§ 8.6. ВОЗНИКНОВЕНИЕ КРУГОВОГО ОГНЯ НА КОЛЛЕКТОРЕ

Причины возникновения кругового огня. 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 пластинами. В эксплуатации изоляционные промежутки между смежными коллекторными пластинами перекрывается угольной пылью и осколками щеток, которые могут замыкать между собой пластины, образуя «мостики».

В машинах малой мощности, у которых секции обмотки якоря имеют довольно большое активное сопротивление И индуктивность, мостики сгорают при небольшом токе, и явление кругового огня протекает сравнительно безвредно. В этом случае на коллекторе наблюдается небольшое искрение, которой иногда называют потенциальным искрением, так как оно обусловлено повышенной разностью потенциалов между пластинами коллектора. При большем токе 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 машинах большой мощности, а также в машинах средней и малой мощностей с высокими значениями напряжения между коллекторными пластинами круговой огонь представляет собой мощную электрическую дугу на коллекторе. 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. п., т. е. выводит машину из строя.

Очень часто круговой огонь возникает внезапно, что сильно затрудняло изучение его природы. 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, при которых возникновение кругового огня наблюдалось в генераторах, работающих в режиме холостого хода, без щеток, т. е. в условиях, когда не может быть искрения под щетками. С помощью скоростной киносъемки было установлено, что в машинах большой мощности круговой огонь развивается из единичной вспышки между смежными коллекторными пластинами, возникающей в результате замыкания изоляции между пластинами, вызванного угольной пылью, осколками щеток или медными заусенцами.

Превращение единичной вспышки в круговой огонь происходит в несколько этапов (рис. 8.26). Сначала из-за наличия мостика между смежными пластинами а и b возникает первичная короткая дуга. Ток в дуге быстро увеличивается и пространство над коллектором ионизируется, т. е. заполняется раскаленными светящимися парами меди. По мере перемещения короткой дуги вместе с коллектором, все большее пространство становится ионизированным. В результате 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.

Способы предотвращения кругового огня. Для уменьшения вероятности возникновения кругового огня необходимо снижать максимальное напряжение между смежными коллекторными пластинами. На рис. 8.26, б приведены предельные значения этих напряжений (при различной толщине Δиз изоляции между коллекторными пластинами), которые не следует превышать в эксплуатации. Эти данные являются среднестатическими и, конечно, должны уточняться для каждой конкретной машины по результатам эксплуатации.

Для уменьшения максимального напряжения между смежными коллекторными пластинами в крупных машинах используют обмотки якоря с одновитковыми секциями (wc = 1), снижают среднее напряжение между коллекторными пластинами до 15 — 18 В (при этом соответственно ограничивают активную

Рис.   8.26.   Схема   возникновения   кругового   огня   на   коллекторе И зависимость  предельно   допустимых  напряжений   Uкmах  от  коллекторного деления tк : 1 — первичная дуга при замыкании смежных коллекторных пластин;  2— газы и пары меди; 3 — мощная дуга

Рис. 8.27. Принципиальная схема (а) и схема расположения в машине (б) компенсационной обмотки: 1 — главный полюс;  2 — обмотка  возбуждения;  3 — компенсационная обмотка;    4 — добавочный   полюс;   5 — обмотка   добавочного   полюса;   6 — якорь

длину якоря) и принимают меры для уменьшения искажающего действия реакции якоря, т. е. индукции Вmах . Наиболее просто можно уменьшить Вmах , увеличив воздушный зазор, поэтому машины постоянного тока обычно выполняют со сравнительно большим воздушным зазором, чем синхронные в асинхронные. Однако увеличение воздушного зазора требует соответствующего повышения МДС обмотки возбуждений (для создания необходимого магнитного потока), что приводит к увеличению размеров статора и всей машины.

Более выгодно применить воздушный зазор, минимальный под серединой полюса и расширяющийся к краям, где возрастает МДС якоря. При этом магнитное сопротивление для потока главных полюсов увеличивается в меньшей степени, чем для потока, создаваемого поперечной реакцией якоря.Следовательно, расширяющийся зазор требует меньшего повышения МДС обмотки возбуждения, чем равномерный.

Еще более кардинальной мерой является применение компенсационной обмотки (рис. 8.27), которую располагают в пазах главных полюсов и соединяют последовательно с обмоткой якоря. Компенсационную обмотку включают таким образом, чтобы образуемая ею МДС Fк была направлена встречно МДС якоря Faq и компенсировала ее действие. При Fк = Faq МДС якоря практически не искажает магнитное поле в воздушном зазоре. Компенсационная обмотка существенно усложняет конструкцию машины, поэтому ее применяют только в машинах средней и большой мощности, работающих в тяжелых уcловиях (частые пуски, толчки тока нагрузки, перегрузки по току и т. п.). Компенсационную обмотку применяют также в тех случаях, когда машина проектируется при жестких габаритных ограничениях, так как эта обмотка позволяет уменьшить воздушный зазор, а следовательно, и размеры обмотки возбуждения.