Опытная установка О. Г. Вегнера
Искусственные аппараты, предложенные для определения коммутирующей способности электрощеток, исследовались еще Арнольдом, а также другими исследователями в более позднее время. Что же касается искусственных аппаратов, созданных для исследования процессов в коммутируемых секциях, то они стали применяться лишь в 40-х годах нашего столетия.
Рис. 4-5. Схема установки О. Г. Вегнера для осциллографирования тока коммутируемой секции.
Впервые работу, выполненную на искусственном аппарате, воспроизводящем процесс коммутации, опубликовал в 1938 г. О. Г. Вегнер [Л. 1-4]. В этом аппарате (рис. 4-5) все пластины коллектора распределены в три группы и приключены к контактным кольцам 1, 2, 3. Коммутируемая секция приключается к кольцам 1, 2, параллельно которой приключены две цепи La, Ra, имитирующие параллельные ветви обмотки. Так как при переходе щетки со второй группы на первую э. д. с. ек встречена э. д. с. еs, а при обратном переходе ек и еs, имеют одно и то же направление, то для того, чтобы э. д. с. ек не меняла своего направления по отношению к э. д. с. еs, на коллекторе предусмотрена третья группа пластин, которая и обеспечивает периодически повторяющийся процесс коммутации тока в контуре исследуемой секции. Электродвижущая сила ек обеспечивается включенным в секцию аккумулятором.
На основе опытов, проведенных на этой установке, О. Г. Вегнер пришел к следующему выводу: «В переходном слое мы имеем дело как с непосредственным механическим контактом, электрические свойства которого характеризуются условием Rщ=const, так и с более сложным процессом (о физической сущности которого пока можно высказываться предположительно) — с электрическим контактом, свойства которого определяются условием ∆u=const. В зависимости от режима работы переходного контакта свойства его приближаются к той или другой характеристике», и далее заключает: «проведенная нами работа показывает, что характеристика ∆u=const вполне осуществима в реальных условиях и является в большинстве случаев типичной».
С первым заключением О. Г. Вегнера относительно проводимости тока в щеточном контакте в зависимости от режима его работы автор полностью согласен, так как это положение нашло подтверждение и во всех последующих опытах. Что же касается второго заключения, то нам кажется, что этот вопрос на сегодняшний день еще не вполне ясен и поэтому требует дополнительной проверки.
О. Г. Вегнер на этой экспериментальной установке проверил уравнение тока коммутируемой секции, полученное им на основе допущения ∆u=const, и для условий своего опыта получил достаточно удовлетворительную сходимость теоретических кривых с экспериментальными.
Опытная установка О. Г. Вегнера является достаточно совершенной, но тем не менее ей присущи и известные недостатки. Положительными сторонами ее являются: 1) согласованное направление э. д. с. ек по отношению э. д. с. еs и 2) сравнительно большое количество коммутационных циклов за один оборот коллектора.
К числу же существенных недостатков следует отнести следующие:
- Наличие на коллекторе только одной щетки, вследствие чего коллекторная пленка аппарата не будет соответствовать пленке коллектора реальной машины. В результате опытная установка будет давать несколько различные результаты при смене полярности щетки.
- Коммутируемую секцию подключают к коллектору через контактные кольца, а следовательно, в контур секции вводят два переходных сопротивления, имеющих нелинейную характеристику. Правда, О. Г. Вегнер в своей статье указывает, что контактная поверхность щеток на этих кольцах исключительно большая (она в 180 раз превышала контактную поверхность щетки на коллекторе), однако при наличии вибраций эти переходные сопротивления в какой-то мере будут влиять на коммутацию.
Искусственный аппарат автора с двухпластинчатым коллектором
Автор исследовал коммутацию на искусственных аппаратах, начиная с 1934 г., но первая его работа, в которой приведены результаты исследований на созданной им экспериментальной установке, воспроизводящей коммутационный процесс, была опубликована в 1941 г. [Л. 4-3]. Первые опыты автор проводил на искусственном аппарате с двухпластинчатым коллектором (рис. 4-6).
Рис. 4-6. Принципиальная схема аппарата автора с двухпластпн· чатым коллектором.
Подобная схема установки в 1953 г. описана в одном из американских журналов, а также применена и в Чехословакии с целью определения коммутирующей способности электрощеток [Л. 4-4].
На рис. 4-7 показана подробная схема аппарата с двухпластинчатым коллектором, дающая возможность - осциллографировать кривые тока и э. д. с. коммутируемой секции, а также отмечать время начала и окончания коммутации. Осциллографирование э. д. с. самоиндукции здесь производилось посредством вспомогательной катушки Si, которую укладывали в общие пазы с исследуемой секцией. Кривую тока первоначально осциллографировали по мето ду Е. Арнольда при посредстве шунта А, но в последующих опытах для секций с малым активным сопротивлением осциллографирование осуществлялось при помощи бифилярного витка.
Рис. 4-7. Искусственный аппарат автора с двухпластинчатым коллектором.
Для возможности координации кривых тока и э. д. с. секции по отношению к щетке на валу коллектора установлен диск из изоляционного материала, на котором расположены две узкие металлические пластины, с помощью которых контакты замыкаются на чрезвычайно короткое время. Эти пластины на диске расположены таким образом, что одна из них замыкает контакты в момент начала перекрытия секции щеткой, а другая в момент ее размыкания. Контакты в замкнутом состоянии передают напряжение с потенциометра П на катодный осциллограф Ο1, благодаря чему электронный луч описывает две вертикальные черты, между которыми располагается кривая э. д. с. самоиндукции или тока.
Рис. 4-8. Устройство коллектора аппарата автора.
На приведенной схеме параллельно электронному осциллографу подключен амплитудный электронный вольтметр, который замеряет пиковые значения э. д. с. самоиндукции при различных условиях коммутации. Для того чтобы по возможности приблизить условия работы щетки на таком аппарате к условиям, имеющим место в машинах постоянного тока как в смысле вибраций, так и количества коммутационных циклов в единицу времени, коллектор такого аппарата был выполнен из отдельных узких пластин с изоляционными промежутками и разделен на четыре изолированные друг от друга части. Щетки были размещены под углом 90°, благодаря чему в данном случае за один оборот коллектора ток в секции менялся 4 раза (рис. 4-8).
Вполне попятно, что данному аппарату, как и всякому другому примененному для исследования коммутации, присущи не только преимущества, но и известные недостатки. К числу несомненных преимуществ аппарата следует отнести то, что на его коллекторе располагаются щетки обеих полярностей, благодаря чему поверхностная пленка (политура) коллектора, играющая большую роль в коммутационном процессе, создается здесь так же, как и в реальных машинах. К недостаткам данного аппарата следует отнести наличие контактных колец в контуре исследуемой секции, сравнительно небольшое количество коммутационных циклов в единицу времени, а также то, что при введении в контур коммутируемой секции э. д. с. ек эта э. д. с. в одних коммутационных циклах будет иметь противоположное направление по отношению э. д. с. самоиндукции еs, а в других совпадать с ней.
Аппарат автора с вращающейся щетиной траверсой
На рис. 4-9 приведена схема аппарата с вращающейся щеточной траверсой, разработанная автором. Здесь коллектор К неподвижен, непосредственно с ним связана якорная обмотка.
Рис. 4-9. Аппарат автора, воспроизводящий коммутацию при вращении щеточной траверсы.
При вращении траверсы секции якорной обмотки, как и в машине постоянного тока, переключаются из одной параллельной ветви якоря в другую, т. е. поочередно вступают в коммутационный процесс .Две или три исследуемые секции располагают на отдельном якоре. Такие же секции приключают к якорю и с противоположной стороны (на схеме не указаны) с тем, чтобы при вращении якоря в любой момент времени сопротивления отдельных параллельных ветвей якорной обмотки были одинаковы. Осциллографирование тока осуществляется посредством бифилярного витка, а для осциллографирования реактивной э. д. с. применена схема, аналогичная той, какая имеется в первом аппарате автора. Вращающиеся щетки располагаются в гильзах, в которых особой конструкцией противовесов предусмотрена полная компенсация центробежных сил щеток. При необходимости вести исследования коммутации с наличием э. д. с. ек в контуре исследуемой секции предусмотрено весьма небольшое сопротивление R, подпитывая которое от генератора Г, можно имитировать работу добавочных полюсов. Однако эта э. д. с. при коммутации исследуемой секции различными щетками в одних коммутационных циклах будет иметь встречное направление по отношению к реактивной э. д. с., а в других согласное. Для того чтобы в контуре исследуемой секции э. д. с. ек всегда имела желаемое направление по отношению к реактивной э. д. с. еr, можно подпитывать сопротивление R через контакты, расположенные на особом диске, на котором ток подпитки дважды за один оборот коллектора менял бы свое направление в сопротивлении R. Выполнить такое устройство нетрудно, так как контур сопротивления R практически безиндуктивный, а следовательно, постоянная времени его очень мала, вследствие чего искрение контактов, несмотря на большой ток подпитки, будет незначительным.
На аппарате с вращающейся щеточной траверсой было поставлено большое количество опытов как автором, так и другими исследователями. В. А. Фалеев исследовал на таком аппарате зависимость сопротивления сбегающего края щетки при различных температурных условиях, М. Трушков исследовал влияние транспозиции проводов якорной обмотки на коммутацию, автор выяснял влияние взаимоиндукции между секциями якоря на коммутацию и т. д. Этот аппарат нашел применение и при исследованиях коммутации коллекторных двигателей переменного тока. Так, Ю. Е. Неболюбов в 1954 г. [Л. 1-8] провел исследования коммутации данных двигателей, для чего ввел в коммутируемый контур аппарата с вращающейся щеточной траверсой э. д. с. трансформации et, фазу которой он изменял, используя для этой цели фазорегулятор. В настоящее время при посредстве аппарата с вращающейся щеточной траверсой исследуют коммутацию коллекторных двигателей переменного тока в лаборатории электрических машин Ленинградского института инженеров железнодорожного транспорта. Эти исследования проводит инж. B. Л. Дуненков под руководством чл.-корр. АН СССР проф. А. Е. Алексеева. Заслуживает исключительного внимания схема введения коммутирующей э. д. с. ек в контур исследуемой секции, разработанная на данной кафедре. Здесь э. д. с. ек создается благодаря вращению около исследуемой секции магнитной системы, дающей возможность без увеличения сопротивления коммутируемого контура в широких пределах плавно изменять величину и фазу э. д. с. ек.
Относительно недостатков данного аппарата следует сказать, что основным из них является его вращающаяся щеточная траверса. Центробежные силы щеток в этом аппарате следует уравновесить весьма тщательно. Но так
как в любой шарнирно-рычажной системе, принятой для уравновешивания, могут возникать перекосы и заклинивания, то в подобных случаях работа щеток будет находиться в очень тяжелых условиях. Поэтому исключительно большое внимание следует уделять работе щеточного узла, устраняя все неполадки.
Аппарат, в котором пластины коллектора разделены на две группы
Рис. 4-10. Аппарат для исследования коммутации с пластинами коллектора, разделенными на две группы.
На рис. 4-10 показана схема аппарата, которой пользовались для исследования коммутации А. П. Кучумов, В. А. Фалеев и др. В установке, работающей по этой схеме, все пластины коллектора разделены на две группы в том порядке, как это указано на схеме, и приключены к двум контактным кольцам, на которые наложены щетки. От этих щеток провода подходят к двум активно-индуктивным сопротивлениям Za, которые в данной схеме имитируют параллельные ветви обмотки. На коллекторе располагается только одна щетка, ширина которой не превосходит ширины коллекторного деления. При вращении коллектора секция с переменным активным Rc и индуктивными сопротивлениями переключается поочередно то в одну, то в другую ветвь якорной обмотки, т. е. коммутируется в принципе так же, как и в машине постоянного тока. В данной установке были предусмотрены искусственный подогрев коллектора и замер температуры коллектора и щеток термопарами, что дало возможность исследовать влияние температуры контакта на коммутацию. Следует указать, что большинством исследователей этому вопросу не уделяется того внимания, которого он заслуживает. Нередко можно встретить работы, публикуемые в печати, где приводятся осциллограммы, характеризующие коммутацию, но в них ни словом не упоминается о температурном режиме контакта, который, как известно, накладывает весьма значительный отпечаток на форму приводимых экспериментальных кривых. В некоторых случаях температурные влияния проявляются настолько сильно, что выводы исследований могут оказаться в противоречии с реальными явлениями коммутации.
Рассматриваемый аппарат имеет ряд положительных сторон, к числу которых можно отнести сравнительно большое количество коммутационных циклов в единицу времени, что приближает его в этом отношении к реальным машинам. Известным преимуществом схемы является и то, что здесь предусмотрено изменение индуктивности исследуемых секций без изменения их активного сопротивления, что дает возможность более точно установить влияние индуктивности секции на коммутацию.
Однако аппарат имеет и весьма существенные недостатки, главными из которых являются:
- наличие только одной щетки на коллекторе;
- щетки по ширине не должны превышать коллекторного деления, но, как известно, такие щетки имеют повышенные вибрации, что может вносить значительную погрешность.
Аппарат с полной обмоткой якоря, но с переключением числа витков секций
И. С. Елохин выполнил аппарат, отличающийся от реальной машины только тем, что на его якоре секции могли иметь различные числа витков, причем переключение на другое число витков осуществлялось на специальном диске, выполненном из изоляционного материала. Преимущество такого аппарата заключается в том, что режим работы щеточного контакта здесь полностью соответствует условиям работы реальной машины как по количеству коммутационных циклов в единицу времени, так и по распределению тока в параллельных ветвях. Положительным является также и то, что в таком аппарате исследуемый коммутируемый контур не имеет дополнительных сопротивлений в виде переходных сопротивлений контактных колец и щеток. На этой установке было поставлено большое количество опытов, на основе которых была установлена форма кривых тока и э. д. с. электрических машин небольшой мощности, уточнялась роль дополнительных полюсов, степень стабильности коммутационного процесса при различных температурных условиях и т. д.
Заканчивая описание различных аппаратов, применяемых для исследования коммутации, можно сделать следующий вывод: каждый аппарат имеет положительные и отрицательные стороны, поэтому при выборе аппарата необходимо, учитывая поставленную задачу и степень важности влияния отдельных факторов, выбрать аппарат, дающий неискаженное воспроизведение изучаемых процессов.
