Коммутация коллекторных машин - Причины искрения щеток

ГЛАВА ШЕСТАЯ
КОММУТИРУЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ЭЛЕКТРОЩЕТОК
6-1. ПРИЧИНЫ ИСКРЕНИЯ ЩЕТОК

Повышенная плотность тока в сбегающем крае щетки при завершении коммутации

Объяснение искрения щеток чрезмерно повышенной плотностью тока в сбегающем крае щетки давно уже признано не соответствующим действительности, так как при спокойной работе щеток в механическом отношении плотности тока в контакте могут быть очень большими, а токосъем будет происходить без малейшего искрения. Однако следует заметить, что повышенная плотность тока в сбегающем крае щетки может приводить к искрению

при меньших токах нагрузки, влияя на искрение косвенным образом. 

Так, А. П. Кучумозым [Л. 6-1] было установлено, что если в коммутируемую секцию искусственного аппарата, воспроизводящего коммутационный процесс, вводить дополнительно активное сопротивление, то искрение щеток будет обнаруживаться при токах, несколько меньших, чем без дополнительного сопротивления. Сказанное поясняет график кривых тока коммутируемой секции на рис. 6-1,а. Подобного рода кривые можно снять при помощи искусственных аппаратов, воспроизводящих коммутацию при сравнительно небольших плотностях тока в контакте и при невысоких температурах коллектора и щеток. Эти кривые достаточно хорошо описываются уравнением классической теории коммутации, в котором не учитывается э. д. с. самоиндукции коммутируемой секции, а сопротивление щеточного контакта принято постоянным вне зависимости от плотности тока:

В тех случаях, когда при данных условиях коммутации в контур секции вводится дополнительное активное сопротивление, то кривая тока секции из прямолинейной 1 превращается в кривую 2, что ведет к вытеснению тока из средней части щетки к ее краям. Поэтому, если плотность тока в сбегающем крае щетки до введения дополнительного сопротивления характеризовалась величиной tg α1, то после введения сопротивления она возрастает пропорционально увеличению tg α1. Эта повышенная плотность тока в сбегающем крае щетки не привела бы к ценообразованию, если контакт между щеткой и коллектором в механическом отношении был бы идеальным. В действительности же, как это свидетельствуют многочисленные осциллограммы токов коммутируемых секций, фактические периоды коммутаций у различных секций одного якоря несколько различны, а поэтому, если при завершении коммутации вследствие вибраций щетки контакт будет преждевременно нарушен, то разрываемые токи будут в большой степени зависеть от значенияв кривой тока секции перед нарушением контакта в конце периода коммутации. Именно этим и объясняется несколько повышенное искрение секций, если в их контур вводится дополнительное активное сопротивление.
Однако увеличению степени искрения щеток при введении дополнительных сопротивлений наступает некоторый предел, при котором дальнейшему увеличению активного сопротивления будет уже соответствовать уменьшение степени искрения щеток, что объясняется одновременным увеличением поглощения части электромагнитной энергии секции в дополнительном сопротивлении. Следовательно, при малых дополнительных сопротивлениях решающее значение имеет повышение плотности тока в сбегающем крае щетки, а при больших сопротивлениях превалирующую роль играет поглощение электромагнитной энергии, реализующейся при завершении коммутации в дополнительном сопротивлении. С точки зрения идеальных условий работы щеточного контакта желательна коммутация со ступенью малого тока при завершении коммутации, предложенная О. Г. Вегнером [Л. 4-5]. На рис. 6-1,б дана кривая тока коммутируемой секции, которой, по мнению О. Г. Вегнера, должна соответствовать безукоризненная в смысле искрения работа электрощеток. С подобного рода мнением автора вполне может согласиться. Однако, нам кажется, что такая коммутация практически неосуществима. Как известно, характер кривой тока коммутируемого контура можно изменять в очень большой степени посредством воздействия полем коммутационной зоны, температурой контакта и другими факторами, но, однако, если контакт в механическом отношении работает хорошо, то при всех воздействиях на коммутируемый контур кривые тока в нем будут плавными, т. е. без резких изменений di/dt. Следовательно, для получения кривой тока согласно рис. 6-1,б необходимо в точке С этой кривой скачкообразно изменить индукцию в коммутационной зоне, что неосуществимо. О. Г. Вегнер говорит о том, что для получения ступени малого тока в кривой тока коммутируемого контура необходимо иметь такое распределение индукции в коммутационной зоне, которое бы обеспечило эту ступень, но как это практически получить, он не указывает.
Нам кажется, что никакими средствами нельзя в точке С получить излом в кривой тока, а поэтому, начиная именно с этого момента, секция войдет в режим перекомпенсации и закончит коммутацию разрывом тока обратного направления. Если учесть, что коммутационные циклы неидентичны, то точка С в кривой тока соответствовала бы очагу искрения внутри щетки, что значительно хуже искрения на ее сбегающей кромке, а поэтому следует всеми средствами осуществлять полный реверс тока в коммутируемых секциях к моменту, когда сбегающий край щетки освобождается от контакта с коллекторными пластинами. Следует также отметить, что уменьшение действительного периода коммутации в сравнении с теоретическим, как правило, происходит за счет набегающего края щетки, а не сбегающего, так как у электрических машин с удовлетворительной коммутацией, т. е. со слабым искрением на кромке сбегающего края, окончание коммутации, несомненно, соответствует кромке сбегающего края щетки, а в набегающей части в подавляющем большинстве случаев фактическое контактирование между щеткой и коллектором происходит с некоторым запаздыванием, что в основном и вызывает уменьшение действительного периода коммутации.

Предельная мощность для 1 пог. см длины щетки

Арнольд и Лиска [Л. 6-2] для определения коммутирующей способности электрощеток использовали экспериментальную установку, представлявшую собой прерыватель тока коллекторного типа, в котором разрывался ток в цепи с переменными индуктивными и активными сопротивлениями. На основе опытных данных была найдена предельно допустимая мощность, приходящаяся на 1 см пог. длины щетки, вычисленная по формуле

На основе опытных данных Арнольд и Лиска нашли, что предельная величина мощности составляет 50 вт на 1 пог. см щетки, после чего эта цифра вошла во многие руководства по электрическим машинам.
Подобного рода заключение о предельном значении электромагнитной энергии секции для безыскровой работы щетки, исчисленной по (6-2), является сомнительным, так как искрение обусловливает не ток, входящий в (6-2), а ток разрыва, величина которого для одних и тех же условий коммутации, но для разных щеток будет далеко не одинаковой, а следовательно, искрение щеток нельзя ставить в зависимость от удельной мощности, вычисленной по (6-2).

Несоответствие форм реактивной и коммутирующей э. д. с.

В настоящее время наиболее распространенным является мнение, что основной причиной искрения щеток следует считать несоответствие форм кривых реактивной и коммутирующей э. д. с. Вот почему так много внимания в теории коммутации уделено выяснению форм кривых реактивной э. д. с., ибо согласно этой теории для полной ее компенсации коммутирующая э. д. с. должна представлять собой зеркальное отображение реактивной э. д. с.

Рис. 6-2. Кривые реактивной и коммутирующей э. д. с.

На рис. 6-2,а приведены для некоторого частного случая кривые реактивной и коммутирующей э. д. с. Так как кривая реактивной э. д. с., построенная согласно данной теории, обычно имеет довольно сложное очертание, а кривую коммутирующей э. д. с. приходится выбирать прямоугольной или трапециевидной формы (более сложное распределение коммутирующего поля практически невозможно), то остается нескомпенсированная величина ∆е, которую сторонники данной теории и считают основной причиной искрения щеток.
Вполне понятно, что по мере увеличения нагрузки будет увеличиваться и нескомпенсированная часть ∆е, поэтому с точки зрения существующей теории необходимо ограничивать до допустимых пределов величину ет. Если бы можно было выполнить коммутирующее поле машины в полном соответствии с реактивной э. д. с. и была бы обеспечена удовлетворительная работа коллектора при очень большой плотности тока в щеточном контакте, то при спокойной работе щеток без вибраций и при равномерном распределении тока (прямолинейная коммутация) в контакте щетки обеспечен был бы исключительно большой токосъем без искрообразования.
Трудности, возникающие при работе коллектора высоковольтных машин, сточки зрения данной теории объясняются тем, что реактивная э. д. с., определяемая по формуле er=2wu∆λl, получается большой из-за сравнительно большого числа витков секций якоря, а следовательно, и повышенной нескомпенсированной части ∆ е.
Такое же явление будет иметь место и при ускорении вращения якоря. На рис. 6-2,б даны кривые ет и ек для случая, когда скорость вращения якоря увеличена в 2 раза по сравнению с тем, что имело место для рис. 6-2,а. Таким образом, если при прочих равных условиях скорость вращения якоря повысится вдвое, то вдвое же увеличится и ∆е, являющаяся, как эго принято думать, основной причиной коммутационного искрения.
Нам кажется, что объяснение основной причины искрения щеток и методика определения коммутирующей э. д. с. с позиций классической теории не отвечают действительному положению вещей по следующим соображениям:
1. Трудность удовлетворительной коммутации здесь связывается лишь максимальным значением реактивной  э. д. с. вне зависимости от того, на какую часть щеточного контакта она приходится, а для безыскровой работы щетки это не безразлично.

1. Уменьшение взаимоиндуктивной связи одновременно коммутируемых секций должно приводить к улучшению коммутации, а в действительности оно приводит к ухудшению работы щеточного контакта, что совершенно четко установлено практикой (наиболее сильно искрят те пластины коллектора, секции которых последними в пазах заканчивают коммутацию, а взаимоиндуктивная связь этих секций с секциями, расположенными в других пазах, много меньше).
2. Опыты по выяснению влияния добавочных полюсов на искрение щеток, проведенные с помощью прибора ИИ-1 (см. гл. 3), показали, что искрение можно прекратить на любой коллекторной пластине, но при этом общее искрение возрастет. Поэтому добавочные полюсы настраивают таким образом, чтобы общее искрение коллектора было минимальным, что опять-таки противоречит классической теории. Следовательно, искрит коллектор не потому, что форма ек не соответствует ег, так как искрение можно ликвидировать на любой пластине коллектора вне зависимости от формы кривой ек.

Неидентичность коммутационных циклов — основная причина искрения щеток

Факторы, влияющие на коммутацию, весьма многочисленны, например: марка щеток, индуктивность секций якоря, коммутирующее поле, скорость вращения коллектора, вибрации щеток, а также и другие, оказывающие меньшее, но отнюдь не малое влияние на работу щеточного контакта машин постоянного тока. Поэтому, казалось бы, что вряд ли существует основная причина искрения щеток, отдельно взятая.
Для того чтобы ответить на поставленный вопрос, рассмотрим влияние на коммутацию нескольких отдельных факторов. Представим себе, что щеточный контакт в механическом отношении работает удовлетворительно, и при таких условиях постепенно увеличивается индуктивность коммутируемых секций. Вполне понятно, что по мере увеличения индуктивности секций искрение будет возрастать, даже если при изменении индуктивности одновременно будет изменяться и поле коммутационной зоны с обеспечением наименьшего искрения в новых условиях коммутации. Однако если мы в этом случае, пользуясь каким-либо из описанных в предыдущей главе методов, развернем искрение коллектора на экране электронно-лучевой трубки, то заметим, что далеко не все коллекторные пластины подвержены искрообразованию. Отсюда можно сделать вывод, что если бы искрящие пластины контактировали с коллектором так же, как неискрящие, то была бы обеспечена темная коммутация, а следовательно, индуктивность секций якорной обмотки не может считаться основным фактором в рассмотренном нами случае. Правда, можно всегда искусственно создать условия, при которых будут искрить все пластины коллектора, но при этом они будут искрить обязательно с разной интенсивностью и, к сожалению, не всегда можно получить обратную картину.
Рассмотрим другой пример. Представим себе, что щетка в механическом отношении работает также удовлетворительно, но не обеспечивает удовлетворительную коммутацию. Эту щетку заменили другой, которая обеспечила, предположим, темную коммутацию. Из этого примера, казалось бы, можно заключить, что в данном случае основной фактор — это коммутирующая способность щетки. Такое заключение было бы верным, если бы с течением времени темная коммутация сохранилась, что в практике эксплуатации достаточно крупных машин, видимо, представляет настолько большую редкость, что автору на протяжении 25 лет работы в области коммутации ни разу не приходилось наблюдать, хотя на заводских испытательных станциях такие случаи не редки.
Спрашивается, чем же это объясняется? Основными причинами является то, что на заводских испытательных станциях при проверке коммутации машин очень часто нельзя создать производственные условия работы машин (сотрясения, характерные для работы на тепловозах и электровозах, толчкообразные нагрузки, резкие изменения режимов работы при переключениях двигателей, шунтировках поля и т. д.). Так, например, на Новосибирском турбогенераторном заводе тяговые двигатели для тепловозов испытывают без искусственной вентиляции, которая есть на тепловозах, поэтому в часовом режиме при испытаниях ток двигателя уменьшен до величины, обеспечивающей номинальную температуру к концу испытания без искусственной вентиляции. Вполне понятно, что при таких условиях коммутации на испытательной станции всегда будет удовлетворительной, чего, к сожалению, нельзя сказать о работе машин на тепловозах.
Далее настройку коммутации и установление балла искрения для крупных машин на заводских испытательных станциях часто проводят в режиме короткого замыкания. Настроенные машины в этом режиме, как правило, соответствуют настройке добавочных полюсов и при номинальном напряжении, но очень часто при режиме короткого замыкания степень искрения заметно меньше, чем при номинальном напряжении. Так, технические руководители одного судостроительного завода обратились к автору с вопросом, соответствует ли искрение в режиме короткого замыкания искрению при номинальном напряжении, причем в этом письме указывается, что машины, полученные с завода, хорошо проходят коммутационные испытания на испытательной станции завода, где они испытываются в режиме короткого замыкания, а на судовых установках при полном напряжении в смысле искрения работают не вполне удовлетворительно. Все это говорит о том, что некоторые положения ГОСТ, касающиеся испытаний коллекторных машин по коммутации, требуют пересмотра под углом зрения приближения этих испытаний к рабочим условиям работы коллекторных машин.
Эти примеры приведены здесь лишь с целью показать, что при работе крупных коллекторных машин в рабочем режиме основной причиной искрения щеток является неизбежная неидентичность коммутационных циклов, которая в той или иной степени имеет место, ибо при отсутствии этого фактора не существовала бы проблема коммутации. Так, если развернуть на экране осциллографа искрение машины с очень большой скоростью вращения коллектора, наибольшей достигнутой мощностью и прочими данными, определяющими тяжелые условия коммутации, то и в этом случае по экрану прибора можно заметить, что все пластины не будут искрить одновременно, а искрящие пластины будут иметь различную степень интенсивности искрения, причем при хорошей настройке добавочных полюсов будут секции, которые работают как с перекомпенсацией, так и с недокомпенсацией. Этот разнобой в искрении пластин коллектора не позволяет устранить искрение щеток, ибо каждая секция, обусловливающая искрение, требует соответствующего изменения коммутирующего поля, и если это поле изменить так, чтобы обеспечить ее безыскровую работу, ухудшится коммутация многих других секций. Вот почему среди главнейших причин искрения щеток неидентичность коммутационных циклов, вызванная механическими факторами, является основной.

Рис. 6-3. Схема замещения коммутируемого контура, принятая А. Н. Панфиловым.