Характер кривой тока перед завершающим этапом
В классической теории коммутации, а также и в других позднее развитых теориях коммутационный процесс рассматривался как единый процесс с изменениями только количественного порядка. Однако исследования последних лет показали, что коммутационный процесс не может описываться одним уравнением, справедливым для всех стадий коммутации, включая и его завершающий этап, который может представлять собой дуговой разряд. Здесь, естественно, возникает вопрос, а следует ли в едином коммутационном процессе рассматривать стадию с дуговым разрядом как составную часть общего процесса? Может быть, целесообразнее рассматривать процессы в коммутируемом контуре с так называемой «темной» коммутацией, а дуговые разряды рассмотреть отдельно?
По этому поводу можно сказать следующее:
1. У электрических машин допускается не только темная коммутация, в ряде случаев допустимое искрение может составлять 1,25-1,5 балла по ГОСТ или даже еще более. А, как известно, в технике же расчетным является случай, соответствующий наиболее тяжелым условиям работы той или иной установки.
2. Завершающий этап при искрении щеток электрической машины формируется всеми этапами, ему предшествующими, а поэтому он и не может рассматриваться в отрыве от общего коммутационного процесса.
Однако коммутационную электрическую дугу нельзя изучать без рассмотрения весьма кратковременного этапа, который предшествует ее образованию, так как именно этот участок кривой тока играет исключительно большую роль в коммутационном процессе.
Для того чтобы достаточно ясно представить себе завершающие этапы коммутации и роль щетки в этом процессе, рассмотрим первоначально осциллограмму дополнительного тока iк от коммутирующей э. д. с.
Рис. 1-12. Осциллограмма дополнительного тока (к.
Рис. 1-13. Осциллограмма тока коммутируемой секции на последнем этапе коммутации.
На рис. 1-12 показана осциллограмма тока iк, полученная И. С. Елохиным на аппарате воспроизводящим коммутационный процесс. Опыт проводился следующим образом: в коммутируемую секцию вводился аккумулятор с небольшим внутренним сопротивлением, причем щеточный контакт предварительно был нагрет нагрузочным током в длительном режиме, а при снятии данной кривой он выключался. Как видно из рассмотрения осциллограммы, начальный этап коммутации характеризуется здесь достаточно быстрым нарастанием тока, причем характер кривой этого этапа достаточно хорошо описывается уравнением (1-10). Но так как постоянная времени коммутируемого контура была значительно меньше действительного периода коммутации Тд, то вследствие этого на осциллограмме оказался весьма значительный участок до завершающего этапа, который должен характеризовать лишь влияние изменяющихся во времени сопротивлений набегающего и сбегающего краев щетки. Однако, как это весьма отчетливо видно на осциллограмме тока ίκ, сопротивление r1+ r2, входящее в коммутируемый контур, практически оставалось неизменным до момента, предшествующего заключительному этапу, отмеченному на рис. 1-12 точкой а. То, что указанный участок на осциллограмме до точки а является достаточно строго прямолинейным, свидетельствует о том, что перемещение щетки относительно коллекторных пластин не всегда может влиять на токораспределение между набегающей и сбегающей частями щетки.
Но даже, если создать условия опыта, при котором сопротивление r1+r2 будет и на этом участке влиять на характер кривой коммутируемого контура, то все же и в этом случае перед окончанием коммутационного процесса достаточно четко будет выделяться участок, в котором скорость изменения тока резко возрастает. Как видно на осциллограмме тока этот участок, продолжительность которого Т1 крайне невелика, но тем не менее он заслуживает очень большого внимания, так как имеет непосредственное отношение к коммутирующим способностям электрощеток. Если бы щетка выполняла при окончании коммутации роль обычного рубильника, ток разрыва соответствовал бы току iк макс, в действительности этот ток разрыва значительно меньше. Следовательно, чем более сильно выражен участок аб в кривой тока секции, тем большей может считаться коммутирующая способность щетки. Более подробно этот вопрос, имеющий исключительно большой практический интерес, рассмотрен в главе о коммутирующих свойствах электрощеток. На рис. 1-13 представлена осциллограмма тока коммутируемой секции, на которой отмечены отдельные этапы коммутации. Цифрой 1 отмечен первый этап коммутации, который на данной осциллограмме представлен неполностью. Затем перед исчезновением последних точек контакта между щеткой и коллекторной пластиной наблюдается резкое увеличение скорости изменения тока в коммутируемом контуре, которому соответствует значительное увеличение плотности тока в сбегающем крае щетки, так как к концу второго этапа тангенс угла α2, образованного касательной с горизонтальной линией, сильно увеличивается. Как уже отмечено выше, этот участок кривой характеризует коммутирующую способность электрощеток· Далее в момент разрыва контакта перед образованием электрической дуги ток разрыва некоторое (крайне ограниченное) время заряжает емкость секции (участок 3), и лишь после того, как напряжение на емкости достигнет необходимой величины, возникает электрическая дуга (участок 4). Емкость секции проявляет себя и при исчезновении электрической дуги. Так как емкость и индуктивность в коммутируемом контуре зачастую приводят к разрядным явлениям колебательного характера, в кривой тока появляется при завершении коммутации характерный пик (участок 5).
Завершающий этап коммутации
Завершающая фаза коммутации наиболее полно была изучена В. А. Фалеевым [Л. 1-9], который рассмотрел ее по схеме замещения (рис. 1-14).
В этой схеме окончание коммутации имитируется переключением рубильника в правое положение, при котором электрическая дуга оказывается шунтированной секцией якорной обмотки, что и составляет отличие в условиях горения коммутационной дуги от дуги, образующейся при простом размыкании электрической цепи. На основе принятой схемы замещения были составлены уравнения:
В. А. Фалеев определял время горения коммутационной цуги в функции индуктивности коммутируемой секции и скорости вращения коллектора.
Рис. 1-17. Зависимость времени горения дуги от индуктивности коммутируемой секции.
Рис. 1-18. Осциллограммы коммутационной дуги при различных скоростях вращения.
На рис. 1-17 представлена в виде графика зависимость времени горения дуги от индуктивности секции, найденная опытным путем. Как видно из приведенного графика, время горения коммутационной дуги пропорционально индуктивности коммутируемой секции.
На рис. 1-18 показаны осциллограммы напряжения коммутационной дуги, снятые при неизменных параметрах коммутируемого контура, но при различных оборотах коллектора. Данные осциллограмм свидетельствуют о том, что время горения дуги практически не зависит от числа оборотов коллектора.
