
В практике электромашиностроительных заводов нашей страны внедрено правило создания определенного запаса по теплостойкости изоляции за счет принятия рабочих температур на класс ниже, чем допускает использованная изоляция. Большинство машин сейчас изготовляется с изоляцией нагревостойкости класса F; это означает, что допустимые превышения температур обмоток должны быть такими же, как для класса В, т. е. примерно 80 °С. Это правило введено вследствие аварийных разрушений изоляции обмоток прокатных машин из-за повышенных температур.
Перегрев машин постоянного тока может быть вызван множеством причин.
При перегрузке машин возникает общий перегрев от тепла, выделенного обмоткой якоря, дополнительными полюсами, компенсационной обмоткой и обмоткой возбуждения. Нагрузка крупных машин контролируется по амперметру, а нагрев обмоток по приборам, соединенным с датчиками, вмонтированными в различные изолированные элементы машины — обмотку якоря, дополнительные полюса, компенсационную обмотку, обмотку возбуждения. В особо ответственных крупных прокатных двигателях, работающих в тяжелых режимах, на пост управления оператору и в машинный зал выведены сигналы, предупреждающие о повышении температуры машины до предельного значения.
Перегрев может быть вызван высокой температурой помещения, в котором установлены машины. Причиной этого может быть неисправная вентиляция машинного помещения. Все каналы для подачи воздуха должны быть исправными, чистыми и транспортабельными. Фильтры должны систематически очищаться способом протяжки сеток через минеральное масло.
Воздухоохладители иногда забиваются микроорганизмами, затрудняющими поступление воды. Периодически воздухоохладители промывают водой обратным током.
Нагреву способствует грязь (пыль), попадающая в машину. Так, проведенные исследования электродвигателей показали, что угольная пыль слоем 0,9 мм, попадающая на обмотки, способствует повышению температуры на 10 °С.
Засорение обмоток, вентиляционных каналов активной стали, наружного корпуса машины недопустимо, так как это создает теплоизоляцию и стимулирует подъем температуры.
Перегрев обмотки якоря машины постоянного тока.
Наибольшее количество тепла может выделиться в якоре. Причины здесь могут быть разные.
Перегрузка всей машины, в том числе якоря, вызывает нагрев. Если машина работает на малых скоростях, а изготовлена как самовентилируемая, условия вентиляции ухудшены, якорь перегреется.
Коллектор как неотъемлемая часть якоря будет способствовать нагреву машины. Температура коллектора может значительно повыситься при следующих обстоятельствах:
- постоянная работа машины на предельной мощности;
- неправильно выбраны щетки (твердые, высокий коэффициент трения);
- в машинном зале, где установлены электрические машины, низкая влажность воздуха. При этом коэффициент трения щеток увеличивается, щетки ускоренно срабатываются и греют коллектор.
Требование к поддержанию соответствующей влажности воздуха в машинных залах диктуется необходимостью обеспечивать наличие влажной пленки между щеткой и скользящей поверхностью коллектора как смазывающего элемента.
Неравномерный воздушный, зазор может оказаться одной из причин перегрева обмотки якоря. При неравномерном воздушном зазоре в части обмотки якоря индуктируется ЭДС, вследствие чего в обмотке возникают уравнительные токи. При значительной неравномерности зазоров они являются причиной нагрева обмотки и искрения щеточного аппарата.
Искажение магнитного поля машины постоянного тока происходит, как отмечалось, за счет неравномерности воздушных зазоров под полюсами, а также при неправильном включении катушек главных и дополнительных полюсов, виткового замыкания в катушках главных полюсов, из-за чего возникают уравнительные токи, которые вызывают нагрев обмотки и искрение щеток одного полюса сильнее другого.
При возникновении виткового замыкания в обмотке якоря машина долго работать не может, так как из-за перегрева может произойти выгорание короткозамкнутой секции и активной стали в очаге развития виткового замыкания.
Загрязнение обмотки якоря теплоизолирует ее, ухудшает удаление тепла из обмотки и в результате способствует перегреву.
Размагничивание и перемагничивание генератора. Генератор постоянного тока с параллельным возбуждением может оказаться размагниченным еще до его первого пуска после монтажа. Находящийся в эксплуатации генератор размагничивается, если щетки сдвинуты с нейтрали по направлению вращения якоря. Это ослабляет магнитный поток, создаваемый параллельной обмоткой возбуждения.
Размагничивание, а затем и перемагничивание генератора с параллельным возбуждением возможно при пуске машины, когда магнитный поток якоря перемагничивает главные полюса и меняет полярность в. обмотке возбуждения. Это происходит в том случае, когда при пуске генератор оказывается подключенным к сети.
Остаточный магнетизм и полярность генератора восстанавливают намагничиванием обмотки возбуждения от постороннего источника пониженного напряжения.
При пуске двигателя его частота вращения чрезмерно возрастает. К основным неисправностям машин постоянного тока, из-за которых чрезмерно возрастает частота вращения, относят следующие:
- смешанное возбуждение — параллельная и последовательная обмотки возбуждения включены встречно. В этом случае при пуске электродвигателя результирующий магнитный поток мал. При этом скорость будет резко возрастать, двигатель может пойти в «разное». Следует согласовать включение параллельной и последовательной обмоток;
- смешанное возбуждение — щетки смещены с нейтрали против вращения. Это действует на двигатель размагничивающе, магнитный поток ослабляется, частота вращения возрастает. Щетки следует установить на нейтраль;
- последовательное возбуждение — запуск двигателя без нагрузки недопустим. Двигатель пойдет в «разнос»;
- в параллельной обмотке витковое замыкание — частота вращения двигателя возрастает. Чем больше будет замкнутых между собой витков обмотки возбуждения, тем меньше будет магнитный поток в системе возбуждения двигателя. Замкнутые катушки надо перемотать и заменить.
Возможны и другие неисправности, например.
Щетки смещены с нейтрали по ходу вращения двигателя. Происходит подмагничивание машины, т. е. магнитное поле усиливается, частота вращения двигателя уменьшается. Траверсу следует установить на нейтраль.
Обрыв или витковое замыкание в обмотке якоря. Скорость двигателя резко снижена или якорь совсем не вращается. Щетки сильно искрят. Следует помнить, что при обрыве в обмотке коллекторные пластины через два полюсных деления будут выгорать. Это объясняется тем, что при обрыве в обмотке в одном месте напряжение и ток под щеткой при разрыве цепи удваиваются. При обрыве рядом в двух местах напряжение и ток под щеткой утраиваются и т. д. Такую машину следует немедленно остановить на ремонт, иначе коллектор будет испорчен.
Двигатель «качает» при ослаблении магнитного потока в обмотке возбуждения. Двигатель спокойно работает до определенной частоты вращения, затем при повышении частоты вращения (в пределах паспортных данных) за счет ослабления поля в обмотке возбуждения, двигатель начинает сильно «качать», т. е. возникают сильные колебания по току и частоте вращения. В этом случае возможна одна из нескольких неисправностей:
- щетки смещены с нейтрали против направления вращения. Это, как указывалось выше, повышает частоту вращения якоря. На ослабленный поток обмотки возбуждения действует реакция якоря, при этом происходит, то усиление, то ослабление магнитного потока и соответственно меняется частота вращения якоря в режиме «качания»;
- при смешанном возбуждении последовательная обмотка включена встречно параллельной, в результате чего магнитный поток машины окажется ослабленным, частота вращения будет большой, и якорь попадает в режим «качания».
У машины мощностью 5000 кВт были изменены зазоры главных полюсов против заводского формуляра с 7 до 4,5 мм. Максимальная частота вращения, которой пользовались, составляла 75 % от номинальной. Затем, через несколько лет, повысили частоту вращения до 90—95 % против номинальной, в результате чего началось сильное «качание» якоря по току и частоте вращения.
Восстановить нормальное положение крупной машины удалось только, восстановив воздушный зазор под главными полюсами согласно формуляру вместо 4,5 мм до 7 мм. Допускать до режима «качания» любую машину, особенно крупную, нельзя.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Причины искрения на коллекторе машины постоянного тока
Интенсивное искрение в щеточно-коллекторном контакте вызывает подгорание пластин коллектора и щеток, и создаёт пожароопасную обстановку.
Причины, вызывающие искрение на коллекторе, разделяют на механические, потенциальные и коммутационные.
Механические причины искрения
- слабое прижатие щеток к коллектору
- биение коллектора, его эллиптичность или негладкая поверхность
- загрязнение поверхности коллектора
- выступание миканитовой изоляции над медными пластинами
- неплотное закрепление траверсы, пальцев или щеткодержателей
Потенциальные причины искрения
Потенциальные причины искрения возникают, если напряжение между смежными коллекторными пластинами превышает допустимое значение (не более 16 В для машин без компенсационной обмотки и 20 В для машин с компенсационной обмоткой). В этом случае искрение наиболее опасно, так как оно обычно сопровождается появлением на коллекторе электрических дуг.
Коммутационные причины искрения
Возникают при физических процессах, происходящих в машине в связи с переходом секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую.
При выпуске готовой машины в ней настраивают темную коммутацию, исключающую какое-либо искрение. Однако в процессе эксплуатации машины, по мере износа коллектора и щеток, возможно появление искрения. В некоторых случаях оно может быть значительным и опасным, тогда машину необходимо остановить для выяснения и устранения причин искрения. Однако небольшое искрение в машинах общего назначения обычно допустимо.
Согласно ГОСТ 183—74, искрение на коллекторе оценивается степенью искрения (классом коммутации) под сбегающим краем щетки.