Вольт-амперная характеристика щеток как показатель их коммутирующей способности
Сравнительно недавно на страницах журнала «Электричество» была проведена дискуссия по ряду вопросов коммутации машин постоянного тока и, в частности, относительно наиболее благоприятной формы вольт-амперной характеристики щеточного контакта.
Для крупных машин, у которых es и ек значительно больше переходного падения напряжения в контакте ∆u, О. Г. Вегнер считает целесообразной вольт-амперную характеристику, приближенную к виду ∆u=const (Л. 4-5]. Преимущество такой характеристики, по его мнению, заключается в том, что именно при такой форме можно получить ступени малого тока при завершении коммутации.
Однако такую точку зрения на вольт-амперную характеристику не поддержал ни один участник дискуссии. В частности, Н. А. Панфилов [Л. 6-3], пользуясь методом суперпозиции при рассмотрении коммутируемого контура, согласно рис. 6-3 записывает для него уравнения, на основе которых приходит к совершенно другим выводам:
(6-3)
(6-3,а)
(6-3,б)
Выступивший в порядке дискуссии инж. Ф. Седлак [Л. 6-4] высказал мысль, что большие переходные падения напряжения в щеточном контакте при малых плотностях тока наблюдаются только при длительном протекании тока через контакт и что нельзя пользоваться вольт-амперными
характеристиками для малых плотностей тока при завершении коммутации, так как даже при наличии ступени малого тока плотность тока будет достигать номинальных значений. С его точки зрения коммутирующую способность электрощеток следует определять непосредственно в процессе коммутации на реальных машинах пли на модели.
В конце данной главы приведены результаты опытов, назначение которых состояло в том, чтобы выяснить, в какой степени по очертанию вольт-амперных характеристик можно судить о коммутирующей способности щеток. Эти опыты были проведены на модели, воспроизводящей коммутационный процесс, и позволили сделать заключение о том, что нельзя судить о коммутирующей способности щеток по вольт-амперным характеристикам.
Нам кажется, что этот вывод является вполне естественным, так как вольт-амперная характеристика снимается на контактном кольце, т. е. без наличия коммутационного процесса, который, судя по кривым коммутируемых секций, завершается с очень большой плотностью тока в сбегающем крае щетки, а поэтому обычная вольт- амперная характеристика ни в какой степени не отражает работу щеток на коллекторе.
Критический ток как показатель коммутирующей способности щеток
В 1948 г. автор [Л. 2-5] опубликовал статью, в которой предлагалась методика определения коммутирующей способности щеток на специальных моделях, воспроизводящих коммутационный процесс. Одна из установок представляла собой простейший двухпластинчатый коллектор, а вторая имела неподвижный коллектор, но вращающуюся щеточную траверсу. Эти установки описаны в гл. 2.
Если, пользуясь такими аппаратами, снимать зависимость es макс=f(I), то она будет иметь вид, приведенный на рис. 6-4. Искрение щеток возникает в момент, когда величина es макс практически перестает изменяться, что характеризуется током Iк, который был нами назван критическим током и который, естественно, является показателем коммутирующей способности электрощеток. Было также замечено, что если амплитудным вольтметром замерять падение напряжения в сбегающем крае щеточного контакта, то критический ток, найденный по падению напряжения, точно совпадает с критическим током, найденным из кривой es макс=f(I).
Вполне понятно, что определить величину критического тока по падению напряжения можно и на реальных машинах, что и было отмечено в указанной статье автора.
Однако нам представлялось, что величина Iк, определяемая в функции тока щетки без изменения индуктивности коммутируемого контура, может характеризовать коммутирующую способность электрощетки только лишь для параметров коммутируемого контура машины, па которой снимается зависимость ∆uмакс=f(I), а поэтому автор предложил определять коммутирующую способность электрощеток по кривым Iк=f (w), пользуясь для этой цели искусственными аппаратами.
В 1957 г. А. С. Констансов [Л. 5-6] опубликовал статью, в которой предлагает определять коммутирующую способность щеток по кривым es макс=f (I), используя для этой цели аппарат с одной щеткой па коллекторе. На кривых, приведенных А. С. Констансовым, отмечена балльность искрения, а в тексте указано, что первый перегиб данной кривой (рис. 6-5) соответствует началу искровых разрядов, а второй—разрядам дуговым, обусловливающим электрический износ щеток и коллектора.
Величину переходного падения напряжения А. С. Констансов измерял селективным вольтметром на частоте 160 кГц (минимальная частота, на которую можно было настроить примененный прибор ИП-12). Нам кажется, что измерения ∆uмакс и обычным амплитудным вольтметром не изменит значений критических токов, а величина ∆uмакс здесь не имеет большого значения. Основной же недостаток предложенного автором и несколько модернизированного А. С. Констансовым метода, заключается в том, что зависимость
, снятая только для одной индуктивности коммутируемого контура, дает возможность определить коммутирующую способность той или иной щетки только лишь для параметров секций, имевших место при снятии кривой
.
Связь коммутирующей способности щеток с величиной электромагнитной энергии коммутируемого контура
Автор ставил опыты по определению критического тока при различном числе витков коммутируемой секции на искусственных аппаратах с вращающимся коллектором и с вращающейся щеточной траверсой. На основе большого количества опытов было установлено, что при тщательной пришлифовки щеток и без коммутирующей э. д. с. ек — произведение критического тока на число витков коммутируемой секции — есть величина постоянная для каждой марки щеток, а величина этого произведения характеризует коммутирующую способность щетки:
(6-6)
Кривые
были сняты для трех контрастных марок щеток: меднографитовой, твердой угольной и графитовой. При параметрах секций якорной обмотки, имевших место в условиях нашего опыта, эти щеточные константы получились следующими:
Следует отметить, что при удовлетворительной работе щеточного контакта в механическом отношении все точки кривой практически точно соответствуют выражению Iw=const, причем в ряде случаев отступления от этого соотношения составляют не более 1—2%, а это значит, что искрение секции достаточно четко определяется величиной магнитного потока секции, но так как для всех точек данной кривой эти потоки распределяются в одном якоре, то, следовательно, искрение в конечном счете определяется электромагнитной энергией коммутируемых секций.
Следует указать, что в США [Л. 4-4] используют установку с двухпластинчатым коллектором для определения коммутирующей способности электрощеток, с той лишь разницей в сравнении с применяемой автором, что коммутируемые секции взяты без сердечника, а их индуктивность изменяется посредством изменения взаимного расположения двух катушек. Точно так же и у нас в СССР некоторые исследователи применяли секции без сердечника. Применение для этой цели катушек без сердечника мотивируется тем, что понятие индуктивности секций со стальным сердечником при условии, когда неизвестен характер изменения тока при завершении коммутации, является не вполне определенным.
Но тогда, естественно, возникает такой вопрос, а почему же при спокойной работе контакта в механическом отношении и при применении секций, расположенных в пазах якоря, отступления от закономерности Iw=const составляют ничтожную величину. Казалось бы, что наличие сердечника у коммутируемых секций должно было привести к весьма значительным отступлениям от этой закономерности. Причина этого, с нашей точки зрения, заключается в своеобразном поведении при завершении коммутации электрической дуги, которая горит при неизменном
коммутируемого контура и при практически неизменном напряжении. Характер изменения тока в секции всегда практически прямолинейный, и при переходе к секциям с большим числом витков скорость его изменения уменьшается пропорционально увеличению числа витков, но характер изменения всегда останется неизменным. Этим, видимо, объясняется отсутствие существенной разницы в изменении зависимости индуктивности секций от скорости спада магнитного потока при разных числах витков коммутируемых секций даже при наличии стального магнитопровода.
Следует указать, что координаты Iк и w для кривых, определяющих коммутирующую способность щеток, являются весьма удобными, так как они не требуют вычерчивания кривых. В тех же случаях, когда при разных числах витков член Iкw несколько изменяется при увеличении числа витков секции, то в этом случае следует характеризовать коммутирующую способность щетки двумя цифрами, одна из которых соответствует Iк при одном витке, а другая — наибольшему числу витков.
Рис. 6-6. Принципиальная схема установки А. П. Кучумова для определения коммутирующей способности щеток.
Такие две цифры, учитывая плавность данной кривой, достаточно хорошо определяют коммутирующую способность щетки во всем диапазоне изменения числа витков секции.
А. П. Кучумов (Л. 6-6] для определения коммутирующей способности электрощеток использовал установку с одной щеткой на коллекторе, все пластины которого были объединены в две группы, расположенные с чередованием по коллектору через одну пластину и приключенные к двум контактным кольцам, к которым подключается как коммутируемая секция, так и параллельные ветви обмотки (рис. 6-6). Для кривых коммутирующей способности отмечались во время опыта индуктивность коммутируемой секции и ток, проходящий через щетку (L, 2ia), и на основе этих данных строились кривые, которые А. П. Кучумовым были названы кривыми порогов искрения. На рис. 6-7 показаны кривые порогов искрения для различных марок щеток, снятые при различных значениях сопротивления коммутируемого контура, откуда видно, что наличие большого сопротивления в цепи коммутируемой секции (1,055 ом) дало очень заметное ухудшение коммутации, что объясняется увеличением плотности тока в сбегающем крае щетки, из-за большого сопротивления секции.
На рис. 6-8 приведены кривые порогов искрения для двух марок щеток, снятых при различных скоростях вращения коллектора. При повышенной скорости вращения коллектора щетка МГ4 несколько ухудшила коммутацию, щетка ЭГ14 при малых токах коммутировала хуже при пониженных оборотах коллектора (500 об/мин), а при больших нагрузках разница в качестве коммутации начала сглаживаться, и в конце опыта при токе 5 а коммутация при повышенных оборотах коллектора (1 500 об/мин) оказалась даже несколько лучшей.
искрения Iк, L несколько удобнее координат Iк, w, так как индуктивность секций реальных машин в этом случае несколько лучше увязывается с кривыми порогов искрения. Однако и в кривых c координатами Iк, w можно около каждой цифры, отмечающей число витков секции, проставлять в скобках ее индуктивность. Преимущество координат Iк, w состоит в том, что, во-первых, отпадает необходимость вычерчивать кривые порогов искрения, и во-вторых, при отсутствии выполнения условия Iкw=const две цифры, характеризующие коммутирующую способность щетки с секцией в один виток и с максимальным числом витков, дадут возможность судить, при каких условиях уменьшается электромагнитная энергия секции, при которой контакт начинает работать с искрообразованием.
Кривые порогов искрения, выраженные как в координатах Iк и w, так и в координатах Iк и L, достаточно объективно характеризуют коммутирующую способность щеток. Однако очень часто против подобной методики определения коммутационных свойств щеток возражают потому, что кривые порогов искрения определяются на установке, в которой отсутствует коммутирующая э. д. с. ек, а поэтому считают, что полученные кривые будут характеризовать работу щеток машин только без добавочных полюсов.
Такая точка зрения была бы правильной, если бы коммутационные циклы на всех пластинах коллектора были бы одинаковыми. Но так как в реальных машинах коммутационные циклы неидентичны, коммутирующую способность щеток и для машин с добавочными полюсами следует определять так же, как и для машин без них.
Рис. 6-8. Кривые порогов искрения при различных оборотах коллектора.
1 — МГ14 при 1 500 об/мин; 2 — МГ4 при 1 500 об/мин; 3 — ЭГ14 при 1 500 об/мин; 4 — ЭГ14 при 500 об/мин.
Действительно, представим себе, что коммутируется секция без э. д. с. ек (рис. 6-9). В течение времени, соответствующего небольшому участку аб, соответствует очень большое изменение тока, которое в значительной степени уменьшает ток разрыва секции, а следовательно, приводит к уменьшению искрения. Именно этот участок кривой тока коммутируемой секции и характеризует коммутирующую способность щетки. Кстати заметим, что это ускоренное изменение тока при завершении коммутации связано с большим увеличением плотности тока в сбегающем кран щетки, что видно из сильного поворота касательных к кривой тока на этом участке.
Рис. 6-9. Кривая тока секции без коммутирующей э. д. с.
Теперь представим себе, что машина имеет добавочные полюсы, не обеспечивающие безыскровой работы щеточного контакта. Если это так, то, следовательно, искрение происходит потому, что добавочные полюсы компенсируют основную часть секций, но некоторые секции при этом оказываются либо перекомпенсированными, либо недокомпенсированными, а коммутирующая способность щеток, которая проявляется при завершении коммутации, была не в состоянии обеспечить полностью реверс тока. Следовательно, коммутирующая способность щеток, найденная на установке без коммутирующей э. д. с., будет характерной и для ее работы на коллекторах машин с добавочными полюсами.
Ведь по существу в задачу э. д. с. ек входит полностью скомпенсировать э. д. с. еr, и если бы эта задача выполнялась, то от щетки никакой коммутирующей способности и не требовалось. Поэтому независимо от того, какие в данной машине ек и еr, щетка должна дореверсировать токи, которые могут возникнуть как из-за несовершенства расчета и настройки добавочных полюсов, так и отсутствия однообразия коммутационных циклов по всему коллектору в силу факторов механической природы.
