Содержание
Предыдущий § Следующий
4.3. Свойства щеточного контакта
Качество работы щеток на коллекторе в значительной степени определяет качество всей машины: ее надежность, стоимость ремонта и эксплуатационные расходы.
Конструкция и марки щеток. Современные щетки (рис. 4.11) представляют собой прямоугольные бруски из материала, содержащего графит, сажу, кокс и связующие вещества. В щетки некоторых сортов добавляется порошок меди или бронзы для уменьшения падения напряжения в них и в месте контакта. Такие медно-и бронзографитные щетки обычно применяются при работе на контактных кольцах, когда желательны малые потери и износ щеток и колец. Щетки, работающие на коллекторе машины постоянного тока, должны, кроме того, компенсировать погрешности коммутации, предотвращая появление опасного искрения на коллекторе. Чтобы щетки могли заметно влиять на процесс коммутации, падение напряжения в местах их контакта с коллектором должно быть достаточно высоким. Обычно в машинах постоянного тока применяют щетки с падением напряжения на пару щеток (положительную и отрицательную) 2Д£/= 1,5... 3,0 В, а падение напряжения на щетках, содержащих медь, примерно 0,2 В.
Увеличение потерь под щетками с большим переходным сопротивлением компенсируется тем, что они уменьшают искрение и эрозионный износ коллектора.
В табл. 4.1 приведены основные данные наиболее часто применяющихся щеток.
Медно-графитные щетки применяются в низковольтных (до 30 В) машинах постоянного тока с большим током: в автотракторных электрических машинах, для стартеров и зарядных генераторов.
Угольно-графитные щетки (типы Т2, Т6, УГ2 и др.) имеют падение напряжения 2Д£/ж2,0 В. Это довольно твердые и жесткие щетки, допускающие работу при скоростях на поверхности коллектора до 10... 15 м/с, при плотности тока до 7 А/см2. Эти щетки при-
|
Таблица 41 |
|||||||||
|
Марка щетки |
Твердость кгс мм2 |
Плотность тока АЫа |
Линейная скорость м/с |
Переходное падение нал ряжения на пару щеток В |
Давление на щетку кгс см2 |
Коэффициент трения, о е |
|||
|
гз |
7 |
19 |
12 |
60 |
0,6 |
1,4 |
0,2 |
0,25 |
0,3 |
|
Г21 |
20 |
60 |
5 |
30 |
32 |
5,5 |
0,15 |
0,25 |
0,22 |
|
Г22 |
17 |
55 |
10 |
30 |
2 |
2 |
0,4 |
0 25 |
|
|
611М |
5 |
12 |
12 |
40 |
0,6 |
1,6 |
0,2 |
0,25 |
0,3 |
|
ЭГ2А |
7 |
22 |
12 |
50 |
1,0 |
2,0 |
0,2 |
0,25 |
0,23 |
|
ЭГ2АФ |
5 |
22 |
15 |
90 |
1,1 |
2,1 |
0,15 |
0,2 |
0,23 |
|
ЭГ4 |
2 |
7 |
12 |
60 |
1,0 |
2,2 |
0,15 |
0,2 |
0,25 |
|
ЭГ8 |
8 |
35 |
11 |
45 |
1,2 |
2,0 |
0,2 |
0,4 |
0,25 |
|
ЭГ14 |
8 |
30 |
12 |
45 |
1,1 |
2,1 |
0,2 |
0,4 |
0,25 |
|
ЭГ51 |
17 |
55 |
13 |
60 |
1,0 |
2,1 |
0,2 |
0,25 |
0,22 |
|
ЭГ61 |
13 |
60 |
1,2 |
30 |
0,35 |
0,5 |
0,17 |
||
|
ЭГ71 |
6 |
14 |
12 |
45 |
1,3 |
2,3 |
02 |
0,25 |
0,3 |
|
ЭГ74 |
15 |
50 |
15 |
50 |
1,2 |
2,4 |
0,175 |
0,25 |
0,22 |
|
ЭГ74АФ |
20 |
50 |
15 |
60 |
1,0 |
2,0 |
0,15 |
0,2 |
0,22 |
|
ЭГ85 |
17 |
50 |
15 |
50 |
1,4 |
2,8 |
0,175 |
0,35 |
0,2 |
|
Ml |
8 |
25 |
25 |
33 |
1,0 |
1,9 |
0,15 |
0,2 |
0,25 |
|
МЗ |
7 |
18 |
15 |
45 |
1,4 |
2,2 |
0,15 |
0,2 |
0,25 |
|
Мб |
10 |
25 |
24 |
35 |
1,0 |
2,0 |
0,15 |
0,2 |
0,2 |
|
W20 |
8 |
25 |
15 |
45 |
1,0 |
1,8 |
0,15 |
0,2 |
0,26 |
|
МГ |
4 |
14 |
30 |
30 |
01 |
03 |
0,18 |
0.23 |
0,2 |
|
МГ2 |
4 |
18 |
28 |
30 |
0,3 |
0,7 |
0,18 |
0 23 |
0,2 |
|
МГ4 |
10 |
22 |
24 |
30 |
0,6 |
1,6 |
0,2 |
0,25 |
0,2 |
|
МГС5 |
6 |
15 |
24 |
35 |
0,7 |
1,9 |
0,20 |
0,25 |
0,22 |
|
МГСО |
6 |
20 |
30 |
30 |
0,08 |
0,35 |
0,20 |
0,25 |
0,25 |
меняются в тихоходных машинах небольшой мощности, имеющих напряженность коммутации средней степени
Твердые щетки некоторых марок, например Т2, рекомендуется применять при возможных загрязнениях коллектора, так как они способны очищать коллектор
Графитные щетки (типы Г1, Г2, ГЗ) сравнительно мягкие, хорошо прирабатываются к коллектору Они допускают повышенные скорость и плотность тока (до 12 А/см2) Эти щетки применяются в быстроходных машинах при сравнительно легких условиях коммутации
Электрографитированные щетки получили свое название оттого, что подвергаются графитации, т е нагреву в электропечах до температуры 2500 3000°С и длительной выдержке при этой температуре, благодаря чему уголь, кокс и сажа, входящие в заготовки, приобретают структуру графита Электрографитированные щетки обладают низким коэффициентом трения, хорошими коммутиру-
Ри_ 4 11 Конструкция щеток машин малой (а) и большой (б) мощности
ющими свойствами, износоустойчивы. Они бывают мягкие (ЭГ4), средней твердости (ЭГ2А), твердые (ЭПО).
Благодаря высокой износоустойчивости и широкому набору марок щеток с различными свойствами электрографитированные щетки постепенно вытесняют угольные и графитные.
Недостаток электрографитированных щеток — их высокая стоимость, обусловленная сложностью технологии (процесс графитации
длится до 3 месяцев).
Статические характеристики щеток. Кроме механических характеристик щетки— прочности, твердости, коэффициента трения и износоустойчивости — важно падение напряжения в щеточном контакте на пару щеток различной полярности — 2Д[/.
Типичные зависимости падения напряжения в щеточных контактах от плотности тока показаны на рис. 4.12, они называются статическими вольт-амперными характеристиками, так как снимаются в статическом режиме: щетка несколько часов прирабатывается к коллектору, а затем с помощью вольтметра и амперметра делается 6... 8 измерений при разном токе; в каждой измеряемой точке показания вольтметра снимаются после 3...4-минутной выдержки с неизменным током.
Вольт-амперная характеристика щетки напоминает кривую намагничивания; при плотностях тока более 2 А/см2 падение напряжения в щеточном контакте мало растет с ростом плотности тока, т. е. можно считать, что падение напряжения неизменно: 2Д£/да' «const. Такой своеобразный вид вольт-амперной характеристики объясняется по-разному. Наиболее распространена гипотеза, по которой в щеточном контакте имеется три типа проводимости (рис. 4.13). Средняя часть щетки / имеет непосредственный контакт с коллектором в нескольких точках, в каждой из которых очень большая плотность тока. Рядом с центральной зоной с обеих сторон находятся пылевые зоны 2, в которых ток проходит через мелкие частицы угольной пыли, забившейся в клиновидное пространство, образованное поверхностями коллектора и щетки. Третья зона— зона пробоя 3, где ток проходит через воздушный зазор, если этот зазор достаточно мал и имеется предварительное соприкосновение этих зон.
Рис. 4.12. Статические вольт-амперные характеристики щеток при d=15 м/с, р= =400 г/см2
Рис. 4.13. Щеточный контакт и зоны проводимости
При отсутствии искрения большая часть тока проходит через первые две зоны. Чем больше плотность тока, тем больше образуется мелких токопроводящих частиц, следовательно, с ростом тока сопротивление щеточного контакта падает, а падение напряжения растет незначительно. Так как процесс образования токопроводящих частиц является инерционным и зависит от температуры контактного слоя, необходимо при снятии вольт-амперной характеристики делать выдержку в 3... 4 мин с неизменной плотностью тока, перед тем как измерять падение напряжения.
Политура. При работе щеток на контактных кольцах или коллекторе образуется политура— тонкая глянцевая пленка, толщиной примерно 5-10~5 мм из оксидов меди СиО, Си2О (65%), графита (20...25%) и оксидов кремния, алюминия, железа и пр. * При наличии политуры улучшаются свойства щеточного контакта: резко уменьшается коэффициент трения, возрастает падение напряжения. Создание политуры на поверхности коллектора длится от 15... 20 мин до 2... 3 ч, в зависимости от сорта щетки и условий ее работы. У разных щеток различный цвет политуры: от темно-шоколадного до серо-зеленого.
В процессе работы машины слой политуры постепенно растет до определенной толщины, а потом частично сдирается щеткой и опять начинает расти. В соответствии с этим изменяется падение напряжения под щеткой: при толстой пленке политуры оно больше, при тонкой — меньше. Вследствие нестабильности толщины слоя политуры нестабильна и вольт-амперная характеристика щеток, что нашло свое отражение в ГОСТе — колебания переходного падения напряжения 2Д£/ для щеток одной марки допускаются в пределах 30... 40%.
Образование политуры на медном кольце и коллекторе происходит только, если через щетки проходит ток, мельчайшие частицы анодной щетки отделяются от нее и осаждаются на кольце, образуя темный полированный след. Это явление объясняют процессами электролиза под щетками **. Во всяком случае установлено, что при отсутствии паров воды обычные щетки политуру не образуют. Это характерно для работы на высоте более 2000 м над уровнем моря. В таких условиях износ щеток резко возрастает и срок их службы уменьшается в сотни раз. Поэтому на электрических машинах для самолетов ставят специальные щетки, пропитанные составом, который способствует созданию прочной пленки политуры.
* См.: Кунц И. С. Скользящий контакт электрических машин. М., 1948. ** См.: Мейер Р. К вопросу о работе скользящих контактов. ЦБТИ НИИЭП. М., 1960.
Оксид меди образуется в местах контакта при точечном искрении, когда температура превосходит 1000°С. Оксид меди образуется как под положительной, так и под отрицательной щеткой, тогда как отложение графита вследствие электролиза происходит только под положительной щеткой. При работе на коллекторе, где по одному следу идут щетки разной полярности, это не имеет большого значения. Однако на контактных кольцах, где на каждом кольце
Рис. 4.14. Осциллограмма падения напряжения под щеткой, при работе щетки на контактном кольце
стоят щетки только одной полярности, политура зависит от полярности щетки: под отрицательной щеткой политура получается матовой, рыхлой. Поэтому отрицательная щетка изнашивается быстрее, чем положительная.
Политура имеет сложный состав, неоднородна по строению. Особенно наглядно это видно на осциллограммах падения напряжения под щетками (рис. 4.14), снятых на тщательно отшлифованном кольце, после того как поверхность щетки шириной 40 мм и толщиной 10 мм хорошо приработалась к кольцу *.
Колебания падения напряжения под щетками. Они носят случайный характер. При скорости 15 м/с (рис. 4.14, а) и плотности тока /= 12 А/см2 под положительной щеткой марки ЭГ2А разница между максимальным и минимальным значениями падения напряжения составила 0,7 В, среднее значение падения напряжения 1,2 В. При повышении скорости до 30 м/с (рис. 4.14, б) разница увеличилась до 1,5 В, а среднее падение напряжения возросло незначительно. В опытах наблюдалась периодичность пиков высокой частоты на осциллограммах; период соответствовал одному оборо-
* См.: Хвостов В. С, Реморов А. А. Электрические свойства щелочного контакта при неравномерной плотности тока/Труды МИИТа. 1965. Вып. 205.
ту кольца. После нескольких минут работы картина пиков на осциллограмме изменялась, хотя периодичность оставалась прежней. Полностью удалить из кривой падения напряжения пики высокой частоты не удалось ни шлифовкой коллектора, ни снижением скорости до самой малой — примерно 1 м/с. Видимо, колебания переходного падения напряжения объясняются микронеровностями поверхности кольца и неоднородностью политуры.
Для каждого типа щетки имеется предельная максимальная скорость на поверхности кольца или коллектора. Так, например, при скорости более 55 м/с щетка типа ЭГ2А, работавшая на кольце, начинала сильно искрить. В осциллограмме падения напряжения появились всплески до 10... 12 В, которые указывали на то, что между щеткой и кольцом временами возникала электрическая дуга. При этом наблюдались поджоги на контактном кольце. Вероятно, искрение при больших скоростях возникает из-за механической вибрации щеток. Вибрация объясняется тем, что при предельной скорости щетки в некоторых местах кольца полностью разрушают пленку политуры. Поэтому щетка скользит то по поверхности, покрытой политурой, то по меди. При этом резко изменяется коэффициент трения, что и вызывает вибрацию щеток. Можно сравнить движение щетки по кольцу с нарушенной палитурой с движением конькобежца по льду, через который местами выступает асфальт.
Мягкая щетка ЭГ4 начинала искрить при скорости 60 ...62 м/с, а щетка марки ЭГ74 * — при скорости на поверхности коллектора 40 ...42 м/с. При повышении скорости до 90 м/с интенсивность искрения монотонно возрастает.
Износ щеток. Режимы повышенных скоростей на поверхности коллектора, превышающих критические скорости для выбранных сортов щеток, совершенно недопустимы, так как вызывают очень быстрый износ коллектора и щеток.
В ГОСТе на щетки указывается их износ, измеренный при работе щеток на кольце при номинальных плотности тока и скорости. Можно считать, что износ щеток прямо пропорционален плотности тока. Это объясняется тем, что с увеличением плотности тока возрастает число контактных точек под щеткой, в каждой из которых происходит эрозия щетки, сопровождающаяся отделением от щетки мелких частиц графита.
Однако при полном отсутствии тока через щетки их коэффициент трения резко возрастает: при выключении тока щетки начинают скрипеть, если якорь машины продолжает вращаться. Это явление можно объяснить тем, что при отсутствии тока прекращается образование мелких частиц графита, играющих роль смазки.
Износ щеток в эксплуатации зависит не столько от плотности тока в щеточном контакте, сколько от качества коммутации машины. При искрении щеток происходит их быстрое разрушение. В этом
* Одна из ранних модификаций этой марки, имевшая неоднородную структуру.
легко убедиться, если перед сбегающим краем искрящей щетки поставить лист плотной белой бумаги: скоро на нем будут отчетливо видны частицы графита, а через 10... 15 мин бумага станет совершенно черной
Износ щеток на машинах с хорошей коммутацией составляет 0,5. . 1,0 мм за 1000 ч работы.
При сильном искрении машины быстро подгорают пластины коллектора, что способствует вибрации щетки, и интенсивность искре-
Рис. 4.15. Осциллограмма падения напряжения под щеткой при прохождении через нее синусоидального тока с частотой /=1000 Гц
Рис. 4.16. Статическая и динамическая характеристики щеточного контакта
ния с течением времени прогрессирует. В таких случаях иногда ставят щетки, имеющие абразивные присадки (ЭГ61, ЭГ83), которые предотвращают деформацию коллектора. Конечно, на машины с хорошей коммутацией такие щетки ставить не рекомендуется, так как они увеличат износ коллектора.
Динамические характеристики щеток. Несмотря на то что падение напряжения под щеткой даже при умеренных скоростях носит случайный характер, можно утверждать, что в заключительной фазе коммутации, когда площадь соприкосновения щетки с коллекторной пластиной уменьшается и плотность тока возрастает, падение напряжения под щеткой увеличивается. Это положение подтверждается осциллограммой напряжения на щетке, установленной на кольце, при пропускании через нее синусоидального переменного тока с частотой 1000 Гц (рис. 4.15). Кривая падения напряжения представляет собой синусоиду, на которую накладываются высокочастотные составляющие, обусловленные микронеровностями коллектора и неоднородностью политуры.
Были проведены многочисленные опыты по измерению среднего значения переменной составляющей падения напряжения при наложении синусоидального тока на постоянный. Статистическая обработка результатов позволила установить, что при быстром изменении тока среднее значение удельного сопротивления щетки может
быть приближенно определено по статической вольт-амперной характеристике
где /эф=/=+/~ —эффективная плотность тока, равная сумме постоянной и переменной составляющих (рис. 4.16). Усредненное сопротивление щеточного контакта
где q — площадь соприкосновения щетки с коллекторной пластиной.
Обычно к концу периода коммутации сопротивление щеточного контакта возрастает по мере уменьшения поверхности соприкосновения щетки с пластиной. Это способствует улучшению коммутации, как указывалось выше (см. рис. 4.5, б).
Для характеристики разброса значений удельных переходных сопротивлений введем коэффициент разброса
Значения разброса, подсчитанные по осциллограммам падения напряжения на кольце для щеток ЭГ2А, ЭГ4 и ЭГ74, приведены в табл. 4.2. Таблица 4.2
|
Марка щетки |
ЭГ4 |
ЭГ2А |
ЭГ74 |
|||
|
Скорость, м/с |
30 |
55 |
30 |
55 |
30 |
55 |
|
Коэффициент разброса, о. е. |
1,14 |
1,74 |
0,91 |
1,63 |
0,81 |
3,54 |
|
Удельное сопротивление, Ом-см2 |
0,044 |
0,046 |
0,087 |
0,073 |
0,074 |
0,11 |
Из табл. 4.2 видно, что коэффициент разброса растет с увеличением скорости и говорить о среднем удельном сопротивлении можно только при средних скоростях на поверхности коллектора.
При работе щетки на закороченном коллекторе нестабильность характеристик щеточного контакта ощущается более резко и коэффициент разброса растет. Например, при аналогичных условиях у щетки ЭГ2А коэффициент разброса на коллекторе примерно в 1,5 раза больше, чем при работе на кольце.
При вычислении сопротивления щетки по формуле гщ=р/<7, при любом значении р сопротивление щетки к концу коммутации становится бесконечно большим, так как q уменьшается до нуля.
При таком формальном подходе ток между щеткой и пластиной, выходящей из-под нее к концу коммутации, становится равным нулю и, следовательно, искрение возникнуть не может. Эта методоло-
гическая ошибка весьма распространена в литературе (например, у Р. Рихтера и Л. Дрейфуса). На самом деле при увеличении плотности тока под сбегающим краем щетки возникает электрическая дуга при напряжении 10... 12 В и в этом случае уже нельзя говорить ни об усредненном сопротивлении щеточного контакта, ни о его мгновенном значении.
Свойства щеток на завершающем этапе коммутации. Опыты по определению свойств щетки на завершающем этапе коммутации
Рис. 4.17. Схема установки для исследования свойств щетки: о — при замедленной коммутации, б — при ускоренной коммутации
проводились на специальной установке (рис. 4.17)*. Пластины коллектора, приводимого во вращение специальным двигателем, были разбиты на две группы, так что ток от испытуемой щетки проходил попеременно то через одну, то через другую группу пластин. Ток к щетке и коллектору подводился от источника постоянного тока через большие активное и индуктивное сопротивления, чтобы исключить изменение общего тока из-за влияния переходного контакта щеток. Таким образом, при коммутации соблюдалось условие t1-fi2=/=const, как и в реальной машине при недокоммутации. В цепь одной из групп пластин коллектора включалась индуктивность L. Вследствие этого при вращении коллектора размыкание цепи с индуктивностью сопровождалось разрядом электромагнитной энергии, накопленной в поле индуктивности №=0,5 LP. Условия работы щетки в этом опыте сходны с условиями работы щеток в реальной машине при замедленной коммутации.
На рис. 4.18 приведены характерная осциллограмма тока через коллекторную пластину, выходящую из-под щетки (снятая по схеме рис. 4.17, а), и напряжения между ними. При выходе пластины из-под щетки ток через эту пластину снижается с / до /0 под действием возрастающего сопротивления щетки. Затем резко возрастает напряжение под щеткой до 10... 12 В, т. е. начинается горение ду-
* См : Хвостов В. С. Качество коммутации и выбор плотности тока под щет-ками//Электротехника 1965. № 10.
ги. Это напряжение меняется очень мало, в связи с чем ток изменяется от значения /ОСт до нуля линейно (с постоянной скоростью) в соответствии с дифференциальным уравнением
ид-1гЬсН/сН=0; di/dt=-ualL=const, (4.58)
где ид — напряжение на дуге.
Аналогичные осциллограммы были получены при осциллографи-ровании тока секций специально препарированных машин учеными Л. Л. Лавриновичем, Н. В. Волошиным, В. Н. Безрученко.
Коммутирующие свойства щетки проявлялись в том, что к моменту возникновения дуги значение тока снижалось от / до /ОСт.
Сколько-нибудь значительное искрение под щеткой наблюдалось только при наличии дуговых разрядов. Интенсивность искрения зависела от тока в дуге, длительности горения дуги и угловой скорости, а также от осевой длины щетки.
Статистическая обработка осциллограмм и результата наблюдений показала, что интенсивность искрения, определяемая визуально и по износу щеток, зависит от средней мощности дугового разряда, приходящейся на единицу осевой длины щетки.
Указанную закономерность можно объяснять следующим образом.
При выходе коллекторной пластины из-под щетки дуга загорается в одной из последних точек соприкосновения, у которой оказались наиболее благоприятные условия для горения дуги (наибольшая температура и т. п.). В этой точке выделяется импульс энергии Wn и происходит эрозионное разрушение, вследствие чего точка перестает быть «последней». Следующая дуга возникает в другом месте и разрушает другую «последнюю точку» и т. д. Вследствие этого дуги возникают последовательно, одна за другой, по всей длине края щетки и наблюдатель видит искрение под всей щеткой. Чем короче щетка, тем интенсивнее эрозионный износ и ярче искрение, так как электрические дуги возникают на меньшей длине, а их число определяется числом искрящих пластин, выходящих из-под щетки в единицу времени.
Если считать яркость дуги и эрозионный износ за одну вспышку прямо зависящими от энергии вспышки №и, то эрозионный износ 1 см края щетки, так же как и интенсивность свечения, прямо зависит от средней удельной мощности разрядов:
Рис. 4.18. Осциллограмма тока и напряжения на завершающем этапе коммутации
Связь между средней удельной мощностью и интенсивностью искрения в баллах ГОСТа приведена в табл. 4.3.
Таблица 4.3
|
Степень искрения |
Вт/см |
Характеристика степени искрения |
Состояние коллектора и щеток |
|
1 |
0... 0,25 |
Отсутствие искрения |
— |
|
VI* |
0,25... 1,00 |
Слабое точечное искрение |
Отсутствие почернения коллектора и нагара на щетках |
|
I'/s |
1,00 ...2,0 |
Слабое искрение под большей частью щеток |
Появление следов почернения на коллекторе, легко устраняемых протиранием поверхности коллектора бензином, а также следов нагара на щетках |
|
2 |
2,0... 5,0 |
Искрение под всем краем щетки. Допускается только при кратковременных толчках нагрузки и перегрузках |
Появление следов почернения на коллекторе, не устраняемых протиранием поверхности коллектора бензином, а также следов нагара на щетках |
|
3 |
>5,0 |
Значительное искрение под всем краем щетки с наличием крупных и вылетающих искр. Допускается только для моментов прямого (без эеостатных ступеней) включения или реверси-эования машин, если при этом коллектор и щетки остаются в состоянии, пригодном для дальнейшей работы |
Значительное почернение на коллекторе, не устраняемое протиранием коллектора, а также подгар и разрушение щеток |
Интенсивность износа щеток, работающих на коллекторе, в большей мере определяется степенью искрения, чем другими факторами. Для двигателей с хорошей коммутацией износ составляет 0,5... 1,0 мм за 1000 ч работы; в машинах с напряженной коммутацией он достигает 3,0... 5,0 мм, т. е. возрастает почти в 10 раз.
В описанных опытах, имитирующих замедленную коммутацию, не вся энергия W=0,5LI2, запасенная катушкой индуктивности, выделялась в электрической дуге, а только ее часть Wn=0,5LIo2. Следовательно, часть энергии импульса AW=W—Ww рассеивалась щеткой до возникновения дуги, т. е. без искрения. В соответствии с этим и удельная мощность Рул, выделяющаяся в дуге под краем
щетки, меньше, чем она была бы без учета коммутирующих свойств щетки:
Опыты показали, что при расстройстве коммутации, характеризуемой /"уд^0,5... 1,0 Вт/см, вся запасенная электромагнитная энергия рассеивается щеткой и никакого видимого на глаз искрения под краем щетки нет. При Р'уд> 1,0 Вт/см появляется искрение, интенсивность которого зависит от значения Руд и в баллах ГОСТа ее приближенно можно оценить по табл. 4.3.
Рис. 4 19. Характеристика зависимости между мощностью, накопленной секцией энергии, и мощностью, выделившейся в дуговом разряде под щеткой ЭГ2А
Испытания электрографитирован-ных щеток ЭГ2А, ЭГ74 и EG дали примерно одинаковые результаты и по зависимости интенсивности искрения от удельной мощности, и по коммутирующей способности щеток.
На рис. 4.19 для примера показана связь между накопленной мощностью и мощностью, которая выделяется в дуге при опытах с щеткой ЭГ2А. Разница АРуд = Р'уд—Руд показывает, какая часть энергии рассеивается щеткой, не образуя дуги. Из рис. 4.19 видно, что влияние сопротивления щетки тем больше, чем сильнее расстройство коммутации. Можно считать, что при недокоммутации примерно '/3 энергии рассеивается в щеточном контакте без искрения, а % — выделяются в электрической дуге.
В опытах индуктивность менялась от 6 до 30 мкГн, ток / — от 6 до 45 А, скорость на поверхности коллектора — от 10 до 45 м/с.
При ускоренной коммутации в течение какого-то промежутка времени в короткозамкнутой секции возникает ток под действием ЭДС ек от внешнего поля. Этот процесс имитировался на установке, схема 'которой представлена на рис. 4.17, б. Для интервала времени, когда щетка перекрывает две коллекторные пластины, справедливо уравнение
е=irx -f ir2 + Ldildt, (4.60)
такое же, как и для заключительного этапа коммутации секции машины, при ускоренной коммутации.
На рис. 4.20, а приведены типичные осциллограммы тока и напряжения при сравнительно небольшом значении ЭДС Е. Ток сначала увеличивается, достигает максимума, а затем уменьшается. В момент возникновения дуги (начало отрезка с неизменным напряжением примерно 10... 12 В) ток, разрываемый щеткой, значительно меньше амплитудного. Обычно такая картина имела место
133
такое же, как и для заключительного этапа коммутации секции машины, при ускоренной коммутации.
На рис. 4.20, а приведены типичные осциллограммы тока и напряжения при сравнительно небольшом значении ЭДС Е. Ток сначала увеличивается, достигает максимума, а затем уменьшается. В момент возникновения дуги (начало отрезка с неизменным напряжением примерно 10... 12 В) ток, разрываемый щеткой, значительно меньше амплитудного. Обычно такая картина имела место
при £ = 3,5 В и менее; искрение щеток при этом незначительно. При £>4...5 В характер осциллограммы меняется: ток секции нарастает прямолинейно до момента возникновения дуги (рис. 4.20, б), после чего прямолинейно уменьшается до нуля. При таком виде осциллограмм под щетками наблюдалось заметное искрение: 1'Д по баллам ГОСТа и выше, в зависимости от удельной мощности, выделяемой в дуге под краем щетки. Для этого случая
ток под щеткой
i^(E-2AU)t/L, (4.61)
где 2А(У — падение напряжения под парой щеток.
Для щетки марки ЭГ2А по данным, полученным в результате обработки осциллограмм, падение напряжения составило 2,5 В, т. е. весьма близко к значению, даваемому статической характеристикой щетки.
Таким образом, при перекоммутации коммутирующие свойства щетки определяются, главным образом, падением напряжения под щетками 2Д(/.
При перекоммутации в заключительной фазе коммутации также сказывается влияние сопротивления щеточного контакта: разрываемый щеткой ток /о на 20...30% меньше максимального значения, определяемого в соответствии с формулой (4.61):
Iaax=(E-2\U)M/L. (4.62)
Интенсивность искрения под щетками при перекоммутации, так же как и при недокоммутации, зависит от удельной мощности, выделяющейся в дуговом разряде под краем щетки. Энергия импульса при перекоммутации определялась по формуле
так как напряжение на дуге Uo почти постоянно, а ток в дуге изменяется практически прямолинейно от /0 до 0. Энергия импульса при перекоммутации Wa больше, чем энергия, накопленная в индуктивности секции №„' = 0,5 L/o2, так как при горении дуги в ее контуре продолжает существовать коммутирующая ЭДС ек.
Для описанных опытов ек = £ = const и для контура секции при горении дуги
EK^Ud-\-Ldi/dt, (4.64)
из которого следует i=C—[(Ug—E)/L]t. Учитывая, что i—/0 при /=0, определяем
i = I0-[(Ud-E)/L\t,
Рис. 4.20. Осциллограммы тока и напряжения при ускоренной коммутации:
а — при малом значении ек, б — при большом значении ек
откуда, в предположении i=0, время горения дуги
td = LIJ(Ud-E). Подставив найденное значение 4а в (4.63), получим
Таким образом, чем ближе Е к Uo, тем (большая энергия выделится в дуге при одном и том же значении накопленной энергии. Аналогично при недокоммутации для реальной машины
т. е. при недокоммутации энергия импульса в дуге из-за наличия ЭДС ек уменьшается *.
 |
|
|
|