5-2. ДРУГИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ИСКРЕНИЯ КОЛЛЕКТОРНЫХ МАШИН
Анализ искрения щеток по импульсам напряжения между ее краями
Рис. 5-14. Осциллографирование импульсов напряжения между краями щетки для анализа их искрения.
В 1948 г. автор опубликовал метод осциллографирования напряжения в контакте посредством подключения электронного осциллографа между сбегающим и набегающим краями щетки [Л. 2-7]. На экране осциллографа, включенного по схеме на рис. 5-14,а пики напряжений, соответствующие одному обороту коллектора, распределяются в линию и позволяют судить о распределении искрения пo всему коллектору. На рис. 5-14,б показана одна из осциллограмм, полученная по этой схеме, на основе которой можно установить характер распределения искрения по коллектору, степень его стабильности, а следовательно, решить вопрос — имеет это искрение коммутационную основу или механическую, но, кроме этого, можно сделать также заключение о недокомпенсации или перекомпенсации коммутируемых секций.
Однако этот метод не дает возможности судить о количественной стороне отдельных импульсов, так как пути прохождения тока в щеточном контакте как при, его нагреве, так и при изменении поверхностей трения щеток и коллектора в значительной мере изменяются. Недостатком же этого метода является и то, что здесь контролируются не все щетки, сидящие на общем болте, а только та, которая приключена к осциллографу. Тем не менее, если желательно проследить только искрение по коллектору, этот метод может быть использован, в особенности при исследовании искрения машин с ограниченным количеством щеток.
Анализ искрения щеток на основе импульсов напряжения в специальной обмотке, расположенной на сердечниках главных полюсов машины
Шоберт и Дил [Л. 5-2] предложили оригинальный метод анализа искрения щеток, который они применили для диагностики искрения автомобильных генераторов. Сущность этого метода заключается в следующем: на обмотку главных полюсов наматывают вспомогательную обмотку с небольшим числом витков, которую приключают к электронному осциллографу. При завершении коммутации с искрообразованием в секциях происходят быстрые изменения токов, наводящие во вспомогательной катушке, расположенной на главных полюсах, импульсы напряжения, которые при соответствующей синхронизации развертки осциллографа будут на экране трубки осциллографа воспроизводить характер распределения искрения по коллектору.
Для того чтобы учесть количественную сторону искрения, указанные авторы провели градуировку прибора следующим образом: к одной из секций якорной обмотки от аккумуляторной батареи через рубильник и регулировочное сопротивление подводилось напряжение. При посредстве регулировочного сопротивления устанавливался ток
Рис. 5-15.
а — гравировочная кривая в опытах по определению тока разрыва Iр при коммутации; б — кривая тока разрыва Iр в функции тока нагрузки Iн.
желаемой величины, а затем этот ток разрывался рубильником и одновременно по экрану электронного осциллографа измерялась высота пика, соответствующего разрываемому току в цепи секции якорной обмотки. На рис. 5-15,а показана зависимость высоты импульсов по экрану прибора в функции разрываемого тока, которая по внешнему виду напоминает кривую намагничивания при слабом насыщении. При проведении же опытов с вращающимся якорем в рабочих условиях зависимость высоты импульсов на экране прибора в функции тока нагрузки машины получила вид, приведенный на рис. 5-15,б. По графику видно, что, начиная с тока 20 а, рост амплитудных значений импульсов на экране прибора прекратился, а это значит, что в щеточном контакте установились дуговые разряды, что отчетливо видно также и по осциллограммам, приведенным в статье данных авторов.
В статье делается попытка объяснить, почему при градуировке прибора высоты пиков на экране осциллографа, включенного в цепь вспомогательной катушки, все время увеличивались при возрастании токов разрыва, хотя и с некоторым замедлением, а при рабочих условиях эти пики уже при токе нагрузки 20 а перестали увеличиваться. Авторы весьма туманно частично связывают это явление с противодействием основного поля при нагрузке возрастанию тока в обмотке, подключенной к осциллографу.
В действительности же подобного рода явление наблюдается при исследовании импульсов напряжения, соответствующих окончанию коммутации, вне зависимости от того, каким методом производится осциллографирование этих импульсов. Подобные виды осциллограмм можно получить, осциллографируя падение напряжения непосредственно в контакте или же напряжение между краями щетки, а также и другими способами. Это объясняется тем, что коммутационные дуги горят при практически неизменном напряжении в отличие от дуг, которые возникают при простом разрыве цепи. Следовательно, для завершающей фазы коммутации, происходящей с ценообразованием, характерными являются постоянство напряжения горения дуги и неизменная скорость изменения тока дуги во времени
, что и находит свое отражение в кривых, приведенных в работах Шоберта и Дила.
Следовательно, градуировка прибора, проведенная данными авторами посредством разрыва цепи секции рубильником, не будет обеспечивать достаточно точный учет количественной стороны при исследованиях искрения электрических машин.
Существенную ошибку допустили Шоберт и Дил, проградуировав осциллограф, включенный во вспомогательную катушку, в амперах, используя для этой цели градуировочную кривую, приведенную на рис. 5-15,а. Видимо, авторы полагали, что пик, возникший на экране осциллографа, включенного во вспомогательную катушку, дает возможность судить о величине токов разрыва при завершении коммутации. В действительности же этот осциллограф своими пиками не выражает тока разрыва ни в какой степени, ибо после возникновения искрения дальнейшее увеличение нагрузки будет приводить как к увеличению тока разрыва, так и к одновременному увеличению времени горения дуги. При этом высота пиков на экране осциллографа будет оставаться неизменной, что лишь подчеркивает постоянство напряжения горения коммутационной дуги, происходящего при постоянной скорости изменения тока в дуге, а не при постоянстве токов, разрываемых при завершении коммутации.
На рис. 5-16 приведены осциллограммы импульсов напряжения во вспомогательной катушке, причем осциллограмма а здесь соответствует току нагрузки 15 а, а осциллограмма б — 35 а. Как видно из данных осциллограмм, при нагрузке 15 а искрящих пластин по существу нет, что вполне увязывается с кривой на рис. 5-15,б, показывающей, что до нагрузки 20 а пики на экране осциллографа возрастают, а это свидетельствует об отсутствии дуговых разрядов при завершении коммутации.
Рис. 5-16. Осциллограммы искрения, полученные Шобертом и Дилом: а — при нагрузке 15 а; б — при нагрузке 35 а.
Что же касается осциллограммы, снятой при токе 35 а, то здесь искрение выражено очень заметно, причем оно недостаточно равномерно распределено по коллектору. Кроме того, несколько пиков более слабых имеют обратное направление, а, следовательно, часть секций заканчивает коммутацию с некоторой недокомпенсацией. В данном разделе, описывающем изменение характера искрения при различных нагрузках, Шоберт и Дил совершенно правильно анализируют приведенные в статье осциллограммы.
Указанные авторы в последующих разделах статьи приводят осциллограммы импульсов напряжения, возникающих при завершении коммутации, называя их импульсами тока разрыва и выражая их на графиках в амперах, при изменении скорости вращения якоря, различных положениях щеточной траверсы, разных марках щеток и при механических повреждениях коллектора (выступание отдельных коллекторных пластин).
Эти осциллограммы обстоятельно анализируются в части характера искрения щеток, однако некоторые положения этого анализа, с нашей точки зрения, являются не вполне верными. Так, при построении кривой «пульсаций тока» в функции положения щеточной траверсы при построении взято среднее значение высот пиков, что вряд ли может характеризовать в должной мере степени искрения щеток, так как интенсивность искрения щеток мало связана с величиной импульсов напряжения, возникающих из-за разрыва токов при завершении коммутации, а поэтому пока искрит небольшое количество пластин, дальнейший рост новообразования будет существенно корректировать среднюю величину пиков. Но когда почти все пластины будут подвержены искрению, тогда при дальнейшем усилении искрения среднее значение импульса при некотором снижении напряжения в дуге может даже уменьшиться. Правильнее было бы усреднять импульсы посредством прибора, суммирующего эти импульсы с учетом их высоты и продолжительности во времени, что и осуществляется сейчас в приборах для настройки коммутации.
Затем авторы, проводя исследования с различными марками щеток, которые они условно назвали А, В и С (марка С является стандартной для автомобильных генераторов), нашли для них импульсные значения напряжений измерением этих импульсов по экрану электронного осциллографа, которые пересчитали по градуировочной кривой (рис. 5-15,б), п на основе этого пересчета определили амплитуды токов, которые для указанных выше щеток получили соответственно значения 8,8, 9,5, 7,7 а. В действительности же пропорциональными этим цифрам были различные э. д. с. во вспомогательной катушке, а следовательно, и в контуре коммутируемой секции.
Такая неверная в своей основе трактовка импульсов напряжения во вспомогательной катушке привела авторов статьи и к неправильным выводам. В конце статьи они отмечают, что выбор для автомобильных генераторов щетки с наибольшим импульсом тока может показаться необычным, но якобы принятой марке щеток свойственен меньший износ и шум, и в силу именно этих причин она и принята; но судя по импульсам тока, с их точки зрения, она обладает меньшими коммутирующими возможностями. В действительности же величина импульсов на экране осциллографа определяется напряжением коммутационной луги, а это напряжение для разных марок щеток несколько различно, причем, как правило, щетки с повышенными коммутационными свойствами обладают несколько большими напряжениями для электрической дуги.
При пользовании этим методом для анализа искрения щеток и оценки коммутации необходимо иметь в виду следующее:
- Электромагнитная энергия коммутируемых секций, связанная с искрением щеток, обусловлена главным образом полями рассеяния секций (как известно, улучшать коммутацию можно лишь демпфированием именно этих нолей), а следовательно, импульсы напряжения, полученные на экране электронно-лучевой трубки при помощи вспомогательной катушки, расположенной на главном полюсе машины, не могут характеризовать искренне машины, так как эти импульсы зависят от конструктивного выполнения машины, шихтовки отдельных элементов магнитопровода и т. д.
- Степень пульсаций напряжений во вспомогательной катушке будет зависеть и от режима работы обмоток возбуждения, как, например, от шунтировки поля, применяемой в тяговых двигателях, а также и от других изменений параметров обмоток главных полюсов, а следовательно пользоваться этим методом не с целью анализа искрения машины, а для установления количественной оценки коммутации можно лишь с большой осторожностью.
- Для количественной оценки коммутации однотипных коллекторных машин следует воспользоваться приборами, дающими среднее значение импульсов как с учетом их количества в единицу времени, так и их продолжительности.
- Этот метод, судя по осциллограммам, приведенным в рассматриваемой статье, может оправдать себя при анализе искрения однотипных электрических машин небольшой мощности.
Поочередная проверка искрения отдельных пластин коллектора
Л. Л. Лавриновичем разработаны аппаратура и методика, позволяющая проверять искрение отдельных пластин поочередно, причем эту проверку проводят посредством передачи на экран электроннолучевой трубки либо одиночных импульсов фототока искрения, либо импульсов падения напряжения между щеткой и коллектором в различных частях щеточного контакта.
В том случае, когда на отдельных коллекторных пластинах просматриваются импульсы фототока искрения, установка для исследования включает следующие основные элементы; фотоумножитель, который нацеливается на исследуемый щеточный бракет, осциллограф с однократной ждущей разверткой и фотоэлектрический датчик запуска ждущей развертки.
Фотоэлектрический датчик устроен следующим образом. С валом коллектора исследуемой машины скрепляется диск из непрозрачного Материала с радиальной щелью. Диск вращается между двумя отсеками, в одном из которых помещается источник света, а в другом фотоэлектрический датчик. При вращении коллектора в момент времени, когда щель диска окажется между двумя отсеками, на фотоэлектрический датчик упадет узкий пучок света, благодаря чему импульс фототока от датчика будет передан на осциллограф с однократной ждущей разверткой. Для того чтобы изменить время запуска развертки осциллографа, следует в любом желаемом направлении перемещать отсеки с источником света и фотодатчиком, что осуществляется посредством червячного механизма.
Когда на отдельных коллекторных пластинах просматриваются импульсы падения напряжения в щеточном контакте, то электронный осциллограф приключается к рабочей щетке и вспомогательной исследуемого щеточного бракета.
Эта установка использовалась для анализа искрения крупных машин на заводе «Электросила» имени С. М. Кирова и, по мнению ряда лиц, оправдала себя в работе. Однако, с нашей точки зрения, она является слишком громоздкой для каждодневной проверки серийных машин, и поэтому может использоваться для анализа искрения в исключительных случаях, при наладке коммутации крупных машин.
