Содержание материала

Μ. Φ. КАРАСЕВ
КОММУТАЦИЯ КОЛЛЕКТОРНЫХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
МОСКВА
1961
ЛЕНИНГРАД

Книга охватывает широкий круг вопросов коммутации в коллекторных электрических машинах. В ней рассмотрены достаточно подробно вопросы, относящиеся к анализу искрения коллекторных машин, определению коммутирующей способности электрощеток и настройке коммутации.
Подробно изложен раздел о приборах, применяемых при исследованиях коммутации, а также ряд других вопросов, имеющих практический интерес.
Книга рассчитана на инженеров и техников, занимающихся проектированием, эксплуатацией и наладкой коммутации машин постоянного тока.
Карасев Михаил Федорович
Коммутация коллекторных машин постоянного тока, М.—Л., Госэнергоиздат, 1961,

ПРЕДИСЛОВИЕ

В последнее время как у нас в СССР, так и за рубежом наблюдается повышенный интерес к вопросам коммутации машин постоянного тока. Большое количество публикуемых работ, относящихся к коммутации коллекторных машин, объясняется рядом факторов, к главнейшим из которых можно отнести следующие:

  1. Увеличение мощности крупных машин и в особенности работающих в металлургической промышленности и судовых установках.
  2. Уменьшение весов и габаритов машин, работа три высоких температурах коллектора, увеличение окружных скоростей коллектора, повышенные требования к перегрузкам и т. д.
  3. Широкое развитие электрической тяги на железнодорожном транспорте, где особые трудности в смысле искрения тяговых двигателей возникают при питании их от источников с пульсирующим напряжением.
  4. Развитие полетов на больших высотах в авиации, а также ракетной техники выдвинули новые проблемы коммутации коллекторных машин, связанные с недостатком кислорода и водяных паров в окружающем машины пространстве, что затруднило образование оксидных пленок на коллекторах, необходимых для удовлетворительной коммутации.

Основную часть работ в области коммутации, опубликованную в последнем десятилетии, можно было бы отнести к следующим направлениям:
а) Теоретические и экспериментальные исследования коммутируемого контура машин постоянного тока для установления закономерностей процессов, имеющих в нем место.

Было много попыток отказаться от условий Rщ=const или ∆u=const, принимавшихся ранее для щеточного контакта, а вместо этих сомнительных условий сопротивление контакта вводилось на основе вольт-амперных характеристик как статических, так и динамических. Следует, однако, заметить, что и на этой основе уравнение коммутируемого контура сравнительно мало отражает реальные процессы в щеточном контакте, так как по-прежнему остаются неучтенными многие факторы, оказывающие большое влияние на коммутацию и в первую очередь состояние поверхности коллектора и температурный режим контакта. То же следует сказать и о попытке проводить учет реакции коммутационных токов с использованием уравнения тока коммутируемого контура, в котором сопротивление щеточного контакта взято посредством аппроксимации его вольт-амперной характеристики.
Значительно большие результаты, с нашей точки зрения, получены при обособленном рассмотрении в кривой тока коммутируемого контура завершающего этапа коммутации. Полученные уравнения для тока разрыва коммутируемой секции были проверены по соответствующей схеме замещения, и результаты проверки показали практическую сходимость теоретических и опытных данных как в части формы кривой тока в коммутационной дуге, так и времени ее горения.
б)  Объективная оценка искрения щеток. Большое внимание в последнее время уделялось поискам способов объективной оценки коммутации. Как известно, существующий метод оценки искрения щеток согласно ГОСТ является весьма неопределенным и субъективным, вследствие чего на этой почве часто возникают споры между заводскими работниками и приемщиками продукции.
В настоящее время разрабатывается методика оценки коммутации с помощью специального прибора, который суммирует и усредняет импульсы фототока искрения посредством датчика с фотоэлементом. Такой прибор позволяет более объективно оценивать искрение щеток. Однако несмотря на выявившуюся целесообразность широкого применения этого прибора его схема и конструкция еще требуют доработки. Значительно лучшие результаты получены в настоящее время при использовании указанного прибора для определения характера искрения щеток, что является очень важным при выяснении причин искрения. Импульсы фототока искрения, соответствующие одному обороту коллектора и развернутые на экране электронно-лучевой трубки прибора, дают возможность по характеру расположения
этих импульсов сделать достаточно четкое заключение о причинах искрения щеток. В литературных источниках описана методика передачи на экран лучевой трубки импульсов напряжения в сбегающем крае щеточного контакта, что дает возможность выявить не только количество искрящих пластин и их расположение по коллектору, но также заключить, какие секции якорной обмотки перекомпенсированы, а какие недокомпенсированы. Разработаны также приборы, позволяющие проследить характер импульсов перенапряжений в щеточном контакте поочередно по всему коллектору.
Большой интерес представляют также предложенные различными авторами приборы, подключаемые к разноименным щеткам машин. Импульсы напряжения от дуговых и искровых разрядов передаются в таких приборах через выпрямительный мостик на микроамперметр, назначение которого — оценить уровень искрения щеток. Нам кажется, что именно в этой области за последнее время достигнуты наибольшие успехи в практическом использовании современной техники для анализа коммутации и настройки машин.
Следует также упомянуть о конструируемых приборах, служащих для оценки поверхности коллектора, так как причины искрения механической природы являются первостепенными. В настоящее время разрабатываются приборы с волноводами, работающие на ультракоротких волнах, которые позволят на экране электронно-лучевой трубки проследить все неровности на коллекторе с очень большой степенью точности, что в сочетании с приборами, дающими развертку искрения по всему коллектору, позволит дать совершенно четкое заключение о причинах искрения щеток.
в)  Коммутирующая способность электрощеток. Значение этого вопроса в практике эксплуатации электрических машин трудно переоценить. Как известно, существующий стандарт на щетки (ГОСТ 2332-43) предусматривает контроль щеточной продукции по различным техническим характеристикам: удельное электросопротивление, твердость, переходное падение напряжения, коэффициент трения и износ. По этому же ГОСТ для каждой марки щеток установлены плотности тока, максимальная окружная скорость и удельное давление на щетку.  Как видно из приведенных технических характеристик на электрощетки, ни одна из них не отражает тех свойств щеток, какие требуются при работе ее на коллекторе, т. е. для безыскрового переключения секций якоря в процессе работы электрической машины. Согласно существующему стандарту на щетки их свойства проверяются опытным путем либо на контактом кольце, либо на короткозамкнутом коллекторе, а работать они должны в условиях безыскрового переключения секций якоря, обладающих значительной индуктивностью. Вполне понятно поэтому, почему электромашиностроительные заводы, получающие щетки, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 2332-43, вынуждены весьма часто браковать их из-за неудовлетворительной работы на коллекторах электрических машин. Неудивительно поэтому, что в печати этому вопросу было посвящено много работ, в которых предлагались различные методы испытаний электрощеток, устанавливающих их коммутирующую способность. Некоторые авторы разрабатывали методику подобных испытаний щеток на коллекторах реальных машин, другие же считали более целесообразным испытывать их на искусственных аппаратах, воспроизводящих коммутационный процесс электрических машин.
г)  Новые методы настройки коммутации. По этому вопросу также опубликовано много работ с предложением весьма разнообразных методов, из которых некоторые, с нашей точки зрения, безусловно, заслуживают внимания. Как известно, в настоящее время единственным хорошо проверенным методом настройки коммутации, получившим самое широкое распространение во всем мире, является метод безыскровых зон, разработанный В. Т. Касьяновым. Однако метод В. Т. Касьянова страдает тем недостатком, что при снятии как безыскровых зон, так и зон с определенной балльностью искрения начальная стадия искрения для безыскровой зоны или определенная балльность искрения отмечается на глаз, в результате чего площадь полученной при настройке коммутации зоны подпитки не может являться четким показателем качества коммутации. Правда, результаты такой неопределенности сравнительно мало сказываются на окончательных выводах в смысле настройки дополнительных полюсов, так как необходимая степень усиления или ослабления поля коммутационной зоны определяется по расположению средней линии зоны подпитки, а не ее пограничных линий, тем не менее, визуальная оценка искрения при снятии зон подпитки всегда вносит известную степень неуверенности в полученные результаты опытов и особенно в тех случаях, когда снимается не безыскровая зона, а соответствующая тому или иному
баллу искрения щеток. В журнальных статьях последних лет описываются следующие новые методы настройки коммутации: 1) по импульсам падения напряжения, в щеточном контакте или фототока искрения, передаваемым прибору посредством вспомогательной щетки или особого датчика в виде фотоэлемента, причем отметка минимальной степени искрения одними авторами производится по наименьшей величине импульсов, другими — по усредненному их значению и, наконец, третьими — посредством суммирования этих импульсов за единицу времени; 2) по минимальной величине радиопомех; 3) по импульсам напряжений в специально намотанной катушке на главном полюсе, возникающим при разрывах несреверсированных токов в коммутируемых секциях. Следует, однако, заметить, что все предложенные новые методы настройки коммутации не прошли еще достаточной опытной проверки, а поэтому в данный момент нельзя точно определить степень их использования в будущем при настройке коммутации. Много опытов в части сравнения различных методов настройки коммутации уже проведено, и поэтому в общих чертах основные преимущества и недостатки их получили известную ясность. В предлагаемой книге этому вопросу уделено соответствующее внимание.
д) Модернизация метода подпитки дополнительных полюсов В. Т. Касьянова. Как указывалось выше, визуальная оценка искрения щеток при снятии кривых подпитки дополнительных полюсов является слабым местом этого метода, а поэтому для отметки степени искрения щеток были предложены различные приборы, которые применялись и для вышеуказанных новых методов настройки коммутации. Нам кажется, что метод подпитки дополнительных полюсов и далее останется основным при настройке коммутации, так как он обладает неоспоримыми преимуществами в сравнении со всеми другими методами, но для большей уверенности оценивать искрение щеток следует во всех случаях, когда требуется точность, только по приборам. По этому вопросу опубликован ряд журнальных статей, которые использованы в данной книге.
е)  Коммутация в высотных условиях. В литературе этот вопрос отражен довольно слабо и описаны лишь некоторые особенности поведения щеточного контакта на высоте. Опубликованы были статьи, касающиеся вопросов: природы щеточного контакта, влияния температуры контакта на коммутацию, вибрации щеток и ее влияния на искрение, износа щеток, влияния транспозиции секции якорной обмотки на коммутацию, а также по расчету коммутации. Подробное освещение всех вопросов коммутации потребовало бы очень большого объема книги. Нами же поставлена более скромная задача, а именно: осветить подробно лишь те вопросы коммутации, которые разрабатывались в г. Томске.
В данной книге, помимо журнальных статей, наиболее полно использованы материалы по исследованию коммутации Томского филиала Научно-исследовательского института электропромышленности и кафедры электрических машин Томского электромеханического института инженеров железнодорожного транспорта, в известной мере отчеты по исследованию коммутации Новочеркасского электровозостроительного завода имени С. М. Буденного и Кузнецкого металлургического комбината имени И. В. Сталина, а также материалы других научно-исследовательских институтов.
Автор