Общие сведения
Щетки электрических машин являются таким звеном при исследованиях коммутации, которое может связывать исследования, проводимые на искусственных аппаратах и на реальных машинах. Исследования работы щеточного контакта реальных машин приобретают еще большее значение и потому, что опыты по осциллографированию реактивной э. д. с. и тока секции якорной обмотки машины не дают возможности делать выводы, которые можно уверенно распространить на машину в целом, так как процессы в различных секциях якорной обмотки машины далеко не идентичны. А отсюда понятно то, что в настоящее время разработано очень много методов анализа и наладки коммутации, основанных на осциллографировании и измерении падения напряжения в различных частях щеточного контакта, которые с успехом все шире и шире применяются как при опытной наладке коммутации на заводских испытательных станциях, так и в условиях эксплуатации. Однако осциллографированию процессов, имеющих место непосредственно в теле щетки, в настоящее время не уделяется должного внимания. Несколько десятилетий тому назад К. И. Шенфер разработал ряд методов по исследованию токораспределения в электрощетках, на основе которых им сделано много весьма интересных выводов. В дальнейшем эти опыты по существу не повторялись, несмотря на то, что электроизмерительная техника за это время сделала очень большие успехи, позволяющие фиксировать и чрезвычайно кратковременные процессы, играющие особо важную роль при коммутации. Эти сведения будут полезными для дальнейших исследований коммутации электрических машин.
Распределение тока в различных частях щетки при плавно изменяющейся нагрузке
Весьма интересные опыты были проведены К. И. Шен фером [Л. 2-1] при помощи разрезной щетки, в отдельные части которой были включены амперметры (рис. 4-17).
Рис. 4-17. Кривые, характеризующие распределение тока в различных частях щетки, полученные для различных режимов работы машины по методу К. И. Шенфера.
а — схема включения приборов в разрезную щетку; б — токи в различных частях щетки при отключенных и включенных добазочных полюсах; в при увеличении нагрузочного тока; г — токи в различных частях щетки при I=40 a=const, но при изменении тока добавочных полюсов Iдоп.
Опыт состоял в том, что машина постепенно нагружалась и при каждом изменении нагрузки отмечались токи в различных частях щетки при выключенных добавочных полюсах. Как и следовало ожидать, наибольший ток имел место в сбегающей части щетки как благодаря току от э. д. с. самоиндукции, так и от поля коммутационной зоны, которое по направлению в этом случае соответствовало э. д. с. es, а следовательно, также создавало ток разгружающий набегающий и нагружающий сбегающий край щепки. Результаты этого опыта изображены на рис. 4-17,б. Здесь видно, что приращения токов при увеличении нагрузки в различных частях щетки неодинаковы. Наибольшие значения они имеют для сбегающего края щетки, что объясняется главным образом усилением поля коммутационной зоны, которое в данном случае соответствует направлению действия реакции якоря, а в некоторой степени и благодаря увеличению э. д. с. самоиндукции.
На рис. 4-17,в даны кривые, характеризующие также нагрузку различных частей щетки, причем в отличие от предыдущего опыта здесь нагрузка увеличивалась при включенных добавочных полюсах. Как видно на графике, в отличие от первого опыта здесь нагружался наиболее сильно не сбегающий край щетки, а набегающий, причем эта разгрузка края щетки выразилась в очень большой степени: при токе якоря 40 а ток в сбегающей части щетки составлял всего лишь 2 а. По этому поводу К. И. Шенфер отметил: «При надлежащей величине возбуждения дополнительных полюсов, когда Iдоп=1, мы должны ожидать приблизительного равенства токов в отдельных частях щетки Iнаб, Icp, Iсбег. Как видно на рис. 4-17,в, при возбужденных дополнительных полюсах ток Iнаб больше, чем токи Iср и Iсбег, что указывает на то, что обмотка дополнительных полюсов испытуемой машины имеет чрезвычайно большое число витков, благодаря чему в этой машине получается ускоренная коммутация». Такое высказывание К. И. Шенфера относительно желаемого токораспределения в щеточном контакте находится в полном соответствии с положениями классической теории коммутации, но в действительности оптимальное токораспределение в контактной поверхности щетки, учитывая особенности как начальной, так и завершающей фазы коммутации, не соответствуют подобным представлениям. Есть все основания полагать, что очень большие плотности тока у хорошо настроенной машины имеют место лишь вблизи сбегающей кромки щетки, а в целом сбегающий край щетки нагружен относительно слабо. Однако реальная картина токораспределения в щеточном контакте еще недостаточно выяснена, и с этой точки зрения, учитывая важность данного вопроса, целесообразно проводить и в дальнейшем опыты в этом направлении с использованием новой электроизмерительной техники.
На рис. 4-17,г приведены результаты опытов, проведенных при неизменном токе нагрузки I=40 α=const, но при различном возбуждении добавочных полюсов. Как видно для токов различных частей щеток добавочные полюсы оказывают влияние лишь на крайние части щетки, тогда как в средней ее части ток совершенно не зависит от степени возбуждения этих полюсов. Обращает на себя внимание также и то, что ток в сбегающей и набегающей частях щетки при изменении тока в обмотке добавочных полюсов изменяется практически по прямолинейному закону, что может иметь место лишь при условии, когда r1+r2=const, так как э. д. с. eк пропорциональна току добавочных полюсов Iдоп. На основе результатов этого опыта можно заключить также, что и метод суперпозиции для токов коммутируемого контура, применяемый при теоретических исследованиях коммутации, практически себя оправдывает. Нам кажется, что он здесь справедлив не потому, что Rщ=const, а потому, что r1+r2=const, так как при увеличении тока iк сопротивление одного края щетки уменьшается, возрастая для другого края щетки, благодаря чему r1+r2 в известной мере стабильно вне зависимости от изменений тока iκ.
Распределение тока в щеточном контакте при толчкообразных нагрузках
К. И. Шенфер совместно с С. Б. Юдицким [Л. 4-9] провели весьма интересные опыты по осциллографированию тока в набегающей и сбегающей частях щетки при толчкообразной нагрузке. Для опытов был использован тяговый двигатель, опыты проводились с разрезной щеткой, в которую шлейфы осциллографа были включены согласно схеме на рис. 4-18,а. Результаты опытных исследований при толчке тока 30—240 а и при напряжении генератора 250 в приведены на рис. 4-18,б.
На основе осциллограмм для общего тока щетки и токов набегающей и сбегающей частей ее авторами были сделаны следующие заключения: «Из сравнения этих кривых видно, что ток в набегающем крае запаздывает в своем изменении, вследствие чего сбегающий край щетки оказывается перегруженным большим током», и далее, «Машины, предназначенные для толчкообразной нагрузки, целесообразно перекоммутировать при помощи соответственного усиления потока дополнительных полюсов до предела, позволяющего работать при спокойной нагрузке без искрения».
Выводы К. И. Шенфера и С. Б. Юдицкого являются, безусловно, правильными, так как практика эксплуатации не только тяговых, но и других двигателей, работающих в установках с толчкообразными нагрузками, полностью подтверждает это. Но из рассмотрения данных осциллограмм можно еще заключить, что дополнительные токи в секциях якорной обмотки от реактивной э. д. с. и от э. д. с. поля коммутационной зоны имеют резко выраженный импульсный характер, так как только в осциллограммах для токов сбегающего и набегающего краев щетки имеют место острые ники, тогда как в общем токе щетки эти пики отсутствуют. Следовательно, дополнительные токи в коммутируемых секциях не характеризуются плавными кривыми, как это следует из уравнений классической теории, а имеют импульсный характер, причем не только при переходном процессе при толчке тока, но и при установившемся режиме, при сколько-нибудь значительной нагрузке.
Распределение тока между различными щетками, сидящими на общем болте
Как известно, неравномерное распределение тока между щетками, расположенными на общем болте, является одной из главных причин искрения щеток крупных машин, а поэтому исследования в этой области заслуживают большого внимания. В одной из своих недавних работ О. Г. Вегнер [Л. 4-5] высказал мысль о том, что для электрических машин с большим числом щеток на общем болте целесообразно применять щетки с вольт-амперными характеристиками восходящего вида в области номинального тока. Такое заключение вполне логично, однако оно требует тщательной опытной проверки для выяснения степени влияния данных характеристик щеток на равномерность распределения тока между щетками. Вполне понятным является и то, что, помимо вольт-амперных характеристик, на распределение тока между щетками будут оказывать влияние и другие факторы, как, например: удельное давление на щетку, конструкция щеткодержателя, качество обработки поверхности коллектора и притирки щеток, характер и степень вибраций щеток и т. д., а поэтому экспериментальные работы в этой области должны занять соответствующее место в программах научно-исследовательских институтов и заводских лабораторий.
Рис. 4-19. Схема и результаты опытов по выяснению распределения тока между различными щетками, сидящими на общем болте.
Солидное начало в деле экспериментального исследования токораспределения между щетками общего болта было сделано К. И. Шенфером (рис. 4-19). На этом рисунке
график б дает зависимость токов трех щеток при постепенном увеличении нагрузки, полученную из опыта, проведенного по схеме а. Здесь обращает на себя внимание тот факт, что если при малых нагрузках токораспределение между щетками неодинаково, то и при дальнейшем ее увеличении это различие будет сохраняться, причем увеличение токов всех щеток по мере возрастания общей нагрузки практически соответствует закону прямой.
На рис. 4-19,в приведены результаты опытов, проведенных при неизменном токе нагрузки I=30 а, но при различном возбуждении дополнительных полюсов. Как показали эти опыты, токи отдельных щеток в очень сильной степени зависят от величины тока в обмотке добавочных полюсов. Так, например, при Iдоп=60 а эти токи при нагрузочном токе I=30 а приблизительно одинаковы, но при меньших значениях тока Iдоп ток I3 снижается, а токи I и I2 соответственно увеличиваются. Если же Солидное начало в деле экспериментального исследования токораспределения между щетками общего болта было сделано К. И. Шейфером (рис. 4-19). На этом рисунке
увеличивать; то наблюдается обратная картина: I1 и I2 снижаются, а I3 возрастает. Такое поведение щеток в смысле распределения общего тока при изменяющемся токе возбуждения К. И. Шенфер объяснил следующим образом: щетка 3 контактировала с коллектором в большей степени своим набегающим краем, а щетки 1 и 2, наоборот, были опрокинуты на сбегающий край. В этом случае дополнительный ток от э. д. с. ек замыкался через набегающий край третьей щетки и через сбегающие края двух других щеток согласно рис. 4-19,г, чем и объясняется подобного рода влияние тока добавочных полюсов на распределение тока между щетками общего болта в данном частном случае.
