ГЛАВА ВТОРАЯ
СТЕПЕНЬ ОДНООБРАЗИЯ КОММУТАЦИОННЫХ ЦИКЛОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ
2-1. СТАБИЛЬНОСТЬ И ИДЕНТИЧНОСТЬ КОММУТАЦИОННЫХ ЦИКЛОВ
Сущность данного вопроса
При рассмотрении коммутируемого контура машин постоянного тока с целью теоретических исследований кривых тока и э. д. с. этого контура полагают, что получаемые уравнения в равной степени применимы для всех секций якорной обмотки. Однако хорошо известно, что довольно часто подгар пластин коллектора далеко не равномерный. Обычно более значительное искрение наблюдается на тех пластинах, которые соединены с секциями, последними в пазах заканчивающими коммутацию. Этот факт, четко установленный практикой, находится в резком противоречии с классической теорией коммутации. Так, при попытке объяснить это явление повышенной индуктивностью секций, расположенных в непосредственной близости зубцов, естественно, возникает вопрос: почему не проявляют себя подобным же образом секции, которые первыми в пазах завершают коммутацию. Если же подойти к этому вопросу с точки зрения величины реактивной э. д. с., определяемой на основе классической теории, то мы придем к выводу, диаметрально противоположному действительному положению вещей, так как на основе положений этой теории секции, последними в пазах заканчивающие коммутацию, должны были бы находиться в самых благоприятных условиях.
Нужно полагать, что в данном случае электромагнитная связь между одновременно коммутируемыми секциями выполняет и весьма положительную роль в том смысле, что некоторая часть электромагнитной энергии секции в момент завершения коммутации передается другим секциям, замкнутым щетками накоротко. Но здесь, естественно, возникает вопрос: не окажет ли вредного влияния эта энергия на те секции, которым она передается? Безусловно, нет. Автору неоднократно приходилось наблюдать на экране электронного осциллоскопа изменения в кривой тока коммутируемой секции, вызванные передачей электромагнитной энергии от секций, заканчивающих коммутацию. В подобных случаях в кривой тока секции, которой передается эта энергия, наблюдается весьма кратковременный всплеск тока, который на очертание кривой тока практически не оказывает никакого влияния. Следовательно, в подобных случаях электромагнитная энергия, которая при отсутствии индуктивно связанного короткозамкнутого контура при завершении коммутации должна была бы реализоваться в электрической дуге, будет частично передаваться контуру, искрение в котором в данный момент времени возникнуть не может, чем и объясняется улучшенная коммутация таких секций. Однако причин неидентичности отдельных коммутационных циклов весьма много, причем здесь основную роль играют факторы механической природы.
Анализ идентичности коммутационных циклов по кривым тока коммутируемого контура
В электрических машинах постоянного тока есть и другие причины, которые обусловливают неодинаковые формы кривых тока и э. д. с. в различных секциях обмотки якоря, к числу которых можно отнести несимметрию электрических и магнитных цепей машины. Но по результатам эксперимента можно заметить, что и один и тот же коммутируемый контур якоря обусловливает различные очертания кривых тока и э. д. с. при коммутировании его различными щетками, причем эта разница в очертаниях кривых является весьма существенной (рис. 2-1). К. И. Шенфер [Л. 2-1] по поводу этих кривых писал: «В этих всех осциллограммах обращает на себя внимание следующий факт: время, в течение которого совершается коммутация Τ', получается во всех опытах меньше того времени Т, которое должно соответствовать ширине щетки; другими словами, все эти опыты показывают, что не вся контактная поверхность щетки является активной — через часть поверхности щетки ток почти не проходит».
Однако приведенные осциллограммы подчеркивают и
другое чрезвычайно важное положение, а именно: кривые тока коммутируемой секции на осциллограммах имеют весьма различные очертания для условий одного и того же опыта. Если взглянуть на рис. 2-1,а, то прежде всего бросается в глаза то, что первые два коммутационных цикла достаточно сходны и соответствуют примерно прямолинейной коммутации, в то время как в последней кривой тока имеется характерный уступ, обусловленный, видимо, механическими факторами. Такую же картину в смысле однообразия коммутационных циклов дает и вторая осциллограмма, полученная проф. Арнольдом (рис. 2-1,б). Здесь также зафиксировано три коммутационных цикла, общий характер очертания которых свидетельствует о перекомпенсации машины, однако все три цикла коммутации весьма различны.
Рис. 2-1. Кривые тока коммутируемой секции, полученные проф. Арнольдом.
Так, первый цикл имеет несколько пиков в кривой тока, второй один, а третий практически не имеет пиков. Рассматривая осциллограммы тока коммутируемой секции на рис. 2-1, можно сделать и другой чрезвычайно важный вывод, а именно: действительные периоды коммутации Τ' всех коммутационных циклов не только меньше периода Т, соответствующего ширине щетки, но эти периоды Τ' различны. В чем же причина всех отмеченных выше различий в очертаниях кривых тока коммутируемой секции? Поскольку все кривые токов, снятые проф. Арнольдом, относятся к одной секции якоря, а следовательно, к одним и тем же пластинам коллектора, то отсюда можно сделать безошибочный вывод о том, что причина отмеченных несоответствий заключается в этом случае в неодинаковом контактировании различных щеток с пластинами, к которым приключена исследуемая секция, что может возникнуть как благодаря неодинаковой притирке щеток, так и по причинам неточностей в обработке деталей щеточных узлов и их сборки. Нам кажется, что последние причины имеют доминирующее значение, так как при осциллографировании кривых тока коммутируемых секций притирка щеток производится весьма тщательно.
Однако несоответствия в кривых тока и э. д. с. могут возникать и по другим причинам, в частности, благодаря неодинаковому контактированию различных коллекторных пластин с одной и той же щеткой. Для иллюстрации этого положения на рис. 2-2 приведены осциллограммы токов трех соседних секций тягового двигателя, полученные инж. Балдвиным для режимов перекомпенсации, недокомпенсации и наилучшей компенсации [Л. 2-2]. В этом случае все исследуемые секции переключались одной и той же щеткой, а следовательно, несоответствия в очертаниях данных кривых могут объясниться лишь неодинаковым контактированием различных коллекторных пластин со щеткой. Как видно из приведенных на рис. 2-2 осциллограмм, различия в формах кривых, соответствующих одному и тому же возбуждению добавочных полюсов, выражены весьма отчетливо. Так, в режиме перекомпенсации (рис. 2-2) характерный выступ, соответствующий окончанию коммутации, выражен только у одной секции, у средней секции в кривой тока есть некоторая неровность перед моментом завершения коммутации, а третья секция имеет кривую тока в виде плавной линии.
При недокомпенсации эти особенности у всех секций сохранились, но оказались выраженными в значительно меньшей степени, а при наилучшей компенсации у кривых не оказалось характерных выступов, но, однако, и в этом случае очертания их далеко не одинаковы.
В свое время автор [Л. 1-5] поставил под сомнение эти кривые инж. Балдвина на том основании, что постоянная времени осциллографа (0,05 сек), которым он пользовался, является весьма большой, чем и объясняется затягивание по времени коммутационного процесса и сглаживание неровностей в кривых.
Рис. 2-2. Кривые тока коммутируемых секций тягового двигателя.
а — перекомпенсации; б — при наилучшей компенсации; в — при недокомпенсации .
Однако эти кривые достаточно хорошо подтверждают различие в контактировании разных пластин коллектора с одной и той же щеткой, так как осциллограф в равной степени сглаживал эти кривые, а поэтому и в действительных кривых эти несоответствия также имеются и выражены они в еще большей степени.
Идентичность коммутационных циклов на основе кривых реактивной э. д. с.
Как будет видно из последующего изложения, отмеченные выше несоответствия имеют весьма большое практическое значение, так как на основе их совершенно иначе трактуются многие важные для целей практики положения, как, например: основная причина искрения щеток, коммутирующая способность электрощеток, вопросы настройки коммутации, а также возможные пути расчета коммутации. Поэтому следует достаточно четко установить, являются ли отмеченные выше несоответствия в формах кривых тока и э. д. с. коммутируемых секций общим правилом или же они носят случайный характер. С этой целью на рис. 2-3 приведены кривые реактивной э. д. с. из монографии К. И. Шенфера. Так, на рис. 2-3,а
дана кривая реактивной э. д. с. машины мощностью 5 л. с. при возбужденных добавочных полюсах, соответствующая переключению исследуемых секций двумя щетками. На этой осциллограмме обращает на себя внимание следующее: каждый коммутационный цикл характеризуется сдвоенными кривыми реактивной э. д. с., которые обусловлены большим укорочением шага обмотки, благодаря чему процессы коммутации верхнего и нижнего слоев проводов в пазу протекали неодновременно.
Рис. 2-3. Осциллограммы реактивной э. д. с., полученные К. И. Шенфером.
Что же касается формы этих кривых, то в этом смысле можно отметить, во-первых, то, что данные кривые различны для разных секций, а, во-вторых, они неодинаковы и для двух последующих коммутационных циклов, соответствующих переключениям секций щетками различной полярности. Как видно на рис. 2-3, кривые второго коммутационного цикла имеют типичную седлообразную форму, тогда как в первом цикле у одной из кривых совершенно нет пиков, а у второй заметно выражен лишь один пик. К этому следует добавить, что во всех кривых реактивной э. д. с. (рис. 2-3,а) имеются и относительно небольшие выступы противоположного знака, форма которых также не является одинаковой для всех коммутационных циклов.
Еще большая степень различия ,в кривых реактивной э. д. с. имела место в опытах, для которых приведена осциллограмма на рис. 2-3,б. Эти кривые были получены для следующего режима работы: машина была приведена во вращение от вспомогательного двигателя, цепь якоря и добавочных полюсов была разомкнута, главные полюсы возбуждены и щетки машины смещены с нейтральной зоны. Таким образом, в отличие от первого опыта ток в короткозамкнутых секциях здесь обусловлен не нагрузкой машины, а лишь магнитным полем в зоне коммутации, возбужденным обмоткой основных полюсов. Снятая осциллограмма реактивной э. д. с. (рис. 2-3,б) показывает, что эти кривые, соответствующие отдельным коммутационным циклам, еще более отличаются друг от друга. Так, для первого коммутационного цикла кривые реактивной э. д. с. оказались с меньшими максимальными значениями и даже различными по знаку, в. то время как в двух последующих циклах выступов обратного знака нет, но, однако, очертания их существенно разнятся. Причинами несоответствия кривых реактивной э. д. с. в данном случае являются, во-первых, несимметрия в распределении индукции от м. д. с. главных полюсов, а во-вторых, неодинаковое контактирование различных щеток с пластинами, к которым приключены исследуемые секции.
На рис. 2-3,в, г приведены кривые реактивной э. д. с., снятые по второму методу К. И. Шейфера. В отличие от первого метода, согласно которому реактивная э. д. с. исследуемых секций передается к шлейфовому осциллографу посредством специальных небольших трансформаторов, расположенных в лобовой части обмотки, второй метод К. И. Шенфера дает возможность осциллографировать реактивную э. д. с. посредством вынесения исследуемой секции на неподвижный якорь. Это осуществляется при помощи двух контактных колец, включаемых в рассечку одной из секций якорной обмотки. Данный метод осциллографирования кривых реактивной э. д. с., с нашей точки зрения, не может обеспечить воспроизведение их в неискаженном виде, так как в подобных опытах исследуемая секция будет иметь в отличие от других повышенное сопротивление как за счет увеличения числа витков, так и вследствие наличия дополнительных переходных сопротивлений от контактных колец к щеткам. Как известно, в подобных случаях в кривых тока исследуемых секций появляется характерный уступ, которому соответствует резко выраженная седлообразная форма кривой реактивной э. д. с., что и подтверждается приведенными здесь осциллограммами.
Однако это обстоятельство не мешает использовать получаемые по этому методу осциллограммы для целей, поставленных нами, так как отмеченные выше искажения в равной степени отражаются на протекании исследуемых процессов во всех коммутационных зонах машины, т. е. под всеми щетками электрической машины,
Как видно на рис. 2-3,в, седлообразная форма в кривых реактивной э. д. с. выражена здесь достаточно четко, но на кривой первого коммутационного цикла есть лишь два пика, соответствующих начальной и конечной стадиям коммутационного процесса, в то время как во втором, помимо них, есть еще и промежуточные. Кроме того, на осциллограмме видно, что действительный период коммутации первого цикла был значительно меньше второго.
Для рис. 2-3,г характерно, что оба коммутационных цикла имеют кривые реактивных э. д. с. с четко выраженной седлообразной формой, но и здесь между кривыми различных коммутационных циклов существуют принципиальные различия. Как известно, наиболее характерным для всех кривых реактивной э. д. с. является то, что при завершении коммутации пики, соответствующие этому моменту времени, выражены в них наиболее сильно, так как при этом наблюдается наибольшая скорость изменения тока, и в особенности в тех случаях, когда окончанию коммутации соответствует некоторый ток разрыва. Однако в кривых реактивных э. д. с. на рис. 2-3,г в первом коммутационном цикле большую величину имеет пик, соответствующий завершению коммутации, в то время как во втором цикле наибольшее амплитудное значение данной э. д. с. соответствует начальной стадии коммутационного процесса. В дополнение к этому следует также отметить, что формы импульсов в этих кривых различны по очертанию как для начала, так и для окончания коммутации, а также и то, что во втором коммутационном цикле уступ в кривой между импульсами достигает нулевой линии, а в первом он значительно меньше, причем очертания кривых и на этом участке весьма различны.
Для иллюстрации неидентичности коммутационных циклов можно было бы привести в дополнение множество и других осциллограмм, но при этом каждая из них подтвердит сказанное.
Отмеченную здесь неидентичность коммутационных циклов нельзя относить и за счет погрешностей методов их осциллографирования, так как все существующие методы в этом случае приводят к одинаковым результатам, в том числе и наиболее современные, в которых применяются практически безынерционные приборы. Следовательно, в реальных машинах всегда будут наблюдаться различия в протекании коммутационных процессов в секциях якорной обмотки. Степень этого различия зависит от весьма большого количества факторов, но она будет достаточно ощутимой даже и в тех случаях, когда коллектор обработан с обеспечением самых ничтожных отступлений от правильной формы и при очень хорошей притирке щеток.
