直流电机的换向性能测定与调整
饶箭星
(中国葛洲坝集团机械船舶有限公司,湖北宜昌 443007)
摘要 叙述了如何对直流电机进行换向性能的测定,依据测定结果对直流电机进行调整,从而获取良好换向性能的方法。
关键词 换向火花;换向性能;试验;测定;调整
中图分类号 TQ05 文献标识码 B 文章编号 1003-3467(2010)22-0057-03
1 概述
直流电机在化工行业广泛地应用,特别是在化工生产流体传输和液体搅拌中起着很重要的作用。直流电机运行产生的有害火花直接威胁着生产中的安全和电机的可靠运行,有害火花是指电机运行的过程中引起电刷或换向器异常磨损(即电刷的磨损超过0.006~0.008mm/h,换向器的磨损超过0.5 !10-4~0.1!10-3mm/h)或引起对电刷或换向器灼伤的换向火花。换向火花产生的原因是多种多样的,必须在众多的因素中找到主要原因,方能排除故障,改善换向。本文从换向性能测定及调整入手,介绍获取良好换向性能的一些方法及手段。
2 换向性能及无火花区域的测定
2.1 直流电机转换性能的测定方法
2.1.1 测量电刷刷边电压降法
用直流电压表测量电刷辫子线和电刷滑入端至滑出端与换向器接触面(图1所示位置1、2、3、4)间的电压降。然后依据所测的电刷压降曲线(见图2)进行换向调整。测定时,直流电压表采用低量程,一般用0~3V档为适宜档位,因为一只电刷的压降一般都在2V以下。由于电机处于额定转速运行状态下,为了不损伤换向器,电压表接至换向器的探头最好用铅笔芯。
2.1.2 卡西扬诺夫法
在被试电机的换向极绕组上(
如有补偿绕组的
图1
电刷刷边压降的测量
图2 电刷的刷边压降曲线
电机则在换向级和补偿绕组上)并联一个附加电源,用调节附加电流的大小和方向来测定电机的无火花区域。
2.1.3 示波图法
采用适当的检测元件,将换向极磁通随电枢电流间的关系直接由示波器显示出来,然后依据两者关系进行换向调整。
收稿日期:2010-10-31
作者简介:饶箭星(1959-),男,工程师,主要从事化工生产管理工作,电话:139********。
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目前较多的工厂是采用卡西扬诺夫法。对可控
硅电源供电的直流电机的换向性能测定,也可以采用示波图法或刷边压降法;对于动态下的换向性能的测定则采用刷边压降法。以下均是以卡西扬诺夫法为基础而进行的叙述。2.2 无火花换向区域的测定
这是评定直流电机换向性能的一项重要指标。按国标规定,对每台作型式试验的电机必须进行此项目的试验。试验时,通常是使被试电机在额定转速、接近额定电压下运转,在换向极和补偿绕组上并联一附加电源,见图3
。
图3 无火花换向区域测定接线图
当然也可以将换向极、补偿绕组从电枢回路中分开,用单独的直流电源对换向极、补偿绕组供电,然后测定不同负载电流I a 下保持无火花运行状态时,附加电流#I 的上、下限值,可绘制出图4所示
的曲线。
图4 无火花换向区域测定步骤示意图
试验最好从被试电机空载开始,逐渐改变流入
或流出换向极绕组的附加电流的大小和方向(见图4中所示箭头),直到在被试电机的电刷下刚出现火花为止。通常以流入换向极绕组的附加电流方向与
电枢电流相同为正,相反为负。
3 换向的调整
所谓换向的调整包括两种含义。?依据换向试验的结果,借助于调整换向极气隙、换向极绕组的匝数使无火花区域的上下限值的平均中心线与横轴重
合(见图5)。%当无火花区域的上下限值曲线的交点落在额定电流I n 以内的范围时,须通过其他手段(如调换电刷、车削换向器外圆、采用特殊换向极气隙垫片、并联分流电感、电阻等)使电机的换向火花限制在允许的范围内,即控制在无害火花范围内。
图5 无火花换向区域平均中心线
3.1 调整换向极气隙的计算公式
对已制造完毕的电机换向调整时,一般不采用改变换向极绕组匝数的办法,而采取调整换向极气隙的办法,调整时,依据换向试验中所测得的无火花换向区域的数据计算调整后的换向极气隙。
=( 1+ 2)!K & I k /I n
I k =( I 1+ I 2)/2
式中: 1,被试电机换向极第一气隙,mm; 2,被试电机换向极第二气隙,mm;K ,系数,对叠片机座电机,K 取3及以下;大型电机,K 取5或以上;中型电机,K 取4~5;小型电机,K 取3~4; I 1,无火花换向区域的上限,A; I 2,无火花换向区域的下限,A;I n ,被试电机的额定电流,A 。3.2 其它的调整手段
以调整合适电刷、移动刷架位置、调整换向极气隙、车削换向器外圆、调整刷盒、电刷压力、刷架等分以及气隙垫片的材料、形状,在换向极绕组上并联电
感或电阻等最为常见。
4 常见有害火花的调整
4.1 机械火花的调整
机械火花的颜色多数是红色的,大部分是由于电刷与换向器接触不良引起。例如换向片凸起、偏
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心、表面粗糙、电刷研磨不好、与换向器的接触面小(小于70%)、电刷与刷盒的配合公差控制不好,致使电刷不能在刷盒内自由移动。电机运行时,由于上述机械原因使电刷或换向器的磨损加快,一部分碳粉在电机换向时被电刷短路电流加热而发出红色或白色的光。
调整的方法有车削换向器外圆、重新研磨电刷、调整电刷与刷盒的配合公差使前者能自由移动。当采用上述方法尚不能解决时,或时间不长又产生有害火花时,往往是由于周围环境中含有污染物或有害气体,例如纤维粉末、灰尘、二氧化硫等。此时除了解决环境污染,改进通风方式,增加空气过滤外,还可以更换材质软一点的电刷,以改善电刷与换向器的滑动接触。
4.2 空载火花的调整
电机空载运行时,有时也会发现电刷下有比较强烈的火花。一般是由于电刷与换向器的接触面太小、换向器严重偏心、凸片、电刷的中性位置偏离了主极的几何中心线。这些情况下,一般只要分别采取研磨电刷、对换向器车削外圆、拉槽、倒角、重校电刷中性位置即可。然而有些调速电机、大容量发电机、高速励磁机、牵引电机等有时也会因主极磁场严重干扰换向极磁场而发生空载火花。在此种情况下,可以减小电刷的宽度,如不是正、反都运行的话,也可以借助于移动电刷架位置、放大主极气隙来调整空载火花。
4.3 负载火花的调整
电机空载运行时没有火花,但随着负载的增加,火花越来越大。这种现象常常是由于换向极绕组的极性接反或电枢绕组嵌反而引起的。消除的办法是把换向极绕组接至刷架的两根引线对调一下即可。当然换向极气隙偏大、偏小以及换向极绕组、主极绕组、补偿绕组、电枢绕组局部短路也会发生上述现象,只要分别检查,即可一一排除。此外,电机震动大、电枢绕组开路、换向器片短路都会引起负载火花的增大。遇到这类情况时,电机需要进行修理,以排除故障。
4.4 过载火花的调整
电机额定负载时电刷下的火花还可以,可是随着负载继续增大,电刷下的火花急剧恶化,甚至会发生飞弧或环火。这类情况,一般是因电机换向极磁路比较饱和所引起的,当负载电流增大时,换向极磁通增加不多,跟不上负载电流的变化。解决的办法是放宽换向极铁芯的截面、增大换向极第二气隙、增加主极的励磁电流,从而提高电机的端电压而降低电机的负载电流,以满足输出功率的要求。此时电压的增加幅值以控制在1.5倍以下为宜。
4.5 可控硅电源供电的电动机换向火花的调整
可控硅电源供电的电动机换向火花产生的原因及其调整有以下两种情况:?电源中含有谐波分量,随着电流脉动率的增大,在电枢绕组中(特别是励磁强、倍数比较高的大中型电机)将产生阻抗电势(分压电抗电势)和变压器电势。这类火花,可以用在电枢回路中串接电抗器、增加整流器相数以及减小电刷的宽度等措施来调整。%电流上升速率快,造成动态火花大。对起动和制动比较频繁的电机,采用可控硅电源供电后,电流上升快,有时每秒可达到200倍额定电流。这就使换向极磁通远远跟不上电枢电流变化的速度,造成换向火花恶化。
解决这类火花,目前可行的措施是采用迭片机座和迭片铁芯结构的电机。但若使用的工况中对电流上升速度无要求或要求不高的话,可采用特殊材料和结构的换向极气隙垫片(如合金材料、开槽的垫片)和放大换向极第二气隙等措施来调整。
4.6 动态换向火花的调整
所谓动态,是指电机在急剧变化着的负载下运行的状态下,如电铲电机、轧钢电机的起动、制动、高速励磁机主、备励倒换、牵引电机的分、合闸等。这种运行状态下的换向火花调整,基本方法是在换向极绕组上并联电阻或电感线圈,以调节换向极绕组的时间常数。当然采用迭片机座和迭片换向极铁芯的结构是最理想的。
对电流变化速率不快的电机,如电铲电机则可采用削弱换向极的措施,这样即可解决动态换向火花,又可提高电动机低速过载转矩。
5 结束语
总而言之,对不同类型的电机,应根据其具体工况兼顾换向火花与特性,采取相应的措施,才能收到较好的效果。前述的直流电机换向火花的调整方法只是众多方法中较有代表性的方法,至于各类直流电机具体的换向性能的测定和换向调整,要根据不同情况采用不同的解决方法,本文不再一一列举。
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