Іскріння щіток — одна з найпомітніших ознак несправності колекторної електричної машини. Воно може виникати в двигунах постійного струму, генераторах, універсальних двигунах, а також у машинах з контактними кільцями — фазних роторах і синхронних машинах зі збудженням через щітки.
Незначне рівномірне іскріння іноді допускається конструкцією та режимом роботи конкретної машини. Проте сильне, нестабільне або локальне іскріння не є нормою — воно призводить до підгоряння колектора чи контактних кілець, прискореного зношення щіток, перегрівання щіткотримачів, пошкодження обмоток і виникнення кругового вогню.
Іскріння не завжди означає, що потрібно просто замінити щітки. Причиною може бути неправильне положення щіткової траверси, дефект колектора, порушення комутації, перевантаження, міжвиткове замикання якоря, несправність додаткових полюсів або механічна вібрація — тому діагностика повинна охоплювати весь щітково-колекторний вузол, якір, магнітну систему, підшипники, навантаження та джерело живлення.
Щітка забезпечує електричний контакт між нерухомою частиною машини та обертовим колектором чи контактним кільцем. Щітки виготовляють з електрографіту, графіту, вуглецево-графітних або металографітних матеріалів, підібраних під конкретну напругу, струм і швидкість машини.
Щітка притискається до колектора пружиною, і під час обертання між нею та поверхнею утворюється ковзний електричний контакт, який повинен одночасно забезпечувати стабільне проходження струму, мінімальне іскріння, допустиме нагрівання, рівномірне зношення та формування правильної робочої плівки.
Колектор складається з окремих мідних пластин, ізольованих одна від одної; кожна з’єднана з відповідною секцією обмотки якоря. Під час обертання щітка переходить з однієї пластини на іншу і в цей момент короткочасно замикає секцію обмотки.
У цій секції струм повинен послідовно:
Цей процес називають комутацією. Якщо струм не встигає змінитися до моменту виходу пластини з-під щітки, між краєм щітки та ламеллю виникає електрична дуга. Чим більша невідповідність між фактичним процесом комутації та необхідною зміною струму, тим сильніше іскріння.
Не завжди. Слабке рівномірне точкове іскріння без поширення по колектору може бути допустимим для конкретної конструкції — наприклад під час короткочасного перевантаження, різкої зміни навантаження, реверсування чи пуску тягового двигуна.
Іскріння слід вважати небезпечним, якщо воно:
| Характер іскріння | Ймовірна причина | Що перевірити |
|---|---|---|
| Слабке рівномірне по всіх щітках | Притирання, режим навантаження | Площу контакту, струм, документацію |
| Сильне під усіма щітками | Перевантаження, зміщення нейтралі | Струм, траверсу, додаткові полюси |
| Лише під однією щіткою | Тиск, заклинювання, вивід | Щіткотримач, пружину, гнучкий провід |
| Повторюється раз за оберт | Дефект ламелі або секції | Колектор, пайку, обмотку якоря |
| Лише під навантаженням | Реакція якоря, перевантаження | Додаткові полюси, компенсацію, струм |
| Після заміни щіток | Неправильна марка або притирка | Марку, контактну площу, тиск |
| Після проточування колектора | Биття, шорсткість, виступання слюди | Геометрію, продорожування |
| Разом із сильною вібрацією | Дисбаланс, підшипники, вал | Вібрацію, биття, підшипники |
| На контактних кільцях | Забруднення, тиск, асиметрія струму | Кільця, щітки, фази ротора |
| Яскраві дуги між щітковими зонами | Круговий вогонь | Негайне відключення та дефектація |
Щітку підбирають не лише за розміром, а й за електричним опором, допустимою щільністю струму, твердістю, коефіцієнтом тертя та здатністю забезпечувати комутацію. Марка, яка фізично підходить, але не відповідає електричним характеристикам машини, спричиняє сильне іскріння, прискорене зношення та пошкодження колектора.
Щітки різних марок мають різний опір, твердість і здатність формувати робочу плівку, тому струм між паралельними щітками розподіляється нерівномірно — одні перевантажуються й іскрять, інші майже не проводять струм.
Контакт лише на невеликій площі підвищує щільність струму в цій зоні, спричиняє локальний нагрів, іскріння та обгорання країв щітки. Після правильної притирки робоча поверхня повинна максимально рівномірно прилягати до колектора.
При слабкому тиску щітка втрачає стабільний контакт, підстрибує та іскрить; при надмірному тиску зростають тертя, нагрів і зношення. Тиск усіх щіток однієї полярності повинен бути приблизно однаковим і перевірятися вимірюванням, а не рукою.
Забруднення, деформація щіткотримача чи неправильний розмір щітки заважають їй вільно переміщуватися й компенсувати биття колектора. Якщо щітка зависає, пружина перестає підтримувати контакт, і виникають дуга та локальний прогар.
Порушення кута встановлення чи занадто велика відстань до колектора призводять до нестійкого контакту, вібрації щітки та погіршення комутації.
Частковий обрив жил, погане з’єднання зі щіткою чи ослаблена клема підвищують опір виводу, спричиняючи локальний нагрів і перерозподіл струму між щітками.
Положення щіток відносно магнітної нейтралі критичне для комутації. Якщо траверсу зміщено — через неправильне складання, помилку після ремонту чи зміну напрямку обертання без корекції — у комутованій секції виникає додаткова електрорушійна сила, і на одному краї щітки з’являється іскріння.
Вугільний або мідний пил, масло, волога чи технологічні забруднення змінюють контактний опір і можуть створювати струмопровідні доріжки між ламелями. Правильна тонка робоча плівка на поверхні колектора, навпаки, сприяє стабільному контакту й рівномірному зношенню — проблеми виникають, коли вона відсутня, плямиста, надто товста або обвуглена.
Якщо відстань від осі обертання до поверхні колектора змінюється, щітка не встигає постійно слідувати за поверхнею, особливо на високій швидкості, і періодично відривається, створюючи дугу. Причини — неправильне проточування, деформація вала, ослаблення колектора чи зношені підшипники.
Якщо міжламельна ізоляція не поглиблена нижче рівня міді після проточування, щітка частково рухається по слюді — контакт із міддю переривається, виникають вібрація та іскріння. Задирки міді, гострі краї чи металевий пил у канавках після продорожування спричиняють ті самі наслідки.
Секції якоря з’єднані з колекторними пластинами пайкою або зварюванням. Поганий контакт спричиняє локальне нагрівання, зміну струму в секції та іскріння, що повторюється в одному й тому самому місці колектора при кожному оберті.
При замиканні частини витків секція має змінені електричні параметри, що спричиняє асиметрію струмів, локальний перегрів і порушення комутації. При обриві секції струм переривається, і коли відповідні ламелі проходять під щіткою, виникає дуга, яка повторюється в одному положенні при кожному оберті.
Додаткові полюси створюють магнітне поле, яке компенсує реактивну електрорушійну силу комутації. Переплутана полярність після ремонту, обрив чи міжвиткове замикання обмотки додаткового полюса погіршують, а не покращують комутацію — іскріння в такому випадку може бути дуже сильним навіть при справному колекторі.
При перевантаженні зростає струм якоря, щільність струму під щітками збільшується, а комутація ускладнюється — іскріння посилюється разом із навантаженням. У приводах з ударним чи пульсуючим навантаженням струм якоря швидко змінюється, і якщо комутаційна система не забезпечує необхідну компенсацію, іскріння виникає при кожному стрибку моменту.
У машинах, які живляться від тиристорних чи інших перетворювачів, струм може мати значні пульсації, що погіршує комутацію, нагрівання щіток та стан робочої плівки. Несправність самого перетворювача — асиметрія струму, пропуски імпульсів — також не усувається обслуговуванням щіток.
У двигунах постійного струму зменшення струму збудження підвищує швидкість, змінює положення нейтралі, погіршує комутацію і збільшує іскріння. Причини — обрив кола збудження, поганий контакт, несправність регулятора чи міжвиткове замикання обмотки полюса.
У машинах із контактними кільцями немає колекторної комутації в тому самому розумінні, що у двигунах постійного струму, — проте щітки також можуть іскрити через нестабільний контакт. Основні причини: забруднення чи биття кілець, корозія, слабкий тиск або заклинювання щіток, перевантаження кола ротора, обрив частини гнучких виводів, вібрація вала й погані контакти в колі ротора.
Якщо іскрять щітки на контактних кільцях, необхідно окремо перевірити струми в кожній фазі ротора та порівняти стан усіх щіток, а не замінювати лише ту, під якою видно іскру.
Круговий вогонь — потужна дуга, яка поширюється по поверхні колектора між щітковими зонами різної полярності. Це один із найнебезпечніших режимів: можливі причини — сильне іскріння, забруднення вугільним чи мідним пилом, перенапруга, різке перевантаження, ослаблення поля чи надмірна швидкість.
При ознаках кругового вогню машину необхідно негайно відключити — наслідками можуть бути оплавлення ламелей, руйнування щіток і щіткотримачів, пробій ізоляції та повне руйнування колектора.
Незначне рівномірне іскріння може спостерігатися під час початкового притирання. Сильні дуги, локальні спалахи, перегрів або швидке підгоряння не є нормою.
Можливі неправильна марка, недостатня притирка, неправильний тиск, заклинювання, встановлення на пошкоджений колектор або змішування різних типів щіток.
Лише якщо причина справді в недостатньому притисканні. Надмірний тиск спричинить перегрів і прискорене зношення.
Ймовірні дефекти конкретного щіткотримача, пружини, гнучкого виводу або контактної поверхні саме в цій зоні.
Необхідно перевірити додаткові полюси, компенсаційну обмотку, положення нейтралі, перевантаження та форму струму.
Основні причини — забруднення, биття кілець, неправильний тиск, вібрація, погані контакти та асиметрія струмів ротора.
Електрична дуга має високу температуру, руйнує щітки, мідь колектора та ізоляцію, а також може перейти у круговий вогонь.
ТОВ ВКФ «Електропромремонт» виконує діагностику, ремонт і випробування колекторних електричних машин, генераторів і машин із контактними кільцями.
До переліку робіт входять:
Матеріал має інформаційний характер. Наведені значення, методи діагностики, обсяг робіт та рекомендації є загальними і не замінюють технічну документацію виробника. Остаточне рішення щодо конкретної машини приймається за результатами її діагностики та дефектації з урахуванням типу, потужності, конструкції, режиму роботи, історії експлуатації та застосовних стандартів.
Проведемо дефектацію щітково-колекторного вузла, якоря та магнітної системи, визначимо причину іскріння і виконаємо необхідний ремонт.