Глава шестая
ТОКОСЪЕМ И КОММУТАЦИЯ
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В УЗЛАХ ТОКОСЪЕМА
В настоящей главе кратко рассмотрены процессы прохождения тока через скользящий контакт (СК) в узлах токосъема (УТ): щетки — контактное кольцо и щетки — коллектор ЭМ.
Рассмотрены процессы коммутации — переключения и реверсирования тока в секциях якоря, которые определяют работу УТ в коллекторных электрических машинах постоянного и переменного тока, а также методы испытания и наладки этих узлов.
Процессы в СК зависят от ряда электрических факторов: индуктивности цепей, в которых он работает, плотности тока под щеткой, а для коллекторных электрических машин, кроме того, и от напряжения между пластинами коллектора и сбалансированности реактивной и коммутирующей ЭДС в секциях якоря, замкнутых щеткой.
Необходимо, однако, подчеркнуть, что по мере увеличения частоты вращения и окружной скорости рабочих поверхностей контактных колец и коллекторов для работы СК решающее значение приобретают механические факторы: отклонение формы поверхности от цилиндрической, качество поверхности (в том числе и качество продорожки), уровень вибрации якоря, щита и траверсы щеткодержателей [6.7].
Следует отметить также существенное влияние на трение и износ контактных поверхностей в СК химического состава, температуры и влажности воздуха, охлаждающего УТ.
Из сказанного выше видно, что наладка коммутации относится к числу наиболее сложных экспериментальных работ, выполняемых испытательными станциями. Несмотря на появление ряда специальных приборов, облегчающих ее выполнение, успех в этой работе, особенно при создании новых электрических машин, зависит от опыта испытательного персонала и понимания им сути физических процессов в СК.
Передача тока через СК.
При соприкосновении двух плоских токопроводящих поверхностей действительный контакт имеет место лишь между отдельными выступами, площадь которых составляет незначительную часть (менее 1/100) общей площади. Площадь действительного контакта зависит от упругих свойств, чистоты поверхности, удельного нажатия, наличия оксидных пленок и т. д. [6.1.2].
Рис. 6.1. Контактные зоны под щеткой
Действительная плотность тока в точках контакта во много раз превышает среднюю. Передача тока происходит за счет электронной проводимости без взаимного переноса материала электродов и их разрушения электрозрозионными процессами. Износ контактирующих поверхностей происходит из-за термических факторов (раскаливания и сгорания отдельных выступов при чрезмерной плотности тока), электрохимических факторов, связанных с проникновением химически активных веществ из окружающей среды, и механического износа (трения) при взаимном перемещении поверхностей. Механизм контактирования объясняет, в частности, известный факт уменьшения силы трения между щеткой и коллектором при пропускании тока. Нагрев контактных выступов уменьшает их прочность и необходимое для разрушения усилие.
При работе щетки на вращающемся коллекторе вследствие неизбежной вибрации и отклонения формы поверхности коллектора от цилиндрической кривизна поверхности щетки получается меньшей, чем у коллектора (рис. 6.1). Поверхность соприкосновения при этом можно разделить на две зоны: зону непосредственного контактирования (ЗНК), площадь или тангенциальная ширина которой тем меньше, чем сильнее вибрация щетки (при очень сильной вибрации ЗНК может периодически исчезать), и клиновидный воздушный зазор, в который переходит ЗНК. При вращении коллектора сила трения поворачивает (опрокидывает) щетку таким образом, что ЗНК передвигается на набегающий край, а клиновидный зазор расширяется в направлении к сбегающему краю щетки. У нормально работающих ЭМ под сбегающим краем щетки он равен примерно 4—10 мкм.
Факт более устойчивого контактирования щеток на набегающем крае используется при наладке коммутации. Следует отметить, что сказанное выше справедливо и для торцевых коллекторов.
Прохождение тока через начальный участок клиновидного зазора возможно через проводящие ток продукты износа СК: угольную и медную пыль. При достаточной плотности тока пылевые частицы могут сгорать со слабым искрением под щеткой. Этот процесс, однако, не связан с электроэрозией электродов, в связи с чем эту пылевую зону (ПЗ) условно включим в ЗНК и будем называть зоной устойчивого контактирования. Следует отметить, что зоны не имеют резко очерченных границ и при вибрации щетки перемещаются (плавают) в тангенциальном направлении.
Газоразрядные процессы.
Прохождение тока через зазор под сбегающим краем щетки возможно только в виде искрового или более мощного дугового газоразрядного процесса (ГРП).
При искровой форме токи относительно малы, напряжения велики. Дуговая форма соответствует более интенсивной ионизации зазора и протекает при относительно больших токах и низких напряжениях (малом падении напряжения у катода).
В случае ГРП под щеткой имеются ввиду микродуговые ГРП весьма малой мощности. Однако в связи с весьма высокой коллекторной частотой повторения импульсов до десятков килогерц и высокой плотностью тока в катодной точке эти ГРП способны вызывать сильную электроэрозию щеток и коллектора.
Для возникновения ГРП в находящемся в зазоре газе (смесь воздуха, проводящей пыли, паров материала электродов) должна произойти начальная ионизация.
Причиной ионизации могут быть эмиссия электронов раскаленной контактной точкой и последующий разрыв контакта из-за вибрации щетки, сопровождающейся "дугой подъема", а также появление высоких градиентов напряжения (при малых зазорах), обусловленных импульсом напряжения самоиндукции секций при разрыве тока на сбегающем крае щетки.
Первая причина (механическая) характерна при несовершенной работе щеток, вторая (электрическая) — при неотлаженном процессе коммутации.
ГРП вызывают взаимный перенос материала катода и анода и разрушение — электрическую эрозию их поверхности; хотя общими закономерностями такого переноса является перенос материала катода на анод при искровой и материала анода на катод при дуговой форме ГРП, электроэрозионные процессы в СК в сильной степени зависят от материала контактной пары щетка—коллектор.
ГРП имеют колебательный характер со спектром частот напряжений на электродах в диапазоне 0,01—1000 МГц и сопровождаются электромагнитным излучением в виде свечения (искрения) с частотой примерно 1014 Гц и радиопомех (пт. 8).
При отсутствии процессов электроэрозии (или весьма слабой степени их) коллектор имеет гладкую блестящую поверхность, покрытую "политурой". Щетки имеют зеркальную контактную поверхность.
Политура представляет собой тонкую пленку закиси меди и втертых в поверхность коллектора частиц графита. Она играет существенную роль в работе скользящего контакта. С ее помощью (при наличии влаги в окружающем машину воздухе) образуется жидкостная пленка, снижающая трение. Она влияет также на падение напряжения между щеткой и коллектором и обусловливает его зависимость от полярности.
При наличии эрозионных процессов на сбегающих краях коллекторных пластин появляются черные матовые полоски, а при более сильной степени эрозионных процессов черные матовые пятна — отпечатки щеток на поверхности пластин и контактных колец. Эти полоски и отпечатки (подгары) образуются за счет распыления материала щетки и переноса его на коллектор. На поверхности пластин образуются устойчивые соединения материала пластин с углем, содержащимся в щетках, которые не смываются растворителями (бензином). Политура при этом частично (в местах подгаров) разрушается, что вызывает увеличение коэффициента трения в этих местах и повышенный износ щеток. Это обстоятельство приводит также к усилению вибрации щеток, ухудшению контакта их с коллектором и прогрессирующему ухудшению коммутации.
Эрозия щеток проявляется в виде матовых поперечных полос на блестящей контактной поверхности.
При более сильных эрозионных процессах может иметь место перенос меди на контактную и даже боковую поверхность щетки, оплавление краев пластин, растрескивание краев щетки и т. д. При таких явлениях работа машины невозможна даже в кратковременных режимах.
Оценка качества коммутации.
Для оценки качества коммутации используется то обстоятельство, что ГРП сопровождаются излучением света, причем существует связь между интенсивностью ГРП и интенсивностью (яркостью, количеством светящихся точек и т. п.) свечения (искрения).
Классификация степеней искрения (1, 1 1/4, 1 1/2, 2, 3) приведена в ГОСТ 183-74 (табл. 4) и СТ СЭВ 1346-78. В основу классификации положены интенсивность искрения и состояние поверхности коллектора и щеток. Степень искрения и состояние коллектора и щеток проверяются по истечении времени, необходимого для достижения практически установившейся температуры, но не менее 2 ч для электрических машин мощностью до 100 кВт, 4ч — для мощности 100—300 кВт, 8ч — для 300—1000 кВт и 16 ч — свыше 1000 кВт.
Следует подчеркнуть, что визуальная оценка состояния поверхности коллектора в определенной мере субъективна и зависит от случайных факторов (например, характера освещенности).
Предусмотренная ГОСТ 183-74 промывка поверхности коллектора бензином не исключает полностью ошибок в этой оценке. Опыт применения визуальных методов оценки качества коммутации — степени искрения — говорит о том, что не всякое почернение пластин коллектора является свидетельством недопустимого искрения. Так, например, поперечные черные риски на коллекторной поверхности являются результатом начальной фазы образования политуры и вполне допустимы. Следует подчеркнуть, что при высоком использовании современных электрических машин и напряженной коммутации почернение краев пластин и матовые полосы на контактной поверхности щеток в ряде случаев неизбежны (недопустимы хаотически расположенные на коллекторе почернения краев пластин — см. п. 6.7.3).
Главным критерием качества коммутации (установленным МЭК) является надежное выполнение ЭМ ее рабочих функций, т. е. стабильность степени искрения при работе ЭМ по рабочему циклу, установленному ТУ на ЭМ (например, в течение приведенного выше времени, установленного ГОСТ 183-74). Внедрение приборов количественной оценки коммутации (п. 6.7.7) становится все более необходимым.
