Машины постоянного тока - Щетки и их характеристики

Одной из важнейших характеристик щетки является величина ее удельного переходного сопротивления рщ, т. е. сопротивления, рассчитанного на единицу контактной поверхности щетки. Если — сопротивление всей контактной поверхности щетки и Sщ — площадь этой поверхности, то следовательно, падение напряжения в контактном слое будет(6-10)
Здесь I — ток, идущий в щетку или из нее; iщ — средняя плотность тока под щеткой.
Исследования показывают, что переходное сопротивление щетки и соответственно переходное падение напряжения зависят от ряда факторов, из числа которых главное значение имеют: а) материал щеток и материал коллектора или контактных колец; б) плотность тока jщ; в) направление тока — от щетки к коллектору (кольцу) или от коллектора к щетке; г) температура контактной поверхности; д) ее химическое состояние; е) удельное давление на щетку; ж) линейная скорость на окружности коллектора; з) механические факторы.
Применяемые в СССР марки щеток и их основные характеристики приведены в табл. 6-1.

Рис. 6-12. Кривая напряжения в зависимости от удельного давления на щетку
Рис. 6-11. Кривые = I (jщ) для щеток различных марок

Наибольшие сопротивления рщ имеют твердые угольно-графитные щетки; меньшее сопротивление имеют графитные и электрографитированные щетки и наименьшее — мягкие медно- или бронзо-графитные щетки.
На рис. 6-11 показаны кривые для щеток различных марок. Так как падение напряжения при направлении тока от металла к угольной щетке больше, чем при обратном направлении тока, то под ∆Uщ понимают сумму падений напряжения для щеток обеих полярностей. Кривые 1 и 2 относятся к твердым щеткам, кривые 3 и 4 — к щеткам средней твердости и мягким, кривая 5 — к бронзографитным щеткам. Для кривых 3 и 4 характерна их пологая часть, показывающая, что начиная с некоторой плотности тока, т. е. что переходное сопротивление изменяется в этой зоне почти обратно пропорционально jщ.
С увеличением температуры электропроводность щеток возрастает, и, следовательно, переходное сопротивление уменьшается; поэтому машина, имеющая достаточно хорошую коммутацию в холодном состоянии, может начать заметно хуже коммутировать по мере повышения температуры. С этой точки зрения необходимо, чтобы в машине были применены щетки только одной марки, имеющие одинаковые размеры. Так как все одноименные щетки соединены параллельно, то при несоблюдении этого требования более нагретые щетки, имея меньшее переходное сопротивление, будут проводить больший ток; это вызовет дальнейшее повышение температуры этих щеток и может повести к выгоранию как самих щеток, так и токоподводящих кабелей.

 С действительной поверхностью контакта граничит клиновидное пространство между поверхностями щетки и коллектора, причем на некотором участке этого пространства частицы угольной или металлической пыли, приставшие к коллектору, еще могут прикасаться к щетке. Эта часть клиновидного пространства называется пылевой зоной и проводит ток только при наличии достаточно большого напряжения между поверхностями щетки и коллектора. С пылевой зоной граничит зона пробоя, в которой ток проводится путем ионной и электронной эмиссии, но лишь при условии предварительного соприкосновения трущихся поверхностей. В дополнение к этой гипотезе была выдвинута третья гипотеза, согласно которой основным фактором, определяющим поведение скользящего контакта, является пленка окислов на поверхности коллектора или кольца. Пленка находится в динамическом равновесии, т. е. одновременно происходит процесс образования пленки и ее разрушения вследствие шлифующего действия щеток; при этом происходит пробой пленки и образуются проводящие мостики.
С точки зрения этой гипотезы можно объяснить форму кривых на рис. 6-11. Действительно, пленка окислов на медном кольце может выдержать только определенное напряжение; с увеличением плотности тока пленка начинает разрушаться, и число точек, проводящих ток, увеличивается, вследствие чего переходное сопротивление падает. Для неокисляющегося кольца, например графитного, кривые Uщ=f(jщ) носят прямолинейный характер.
Явления в щеточном контакте были подробно исследованы многими авторами (И. Нейкирхен, Е. Хольм, Μ. Ф. Карасев и др.). Кроме того, было подробно проанализировано влияние на щеточный контакт факторов химического, термического и механического характера. Из этого анализа могут быть сделаны следующие основные выводы.

1. При нагрузках, превосходящих некоторый ограниченный предел, зависящий от марки щетки, природа щеточного контакта является ионной.
2. Ионные процессы, происходящие под анодно- или катодно-поляризованными щетками, носят разный характер (щетка называется анодно-поляризованной или анодной при направлении тока от щетки к коллектору и катодно-поляризованной или катодной при направлении тока от коллектора к щетке — см. рис. 5-21). При этом в контактном слое щеток обеих полярностей происходит процесс электролиза. Если щетка поляризована катодно, то при прохождении тока мельчайшие частицы угля переносятся на коллектор и, сгорая в атмосфере кислорода воздуха, образуют на поверхности коллектора тонкий слой более тугоплавкой окисленной пленки, предохраняющей коллектор от истирания и увеличивающей переходное сопротивление щеточного контакта. Если же щетка поляризована анодно, то образования защитной пленки не происходит. Толщина пленки и ее характер зависят от плотности тока, свойств контактных поверхностей и окружающей среды.
3. Так как большая часть поверхности щетки непосредственно не соприкасается с поверхностью коллектора, то, говоря об износе этих частей машины, различают: а) чисто механический износ частей, т. е. износ без участия тока; б) механический износ при протекании тока и в) электрический износ без содействия механического истирания.

Механический износ коллектора и щеток, как правило, невелик, хотя могут быть случаи ненормально высокого износа этих частей в зависимости главным образом от структуры щеток.
Механический износ коллектора и щеток при протекании тока вообще гораздо больше, чем износ без тока. Это объясняется тем, что ионные процессы, происходящие в контактном слое при протекании тока, разрушают гладкие поверхности коллектора и щеток. Особенно сильное разрушительное действие оказывает дуга (так называемая дуга подъема), образующаяся при расхождении контактных поверхностей коллектора и щетки, например, при тряске машины. Износ носит полярный характер. Например, анодно-поляризованный коллектор изнашивается по сравнению с катодно-поляризованным быстрее. При прочих равных условиях износ зависит от окружающей среды: влажности воздуха, присутствия химически действующих на коллектор и щетки газов и т. д., которые способствуют увеличению износа.
Чисто электрический износ коллектора происходит в том случае, когда имеются условия образования дуги, например когда щетка скользит по прокладкам, выступающим между пластинами коллектора, практически не касаясь его поверхности. При катодной поляризации коллектора катодное пятно дуги связано с коллектором, и медь в пятне испаряется; в результате происходит катодное распыление меди коллектора.

1. При увеличении температуры коллектора ионизация контакта наступает при меньших значениях нагрузочного тока (по данным Μ. Ф. Карасева). Что же касается влияния температуры на искрение, то, по мнению И. Нейкирхена, оно является сопровождающим, но не определяющим фактором.

Представления об ионной проводимости, предполагающие прерывно-точечный характер контакта скользящих поверхностей, позволяют физически полнее и ближе к действительности объяснить сложный комплекс явлений, определяющих процесс коммутации коллекторной машины, но нуждаются еще в дальнейшей разработке.

10. Природа щеточного контакта

По мере изучения свойств скользящего контакта взгляды на его природу изменялись. Одной из первых явилась положенная в основу классической теории коммутации гипотеза непрерывного контакта, т. е. такого, когда ток равномерно распределяется по всей поверхности контакта. Но эта гипотеза не могла объяснить характера зависимости переходного падения напряжения от плотности тока (см. рис. 6-11), Поэтому на смену ей была выдвинута гипотеза, согласно которой скользящий контакт рассматривается как совокупность точек перебегающего непосредственного контакта, действительная поверхность которых в десятки раз меньше всей полюсом и форму полюсного наконечника и т. д. Все эти вопросы приходится окончательно решать уже при экспериментальной наладке коммутации, внося необходимые коррективы в первоначальные данные расчета. Именно поэтому установить окончательные электрические данные машины, как правило, можно только в результате комбинации расчета и эксперимента.
Наиболее распространенными и ценными методами экспериментального анализа коммутации является снятие потенциальных кривых под щетками и кривых подпитки добавочных полюсов.

Б. Потенциальные щеточные кривые. Метод позволяет судить по форме снятой потенциальной щеточной кривой о характере коммутации, т. е. о том, является ли она прямолинейной, замедленной или ускоренной. Потенциальные кривые щетки снимаются по схеме на рис. 6-13, а. Вольтметр должен быть выбран так, чтобы можно было измерить напряжения до 1,5—3 в. Один зажим вольтметра присоединяется непосредственно к щетке, а другой —  к тонкому металлическому или угольному контакту, перемещаемому по окружности коллектора вдоль щеточной обоймы.
Если коммутация прямолинейная, то плотность тока под щеткой всюду одинакова (см. рис. 5-6); следовательно, переходное падение напряжения ΔUщ имеет одно и то же значение вдоль всей щетки, и потенциальная кривая щетки представляет собой почти прямую, параллельную оси абсцисс (кривая 1 на рис. 6-13, б).
При замедленной коммутации плотность тока и соответственно переходное напряжение больше на сбегающем крае щетки, чем на набегающем, т. е. .
В этом случае получается кривая 2 на рис. 6-13, б. При ускоренной коммутации получается кривая 3.
Изложенный метод позволяет судить с известным приближением о величине коммутирующего поля, так как кривая 2 на рис. 6-13, б говорит о слабом коммутирующем поле, а кривая 3 — о слишком сильном поле.
Основные недостатки этого метода состоят в том, что а) трудно выполнить щеткодержатель, который бы обеспечил вполне равномерное давление по всей поверхности щетки, тогда как напряжение Δί/щ зависит от силы, с которой щетка прижата к коллектору в данной точке; б) напряжение пропорционально плотности тока только при малых плотностях, а затем растет значительно медленнее. Поэтому метод потенциальной щеточной кривой позволяет производить только качественную оценку коммутационного процесса.

В. Метод безыскровой зоны. Предложенный Треттином [18] и разработанный далее В. Т. Касьяновым [84] и Μ. П. Костенко [87] метод безыскровой зоны оказался чрезвычайно эффективным при экспериментальном налаживании коммутации. Сущность метода состоит в том, что обмотку добавочных полюсов подпитывают от особого источника постоянного тока и снимают подпиточные кривые, которые позволяют выявить зону безыскровой работы и с необходимой точностью определить наивыгоднейшее число витков добавочного полюса и величину зазора δд.
Для снятия кривых подпитки может служить схема на рис. 6-14. Здесь Я — якорь испытуемой машины, ДП — обмотка добавочных полюсов, Г — генератор постоянного тока независимого возбуждения, служащий для подпитки добавочных полюсов, П — переключатель для изменения направления тока в цепи возбуждения и, следовательно, полярности генератора Г При испытании машина может работать как в нагрузочном режиме, так и в режиме короткого замыкания, так как при одинаковой величине тока Iа в цепи якоря машины условия коммутации практически одинаковы в обоих случаях.
Снятие кривых подпитки начинают с холостого хода (Iа=0). В этом случае реактивная э. д. с. еr=0. Подпитывая добавочные полюсы сначала в одном направлении, а затем в другом, мы можем установить величину того тока100%, при котором начинается первое заметное на глаз искрение. Причиной искрения является нескомпенсированная (избыточная) э. д. с. ∆е=±еk создаваемая в коммутируемой секции полем добавочных полюсов. Если пренебречь явлением гистерезиса, то подпиточные токи разных знаков, вызывающие первое искрение под щетками, должны быть при холостом ходе равны (отрезки ОА=ОВ на рис. 6-15). Опыт показывает, что машина начинает искрить при ∆е≈1-1,5 в в зависимости главным образом от марки щетки и силы нажатия на нее, причем в машинах малой мощности Iп=10-25%, а в машинах средней и большой мощности 6-10%.
Если бы машина постоянного тока имела коммутирующее поле, подобранное так, чтобы при всех нагрузках оно полностью компенсировало реактивное поле коммутации, т. е. имело ту же величину и ту же форму, что и последнее, то реактивная и коммутирующая э. д. с. и ek находились бы всегда во взаимном равновесии. В этом случае кривые подпитки имели бы вид двух прямых, параллельных оси абсцисс и находящихся от нее на одинаковом расстоянии как в своей положительной, так и отрицательной ветви (штриховые линии на рис. 6-15, а).

Рис. 6-14. Схема для снятия кривых подпитки

Но так как в реальных машинах нельзя добиться полной компенсации э.д.с. еr, то остаточная э.д.с. е0 (заштрихованные площадки на рис. 6-3) растет с увеличением нагрузочного тока Iа, и при некотором значении последнего машина начинает искрить даже при вполне правильно подобранном числе витков добавочных полюсов. В этом случае дополнительная подпитка этих полюсов может только увеличить расхождение между э.д.с. е, и ек и, следовательно, ухудшить коммутацию. Таким образом, реальную машину можно нагрузить лишь до такого предельного тока при котором уже никакой регулировкой добавочных полюсов невозможно получить удовлетворительную коммутацию.

Таким образом, в реальных машинах кривые подпитки идут не параллельно оси абсцисс, а пересекаются в точках C1, С2 или С3 в зависимости от того, в каком соотношении находятся между собой э.д.с. еr и ек. Если, например, э.д.с. еr и ек скомпенсированы более или менее точно, т. е. число витков добавочных полюсов подобрано наилучшим образом, то кривые подпитки пересекутся в точке С1 на оси абсцисс и средняя линия этих кривых совпадает с осью абсцисс (рис. 6-15, а).
Если при работе машины без подпитки преобладает реактивная э.д.с. еr н, следовательно, коммутация носит замедленный характер, то нужно подпитывать добавочные полюсы в положительном направлении, усиливая создаваемое ими поле в зоне коммутации. В этом случае средняя линия кривой пойдет выше оси абсцисс в точку пересечения кривых С2 (рис. 6-15, б).
Наоборот, если преобладает э.д.с. ек, то нужно подпитывать добавочные полюсы в отрицательном направлении, ослабляя создаваемое ими поле. В этом случае средняя линия кривой подпитки пойдет ниже оси абсцисс к точке пересечения кривых С3 (рис. 6-15, в).
Сопоставляя между собой кривые на рис. 6-15, а, б и в, видим, что в первом случае машина может работать без искрения при больших перегрузках (отрезок OСк на рис. 6-15, а), чем во втором и третьем случаях (отрезки Od и Of на рис. 6-15, б и в), т. е. кривая на рис. 6-15,а является наиболее благоприятной.
Кривые подпитки позволяют определить наивыгоднейшее число витков добавочного полюса wД при заданной величине зазора под добавочным полюсом или наивыгоднейший размер этого зазора при заданном числе витков wд. Первый способ обычно применяется в машинах малой и средней мощности, второй — в машинах большой мощности с малым числом витков добавочного полюса.
Кроме того, кривые подпитки дают возможность предопределять в известных пределах условия коммутации при изменении режима работы машины.

Рис. 6-16. Кривые подпитки для генератора постоянного тока ХЭМЗ на 2000 кВт, 500 а, 4000 а, снятые для различных скоростей вращения машины

Рис. 6-13. Схема для снятия потенциальных кривых щетки и потенциальные кривые

Предположим, что при заданном токе нагрузки Ia скорость вращения машины n увеличилась. В этом случае э.д.с. еr и ek увеличиваются пропорционально скорости вращения и соответственно этому увеличиваются остаточная э.д.с. er+ек (см. рис. 6-3), и добавочный ток коммутации ik; в результате зона безыскровой работы суживается.
На рис. 6-16 представлены кривые подпитки, полученные Μ. П. Костенко для генератора постоянного тока завода ХЭМЗ на 2000 кВт, 500 в, 4000 а; кривые сняты для номинальной скорости вращения n=500 об/мин и для скорости, пониженной вдвое, т. е. для n=250 об/мин. Из сопоставления кривых видно, что в последнем случае зона безыскровой работы расширилась примерно вдвое по направлению обеих осей.

Рис. 6-17. Кривые подпитки машины постоянного тока 4,4 кВт, 1430 об/мин, 220 в, 24 а

Вторым существенным фактором, влияющим на коммутацию, является насыщение добавочных полюсов. В этом случае коммутирующая э.д.с. ек перестает расти пропорционально току Iа, и машина переходит в зону замедленной коммутации. Следовательно, для компенсации реактивной э.д.с. е, и получения безыскровой коммутации требуется больший ток подпитки, чем при малых нагрузках. Соответствующие кривые подпитки машины постоянного тока 4,4 кВт, 1430 об/мин, 220 в, 24 а показаны на рис. 6-17.