Обоснование для исследований и методика проведения опытов
Стремление различных исследователей выявить связь очертания вольт-амперной характеристики с коммутирующими свойствами электрощеток является вполне понятным, так как ни один вид испытаний щеток, проводимых согласно существующему стандарту, не отражает их способности для тех или иных условий работы контакта коммутировать удовлетворительно. Обычно под коммутирующими способностями щеток понимают совокупность их свойств, влияющих на уменьшение степени искрения щеток, а поэтому по вольт-амперным характеристикам в первую очередь хотели предугадать степень и характер влияния щетки на коммутацию.
Установка, на которой были проведены опыты по выяснению связи вольт-амперных характеристик щеточного контакта с кривыми порогов искрения, имеет коллектор, все пластины которого объединены в две группы, каждая из которых включает пластины, отпаянные через одну. Группы пластин подключаются через контактные кольца к коммутируемой секции. При вращении коллектора этой установки в подключенной секции будут происходить изменения тока, подобные изменениям в реальных машинах, зоне коммутации которых магнитное поле отсутствует, щетка не перекрывает более двух коллекторных пластин.
В этой установке предусмотрен также искусственный порыв коллектора и замер его температуры термопарой, начальная стадия искрения щеток отмечалась прибором ИИ-1, датчиком которого был фотоэлемент.
Опыты на установке проводились следующим образом: после подогрева коллектора до температуры, при которой намечалось проведение опытов, подключали виток в коммутируемый контур установки и постепенно увеличивали ток через щеточный контакт до величины, при которой прибор с фотоэлементом отмечал начальную стадию искрения щеток. После этого без остановки вращения коллектора подключали два витка и также отмечали критический ток. Затем подключали три, четыре и пять витков с подобной же отметкой значений критических токов.
Далее после снятия кривой порога искрения, которое длилось всего несколько минут, тут же, без остановки вращения коллектора, закорачивали контактные кольца и снимали вольт-амперную характеристику. Для большей надежности эти опыты при каждой температуре повторяли 4 раза. Такая методика проведения опытов выбрана нами из тех соображений, что поверхностная пленка на коллекторе, а также и пришлифовка щеток к коллектору непрерывно претерпевают некоторые изменения, а поэтому в ходе опытов нами и были приняты все меры к тому, чтобы обе кривые снимались по возможности при одинаковых условиях работы щеточного контакта.
Влияние температуры коллектора на очертания вольт-амперных характеристик и кривых порогов искрения
Описанные здесь опыты проведены автором данной книги совместно с инж. Л. Б. Лобашевским. Для исследования выбраны три контрастные марки щеток — ЭГ14, ГЗ и МГ4. Прежде всего были проведены опыты с целью выяснения влияния температуры коллектора на очертания интересующих нас характеристик. Опыты в указанном выше порядке были проведены при температурах коллектора: 35, 60, 80 и 120° С. Результаты этих опытов отражены на рис. 6-11, на котором сплошными линиями нанесены характеристики щетки ЭГ14, пунктирными — щетки ГЗ и точкой — пунктир — щетки МГ4.
При температуре коллектора 35° С вольт-амперные характеристики и кривые порогов искрения приведены на рис. 6-11,а. Как видно, коммутирующая способность щетки ЭГ14 при данной температуре коллектора оказалась наибольшей, промежуточное положение занимает щетка МГ4 и наименьшую коммутирующую способность показала щетка ГЗ. Если же обратиться к вольт-амперным характеристикам этих щеток и рассмотреть их с точки зрения величины переходного падения напряжения в контакте, то оценка их коммутирующей способности будет иной. Можно было бы ожидать, что наихудшую коммутирующую способность должна иметь щетка не ГЗ, а МГ4.
На рис. 6-11,б даны те же кривые, но снятые при температуре коллектора 60° С. Как видно из сопоставления их с ранее полученными при температуре 35° С, вольт-амперные характеристики при возросшей температуре коллектора, как и следовало ожидать, расположились несколько ниже, однако характер их очертания при этом не изменился. Если при температуре коллектора 35° С щетки ЭГ14 и ГЗ имели характеристики восходящего вида, а щетки МГ4 типа ∆u =const, то и при температуре коллектора 60° С это сохранилось в полной мере. Однако коммутирующая способность щеток на основе кривых порогов искрения претерпела при этом весьма существенные изменения. Так, например, если при tк=35oС наилучшей коммутирующей способностью обладала щетка ЭГ14, то при tк=60°С ее коммутирующая способность оказалась наихудшей, а у щетки ГЗ произошли изменения совершенно противоположного вида. Следует далее отметить, что для щетки ГЗ при tк=60°C все точки кривой порогов искрения согласуются с уравнением Iкw≈const (Iкw=12—14), а это свидетельствует о вполне удовлетворительной работе щетки в механическом отношении. Что же касается других щеток, то для ЭГ14 Iкw изменилось от 5 до 3, а для щетки МГ4 от 7 до 4,5.
Достаточно резкие изменения в работе щеток при температуре 60—70° С подмечали многие исследователи коммутации как при снятии вольт-амперных характеристик (опрокидывание полярных свойств щеток), так и при исследованиях искрения щеток электрических машин при длительном режиме их работы. Что же касается щетки МГ4, то в данном опыте она показала практически неизменную коммутирующую способность в этом диапазоне температуры.
На рис. 6-11,в показаны кривые Iк=f(w) и ∆u=f(I) при температуре коллектора 80° С, при этой температуре произошло дальнейшее снижение ∆и для щеток ЭГ14 и ГЗ, но для щетки МГ4 оно несколько увеличилось. Что же касается кривых порогов искрения, то в них наблюдаются более существенные изменения. Так, например, коммутирующая способность щетки ЭГ14 вновь оказалась более высокой, чем у двух других. Величина Iкw при этой температуре по мере увеличения нагрузки для щетки ЭГ14 изменялась от 8,5 до 6, в то время как при tк=60°С ее значения изменялись от. 5 до 3. Заметно ухудшилась коммутация щетки МГ4. Минимальное значение Iкw для нее при tк=60°С было 4,5, а теперь оно стало равным примерно 3,5. Наиболее же резко в сторону ухудшения изменились коммутирующие свойства щетки ГЗ, для которой при tк=60°С Iкw лежало в пределах 10—14, а при tк =80°С этот предел стал 8—5.
Дальнейшее повышение температуры коллектора до 120° С не показало сколько-нибудь заметного снижения Δα для всех марок щеток (рис. 6-11,г), но и в этом случае весьма существенно изменилось расположение кривых порогов искрения. Наилучшие коммутирующие свойства при этой температуре показала щетка МГ4 и наихудшие — ГЗ.
Правда, при коммутировании пяти витков все щетки имели одинаковый критический ток, равный 1 а, и, следовательно, для всех щеток Iкw= 5, что имело место и при температуре коллектора 35° С. Однако при одном витке для щетки ЭГ14 Iкw составило уже 4,3, для щетки МГ4— 5, а для щетки ГЗ — (при w=4) всего лишь 3.
На основе рассмотренных здесь кривых можно сделать два вывода:
- Температура щеточного контакта оказывает весьма заметное влияние на коммутирующую способность электрощеток. Для разных марок щеток диапазон наиболее благоприятной температуры контакта весьма различен.
- Вольт-амперные характеристики не могут служить даже и для косвенного суждения о коммутирующей способности электрощеток.
Вольт-амперные характеристики и кривые порогов искрения при различных скоростях вращения коллектора
Для того чтобы проследить влияние изменения скорости вращения коллектора на вольт-амперные характеристики и кривые порогов искрения, были поставлены опыты по снятию указанных кривых при 1 000, 1 500 и 2 000 об/мин.
На рис. 6-12,а приведены эти кривые при п=1000 об/мин и неизменной температуре коллектора. При данных условиях опыта при том же очертании вольт-амперных характеристик, какое имелось у них и в опытах с различной температурой коллектора, наилучшую коммутирующую способность показала щетка ГЗ, для которой Iкw при 5, 4, 3, 2 витках соответственно определилось следующими цифрами: 15, 16, 18, 18. Несколько хуже коммутировала щетка ЭГ14, для которой щеточный показатель коммутации Кщ= Iкw соответственно для тех же витков имел значения: 9, 11, 14, 12, а для щетки МГ4, которая для данных условий работы щеточного контакта имела наихудшие коммутирующие свойства, эти цифры оказались: 7,5; 8; 7,5, 7,2.
Затем опыт был повторен при n=1 500 об/мин. Как и следовало ожидать, все вольт-амперные характеристики несколько поднялись (рис. 6-12,б), причем увеличение ∆и было незначительным. Однако кривые порогов искрения претерпели более заметные изменения. Например, щеточный показатель коммутации для щетки ГЗ, для 5, 4, 3 и 2 витков имел уже значения 11,4; 11,2; 15; 13, что в сравнении с кривой при п=1 000 об/мин дает снижение на 20— 25%. Две другие щетки коммутировали примерно одинаково со щеточными показателями 6, 7, 7,5, 8,8, что для щетки ЭГ14 соответствует снижению при повышении оборотов на 30—40%, а для МГ4 снижение Кщ оказалось крайне небольшим (в среднем 10%).
Наконец, скорость была доведена до 2 000 об/мин, и в том же порядке были сняты те же кривые. Эти кривые приведены на рис. 6-12,в. На этой скорости коллектора при относительно небольшом увеличении ∆и коммутирующая способность всех щеток несколько уменьшилась, причем щетка ГЗ в сравнении с другими показала лучшие коммутирующие свойства. Для этой щетки при тех же числах витков имел уже значения 10, 10, 12, 10, что на 10—12% ниже, чем при п=1 500 об/мин. Для щетки ЭГ14 Кщ получил значения 6; 5,2; 5; 4,8, а для МГ4 соответственно 4,5; 5; 5; 4,8. Эти цифры показывают, что щетки ЭГ14 и МГ4 снизили коммутирующую способность в сравнении с тем, что было при 1500 об/мин более значительно, чем ГЗ. Особенно это касается щетки ЭГ14, у которой при w=2 коммутирующая способность уменьшилась примерно вдвое.
На основе всех кривых, снятых при различных скоростях вращения коллектора, отчетливо видно, что вольт- амперные характеристики не отражают коммутирующей способности щеток. Это было отмечено и при сопоставлении характеристик, снятых при разных температурах коллектора.
