ГЛАВА ПЕРВАЯ
ИССЛЕДОВАНИЯ КОММУТИРУЕМОГО КОНТУРА
1.1. СОПРОТИВЛЕНИЕ ЩЕТОЧНОГО КОНТАКТА НА ОСНОВЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
Общие соображения
Рис. 1-1. Коммутируемый контур для случая, когда ширина щетки соответствует коллекторному делению.
Возникающие в секциях якорной обмотки э. д. с. самоиндукции при переключении их из одной параллельной ветви якорной обмотки в другую (рис. 1-1) играют чрезвычайно большую роль в работе щеточного узла машин постоянного тока. В целом их влияние сказывается отрицательно на работе щеточного контакта, а поэтому вопросы, относящиеся к компенсации данной э. д. с., заслуживали всегда очень большого внимания. В действительности же, когда щетки машины перекрывают больше одного коллекторного деления, помимо э. д. с. самоиндукции, возникают еще э. д. с. взаимоиндукции, учет влияния которых исключительно сложен. Однако краеугольным камнем, от которого в наибольшей степени зависит соответствие теоретических выводов данным практики, является в коммутируемом контуре щеточный контакт. Как известно, поведение щеточного контакта чрезвычайно сложно. Его сопротивление зависит не только от марки щетки, удельного давления, поверхности соприкосновения с коллектором, характера и степени вибрации щетки, атмосферных условий и температуры контакта, но и от параметров коммутируемого контура.
Наиболее сложным для учета в уравнениях коммутируемого контура является характер распределения электрической проводимости в контактном слое щетки. Как показали опыты последних лет, переменные сопротивления r1 и r2 изменяются при неизменном режиме работы машины не только потому, что изменяются во время коммутации площади контактирования щетки с коллекторными пластинами. Проводимость в набегающей и сбегающей частях щетки зависит также и от многих других факторов, причем эта зависимость является исключительно сложной. Поэтому при составлении уравнений для коммутируемого контура, естественно, приходилось прибегать к тем или иным допущениям в отношении учета сопротивления переходного слоя между щеткой и коллектором. В научных исследованиях сложных явлений такой путь часто находит применение. Но для того чтобы теоретические выводы не оказались в резком противоречии с практикой, возможны не всякие допущения. Необходимо в подобных случаях учитывать степень несоответствия принятых допущений реальным явлениям. Если обратиться к рассмотрению с этих позиций различных вариантов аппроксимации контактного сопротивления в коммутационном процессе, то неизбежно придешь к выводу, что все допущения, принятые различными исследователями, слишком грубы, и поэтому теоретические выводы, сделанные на основе подобным образом составленных уравнений, оказываются обычно бесплодными для практики. Интересно отметить, что ни в одном уравнении коммутации ни в какой степени не учитывается зависимость сопротивления контакта от его температуры, в то время как она оказывает исключительно большое влияние на коммутацию. Автор в свое время поставил следующий чрезвычайно наглядный эксперимент: к искусственному аппарату, воспроизводящему коммутационный процесс, была приключена секция, параметры которой соответствовали машине средней мощности.
От исследуемой секции с бифилярного витка сделано было подключение к электродному осциллографу. Коллектор аппарата нагревался специально устроенным подогревателем, и в течение всего времени наблюдалась кривая тока коммутируемой секции при неизменном токе нагрузки. Это наблюдение показало, что первоначально кривая тока соответствовала прямолинейной коммутации, затем в ней появились характерные изгибы, свидетельствующие о влиянии активного сопротивления секции, и, наконец, она получила форму кривой экспоненциального вида. Нам кажется, что в отдельности взятый температурный фактор, неучтенный во всех предложенных уравнениях коммутируемого контура, может поставить под сомнение выводы, вытекающие при анализе подобного рода уравнений, так как температуры коллекторов и щеток различных машин отличаются весьма значительно. А если учесть, что, помимо этого, в основе каждого уравнения скрыты и другие весьма существенные погрешности в учете контактного сопротивления, то станет совершенно ясным, что подобного рода уравнения далеки от жизни.
Сопротивление щеточного контакта на основе статических вольт-амперных характеристик
Наиболее полно сопротивление щеточного контакта определяется статическими и динамическими вольт-амперными характеристиками, снимаемыми при различных условиях работы контакта на установках либо с вращающимся контактным кольцом, либо с короткозамкнутым коллектором. Следовательно, и в том и в другом случае в опыте отсутствует коммутационный процесс, из-за чего подобного рода характеристики не могут достаточно четко отражать влияние коммутации на работу щеточного контакта, и поэтому попытки, сделанные различными исследователями, определять коммутирующие свойства электрощеток по их вольт-амперным характеристикам не дали желаемых результатов. На очертание вольт-амперных характеристик оказывают влияние очень многие факторы, наиболее действенными из которых являются: сорт щеток, степень и характер вибраций, коллекторная оксидная пленка, температура щеток и коллектора, методика снятия характеристик, удельное давление в щеточном контакте, размер и конфигурация щеток и атмосферные условия.
На рис. 1-2 приведены вольт-амперные характеристики, снятые при одинаковых условиях и одной методике на контактном кольце (кривая а) и на короткозамкнутом коллекторе (кривая б). Однако, как видно из представленных кривых, разница в величинах ∆u получилась весьма существенной. В данном случае опыт на коллекторе обеспечил большие значения Δu благодаря повышенным вибрациям щетки.
Рис. 1-3. Вольт-амперные характеристики, полученные В. И. Нэллиным для анодных щеток МГС8 и ЭГ8 в нормальных и специальных условиях при давлении воздуха 198 мм. рт. ст. и 56° С.
а и б — щетка МГС8; в и г — щетка ЭГ8; а и в — в нормальных условиях; б и г — в специальных условиях. до установившейся температуры; — — — —4-секундные; — . —. — .—2-минутные.
Обычно большое значение имеет при снятии вольт- амперных характеристик методика проведения опытов и в первую очередь выдержка времени для каждой точки кривой. В. И. Нэллин [Л. 1-1] поставил большое количество опытов с целью выяснения влияния выдержки времени на каждой ступени тока на характер очертания вольт- амперных характеристик как в нормальных атмосферных условиях, так и при резко пониженном давлении воздуха и отрицательной его температуре. На рис. 1-3 представлены вольт-амперные характеристики для щеток МГС8 (а, б) и ЭГ8 (в, г) как в нормальных условиях (кривые а, в), так и при пониженном давлении воздуха до 198 мм. рт. ст. и отрицательной его температуре —56,5° С (кривые б, г), снятые с различными выдержками времени.
Опыты по снятию этих кривых проводились следующим образом.
Стеклянной бумагой удаляли с кольца пленки от предыдущих опытов, после чего установка в течение 50 мин находилась под номинальным током при тех атмосферных условиях, при каких предполагалось снимать вольт-амперную характеристику. После предварительной работы контакта под номинальным током снимали вольт-амперную характеристику со строго определенной выдержкой времени на каждой ступени тока, а если характеристику снимали до установившейся температуры, то каждую точку отмечали при практически установившейся температуре. После этого устраняли поверхностную пленку и в той же последовательности снимали характеристики для других условий.
Из рассмотренных кривых на рис. 1-3 можно заключить, что выдержка времени при снятии вольт-амперных характеристик весьма существенно влияет как на величину ∆u при номинальных плотностях тока, взятых по ГОСТ (заштрихованная область), так и на общий характер очертания данных кривых. Кривые, снятые при установившейся температуре контакта (сплошные линии), при малых плотностях тока располагаются выше кривых, снимаемых при малых выдержках времени, что объясняется тем, что щеточный контакт предварительно в течение 50 мин находился под номинальным током, а следовательно, для начальных точек кривых, снимаемых при малых выдержках времени, температура коллектора и щеток была больше установившейся температуры при малых токах. Однако уже частично при номинальных токах, а в особенности при перегрузках, это различие постепенно сглаживается, и в большинстве случаев кривые, снимаемые при установившейся температуре, располагаются при перегрузках ниже кривых, полученных с ограниченной выдержкой времени, что объясняется большей температурой контакта при условии, когда при больших нагрузках обеспечивают установившееся тепловое равновесие для каждой точки кривой.
Следует также отметить, что от методики снятия вольт-амперных характеристик в значительной степени зависит и величина подъема кривой при малых токах
, а также и очертание их в области номинальной плотности тока. Так, например, кривые, снятые при установившейся температуре контакта, имеют очень большой подъем при малых токах, но зачастую в области номинального тока и перегрузки они дают снижение ∆u при увеличении тока (сплошная линия на рис. 1-3). Странным после рассмотрения кривых на рис. 1-3 кажется то, что приводимые в литературе вольт-амперные характеристики, как правило, не снабжаются указаниями относительно методики их снятия, благодаря чему подобного рода характеристики являются весьма неопределенными.
Рассмотренные характеристики были сняты для анодных щеток, которые в большинстве случаев весьма существенно отличаются от характеристик для катодных щеток, снимаемых при тех же условиях и по той же методике.
На рис. 1-4 приведены кривые, полученные В. И. Нэллиным [Л. 1-2] для двух контрастных щеток, отражающие как влияние полярности щеток, так и атмосферных условий на очертание вольт-амперных характеристик. Эти кривые были сняты с двухминутной выдержкой времени, принятой для вольт-амперных характеристик на наших электрощеточных заводах.
Рис. 1-4. Вольт-амперные характеристики.
а — для щетки МГС8; б —для щетки ЭГ8; для анодных щеток; для катодных щеток; жирные линии — для нормальных атмосферных условий; тонкие линии — для разряженного воздуха с отрицательной температурой —56,5° С.
На основе данных кривых можно сделать следующие выводы:
1. Полярные свойства щеток проявляются весьма отчетливо как в нормальных атмосферных условиях, так и при пониженных давлениях и отрицательных температурах.
2. Для щеток, содержащих металлы, вольт-амперные характеристики для анодных щеток располагаются выше, чем для катодных, как в нормальных, так и в высотных условиях.
- Для щеток «черных», т. е. без содержания металлов, вольт-амперные характеристики катодных щеток располагаются выше, чем анодные, и подобного рода полярные свойства их сохраняются и в высотных условиях.
- Разница в величинах падений напряжения у анодных и катодных щеток может достигать 200%.
Чрезвычайно своеобразно проявляется влияние давления атмосферы и в особенности температуры щеточного контакта на его свойства. На рис. 1-5 приведены кривые +Δu и —Δu в зависимости от давления воздуха, полученные также В. И. Нэллиным, снятые при постоянной плотности тока. Эти кривые показывают, что по мере уменьшения давления воздуха разница между значениями +Δu и —Δu постепенно сглаживается, что можно объяснить влиянием коллекторной пленки, которая при пониженных давлениях воздуха, а следовательно, и уменьшенных окисляющих его способностях восстанавливается в меньшей степени.
Что же касается влияния температуры контакта на характер очертания вольт-амперных характеристик и на полярные свойства щеток, то это влияние в высшей степени сложно, так как температурное состояние контакта в значительной степени влияет как на образование коллекторной пленки, роль которой в коммутационном процессе трудно переоценить, так и на различные формы электронной и ионной проводимостей тока в контакте.
Рис. 1-5. Изменение переходного падения напряжения для щетки ЭГ8 от давления окружающего воздуха при плотности тока 10 а/мм2 и температуре щетки 50° С.
На рис. 1-6 приведены кривые +∆и и —∆и, а также температуры кольца в функции времени для щетки МГС7. Опыт при снятии этих кривых длился 60 мин, при этом в течение 28 мин кольцо нагревалось, а затем охлаждалось. Приведенные кривые свидетельствуют о том, что во-первых, не всегда увеличению температуры щеточного контакта соответствует снижение Δu, что в данном случае имело место у катодной щетки, а во-вторых, при некоторых температурах может наблюдаться своего рода опрокидывание полярных свойств щеток, которое для опыта, отображенного на рис. 1-6, соответствовало температуре 75° С.
Рис. 1-6. Изменение переходного падения напряжения для щеток МГС7, а также температуры кольца при неизменном токе нагрузки в зависимости от времени.
Подводя итог рассмотрению вольт-амперных характеристик с точки зрения их стабильности и зависимости от различных факторов, следует указать, что рассмотрение этого вопроса с указанных здесь позиций преследовало цель — показать, что вольт-амперная характеристика не является чем-то вполне определенным, если не регламентированы точно те условия, в которых она должна быть снята. А между тем очень часто при посредстве вольт- амперных характеристик пытаются определить коммутирующую способность щеток при различных условиях коммутации, не указывая, однако, при каком режиме следует снимать данную вольт-амперную характеристику, на основе которой должны определяться коммутационные свойства щеток. С нашей точки зрения, если делается вывод о том, какие очертания должна иметь вольт-амперная характеристика для тех или иных условий коммутации, то необходимо при этом четко обосновать режим снятия ее.
Есть попытки и другого характера: в уравнение коммутируемого контура вводят сопротивление набегающего
и сбегающего краев щетки на основе вольт-амперной характеристики, взятой из какого-либо литературного источника, и без всякого указания, почему взята именно эта характеристика, решают поставленную задачу. Вполне понятно, что выводы из анализа таких уравнений не могут дать практически желаемых результатов.
Динамические вольт-амперные характеристики электрощеток
Рассмотрение коммутационного процесса приводит к убеждению, что статические вольт-амперные характеристики, очертание которых зависит в очень большой степени от выдержки времени при их снятии, вряд ли могут в достаточной мере характеризовать работу щеточного контакта, так как наиболее ответственные фазы коммутационного процесса протекают при наличии импульсов тока, соответствующих главным образом окончанию коммутации. По этому поводу З. Б. Вартанов [Л. 1-3] пишет: «Для математического анализа коммутационного процесса статические вольт-амперные характеристики щеточного контакта аппроксимируются обычно линейной зависимостью между переходным падением напряжения и плотностью тока либо с допущением постоянства переходного падения напряжения в широкой области изменения плотности тока, что расходится с практическими результатами», и далее, «Образование проводимости щеточного контакта при быстро меняющихся токах является динамическим процессом, скорость протекания которого зависит от изменения тока. Отсюда ясно, что описание свойств щеточного контакта его статической характеристикой является грубым приближением и, рассматривая прохождение тока через пластину коллектора и щетку, нетрудно убедиться в импульсном характере изменения тока, протекающего через контакты».
На рис. 1-7 представлена блок-схема установки З. Б. Вартанова, на которой были сняты динамические вольт-амперные характеристики, приводимые ниже. Эта установка включает генератор импульсов тока 1, имеющих треугольную симметричную форму с длительностью 100— 2 000 мксек и амплитудным значением 5—250 а. В качестве индикатора использована электронно-лучевая трубка с электростатическим отклонением луча, которая воспроизводит вольт-амперную характеристику вполне устойчиво, так как ее развертки синхронизированы с генератором импульсов тока.
Рис. 1-7. Блок-схема установки для определения импульсных вольт-амперных характеристик.
1 — генератор импульсов тока; 2 — шунт; 3 — измерительная щетка; 4 — пусковая схема; 5 — контакт внешнего пуска; 6 и 7 — усилители напряжения; 8 — индикатор.
Рис. 1-8. Импульсные вольт-амперные характеристики при различных значениях импульсов тока, длительность импульса 280х1-8 сек.
На рис. 1-8 изображены динамические вольт-амперные характеристики, соответствующие различным значениям импульсов тока при неизменной его длительности. Из рассмотрения этих кривых видно, что восходящие ветви напоминают статические вольт-амперные характеристики, в то время как обратные ветви приближаются к характеристикам, согласно которым контактное сопротивление практически не зависит от тока нагрузки. Характерным для данных кривых является также и то, что значительным увеличениям импульсов тока здесь соответствуют лишь небольшие увеличения падения напряжения.
На рис. 1-9,а показаны вольт-амперные характеристики, которые сняты при практически одинаковых импульсах тока, но имеющих различную длительность, на основе которых можно заключить, что восходящие ветви кривых соответствующие малым токам, весьма заметно поднимаются вверх при уменьшении длительности импульса, в то время как их обратные ветви практически совпадают.
Рис. 1-9.
а — импульсные вольт-амперные характеристики при различной длительности импульсов тока; б — импульсные вольт-амперные характеристики при различных площадях щеточного контакта.
Это объясняется, по-видимому, тем, что «формирование» контакта для прохождения тока требует известного времени, в то время как для обратного процесса существует своего рода инерция, в силу которой при малых длительностях импульсов «сформированный» контакт проявляет себя как сопротивление с практически постоянным значением.
На рис. 1-9,б приведены импульсные характеристики, соответствующие разным площадям щеточного контакта, по ним видно, что величина поверхности щетки оказывает сравнительно небольшое влияние на динамические характеристики. Так, одна площадь щеток больше другой у первой и третьей кривых примерно в 14 раз, в то время как максимальные значения ∆u отличаются меньше чем в 2 раза. Рассмотренные здесь динамические вольт-амперные характеристики, по мнению З. Б. Вартанова, еще не могут быть приложены к щеточному контакту электрических машин, так как они не соответствуют условиям работы набегающего и сбегающего краев щетки.
В реальных машинах площадь контактирования набегающего края щетки с пластиной увеличивается в начальный период коммутации, а когда щетка покидает эту пластину, то площадь ее соприкосновения со сбегающим краем щетки уменьшается, что не находит отражения при снятии описанных выше динамических вольт-амперных характеристик. Чтобы восполнить этот пробел, З. Б. Вартанов выполнил контактное кольцо в своей экспериментальной установке с изолированной вставкой, благодаря чему при переходе щетки на эту вставку уменьшилась ее площадь контактирования, что как бы соответствовало условиям работы сбегающего края щетки электрической машины, когда же щетка покидала изолированную вставку, тогда имитировались условия работы набегающего края щетки. Установка была выполнена так, что импульсы тока на эту щетку можно было подавать в любой желаемый момент времени, т. е. при любом положении щетки относительно изолированной вставки, расположенной на кольце.
Казалось бы, что теперь-то вольт-амперная характеристика должна была бы раскрыть всю сущность работы щеточного контакта и дать полную возможность совершенно четко установить, какие свойства щеток требуются для тех или иных условий их работы на коллекторах электрических машин. Но с нашей точки зрения для столь обнадеживающих заключений имеется еще очень мало оснований. Подобного рода моделирование работы щетки, кажущееся с первого взгляда вполне естественным, на самом деле к положительным результатам привести не может. Основания к этому следующие:
- Установка не воспроизводит полностью условий работы щеток электрических машин ни в смысле распределения тока в контактном слое, ни по форме импульсов тока.
- Если статические вольт-амперные характеристики изменяются весьма существенно без видимого влияния каких-либо факторов, то это в значительно большей степени относится к динамическим характеристикам, и особенно к таким, которые снимают на кольце с изолированной вставкой. Автору приходилось видеть динамические характеристики, снятые на установке З. Б. Вартанова, повторенные много раз при одинаковых условиях работы контакта. Эти кривые настолько различаются, что достаточно взглянуть на них, чтобы прийти к заключению, что на основе их нельзя решить никаких практических вопросов, касающихся коммутирующей способности электрощеток.
Однако работы З. Б. Вартанова в этой области являются ценными, так как на основе снятых динамических вольт-амперных характеристик представляется возможным значительно глубже понять работу щеточного контакта, в котором, как известно, импульсы тока играют исключительно большую роль.
