ГЛАВА ТРЕТЬЯ
ПРИБОРЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ АНАЛИЗА И НАСТРОЙКИ КОММУТАЦИИ
3-1. ПРИБОРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ И ЭЛЕКТРОННЫЕ
Магнитоэлектрический вольтметр
Вольтметр магнитоэлектрической системы является первым прибором, примененным для анализа и настройки коммутации. Как известно, эти приборы применялись, да иногда применяются и в настоящее время с целью выяснения характера распределения тока в щеточном контакте. При помощи вольтметров, включаемых между рабочей щеткой машины и вспомогательной, снимаются потенциальные щеточные диаграммы, дающие известное представление о распределении падения напряжения в щеточном контакте, а следовательно, и о правильности настройки дополнительных полюсов. Однако точность заключений о работе дополнительных полюсов на основе потенциальных щеточных диаграмм, снятых при помощи магнитоэлектрического вольтметра, всегда вызывала большие сомнения. Так, например, по этому поводу К. И. Шенфер [Л. 2-1] писал: «В практике можно найти ряд случаев, когда при хорошей потенциальной диаграмме машины все же искрят». И далее «...в подавляющем большинстве случаев метод потенциальных диаграмм может все же дать много ценных указаний на характер коммутации и способы ее улучшения».
Основной недостаток магнитоэлектрического вольтметра, применяемого для снятия потенциальных щеточных диаграмм, заключается в том, что данный прибор, измеряющий усредненное значение напряжения в контакте, в очень слабой степени отражает кратковременные импульсы, возникающие при искрении щеток. Эти импульсы напряжения, возникающие главным образом в сбегающем крае щетки при завершении коммутации, имеют очень большую скважность, благодаря чему они видоизменяют действующее значение напряжения в контакте лишь в очень небольшой степени, в то время как именно эти импульсы и характеризуют искрение щеток.
Поэтому и до наших дней оценку искрения щеток при настройке коммутации при отсутствии современных более совершенных приборов производят визуально, отмечая на глаз степень искрения щеток по существующей шкале ГОСТ, а потенциальные щеточные диаграммы, снятые при помощи магнитоэлектрического вольтметра, служат лишь для некоторого представления о токораспределении в щеточном контакте.
Магнитоэлектрический осциллограф
Магнитоэлектрический осциллограф применялся при исследованиях коммутации еще в прошлом столетии. При помощи этого прибора проводились все основные исследования коммутации вплоть до 30-х годов нашего столетия. Да и в настоящее время при некоторых исследованиях в области коммутации с успехом им пользуются. С помощью магнитоэлектрического осциллографа проф. Арнольд получил первые кривые тока секций якоря при коммутации, используя шунт в контуре исследуемой секции, а также осциллографировал и кривые, характеризующие распределение магнитного поля в машине. Исключительно большое количество весьма ценных работ провел акад. К. И. Шенфер с помощью шлейфового осциллографа.
К числу наиболее важных из них следует отнести осциллографирование тока коммутируемой секции посредством бифилярного витка (метод разработан К. И. Шенфером ), осциллографирование кривой реактивной э. д. с. коммутируемого контура двумя методами, также разработанными К. И. Шенфером, исследование распределения тока в различных частях щетки и влияние на токораспределение в контакте щетки поля добавочных полюсов и толчкообразных нагрузок, выполненное с помощью разрезной щетки (метод разрезной щетки был также разработан К. И. Шенфером и широко использовался и другими исследователями).
При помощи магнитоэлектрического осциллографа С. Б. Юдицкий осциллографировал импульсы фототока искрения. Однако применение осциллографа для импульсных режимов, имеющих весьма небольшую длительность, не дает желаемых результатов, что и выявилось в опытах С. Б. Юдицкого.
В настоящее время магнитоэлектрический осциллограф с успехом используется для записи фототока искрения в длительном режиме работы машин, а также при некоторых других исследованиях коммутации.
Основным недостатком магнитоэлектрического осциллографа является инерция его вибраторов. В тех случаях, когда записываются процессы, соответствующие начальной стадии коммутации, он может еще применяться, но и в этом случае инерция вибраторов будет в известной мере сказываться. А если ставится задача проследить процессы в коммутируемом контуре, имеющие импульсный характер, то для таких целей им пользоваться, безусловно, нельзя. Так, например, завершающий этап коммутации, который представляет наибольший интерес благодаря непосредственной связи с искрением щеток, характеризуется импульсными режимами очень малой длительности, а поэтому возможность осциллографирования этой части коммутационного процесса магнитоэлектрическим осциллографом исключается.
Электронный осциллограф
В 1948 г. появилась в печати первая работа, в которой описывались исследования в области коммутации машин постоянного тока при посредстве электронного осциллографа, проведенные автором этой книги [Л. 2-5]. Автор пользовался электронным осциллографом при исследованиях коммутации еще и в предвоенный период, но вторая мировая война прервала эти исследования на много лет.
Электронный осциллограф открыл исключительно большие возможности в изучении коммутационного процесса электрических машин коллекторного типа. В указанной работе автор исследовал характер изменения э. д. с. самоиндукции еsмакс в зависимости от тока нагрузки, марки щеток и температуры, установил понятие критического тока по этим кривым, высказал мысль о том, что коммутирующая э. д. с. ек не компенсирует реактивной э. д. с., а лишь устанавливает такое токораспределение в контакте, которому соответствует наименьшее искрение. По поводу заключения автора о роли дополнительных полюсов, высказанного в указанной выше работе, сотрудники Пенсильванского и Филадельфийского университетов Ку и Шен [Л. 2-6] в 1957 г. отметили: «Это было предложено Карасевым, который в противоположность классической теории рассматривает роль добавочных полюсов не в смысле компенсации реактивной э. д. с., а как фактор, дающий возможность получить оптимальное распределение тока между набегающей и сбегающей частями щетки. Эта работа дает солидную основу для дальнейших исследований, которые должны привести к лучшему пониманию весьма сложного контактного механизма».
В настоящее время электронный осциллограф является наиболее важным прибором, применяемым при самых различных исследованиях коммутации как при проведении их на искусственных аппаратах, так и на реальных машинах. С его помощью исследуют в настоящее время все процессы в коммутируемом контуре, как, например, осциллографирование тока и реактивной э. д. с. коммутируемой секции, падение напряжения в щеточном контакте и т. п. Данный осциллограф используется также для анализа искрения щеток электрических машин, для чего к нему подключают либо фотодатчик, наведенный на искрящий край щетки, либо основная и вспомогательная щетки, расположенные на коллекторе. Осциллограф используют также для проверки качества настройки добавочных полюсов.
Широкое распространение для исследования коммутации получили двухлучевые электронные осциллографы, позволяющие одновременно получать две кривые, относящиеся к одному моменту времени, взаимное сопоставление которых дает возможность более точно и уверенно делать те или иные заключения, так как фактор времени для коммутационного процесса, учитывая его нестабильность, играет очень большую роль. Современные электронные осциллографы имеют достаточно большую скорость развертки луча, благодаря чему кратковременные коммутационные процессы фотографируются с экрана трубки в достаточно хорошо развернутом виде и изображение получается очень четким.
Специально для исследования коммутации разработаны осциллографы со ждущей разверткой, позволяющей просматривать процессы на каждой пластине коллектора. Такие осциллографы у нас в СССР были сконструированы Л. Л. Лавриновичем. Им же был сконструирован осциллограф со спиральной разверткой луча для одновременного просмотра всего коллектора с большим количеством пластин, но нам кажется, что в этом исполнении прибор потерял наглядность в смысле четкости изображения искрения коллектора на экране трубки и вряд ли в таком виде найдет широкое применение при анализе искрения электрических машин.
Электронный амплитудный вольтметр
Автор [Л. 2-7] в 1948 г. и Р. Т. Ландей [Л. 2-8] в 1949 г. применили для настройки коммутации электронные амплитудные вольтметры. Для определения качества настройки добавочных полюсов автор предложил снимать при неизменном токе нагрузки U-образные кривые по показаниям вольтметра при подпитке и отпитке добавочных полюсов. Такие кривые, снятые для различных нагрузок машины, должны были дать представление о работе дополнительных полюсов в смысле точности их настройки.
Использование амплитудного вольтметра давало результаты значительно более точные, чем вольтметры магнитоэлектрические, так как они реагировали на высокочастотную составляющую напряжения, связанную непосредственно с дуговыми и искровыми разрядами в контактном слое щетки.
Особенно удобно пользоваться амплитудным вольтметром при отметке пиковых значений э. д. с. или напряжений при проведении опытов на искусственных аппаратах, воспроизводящих коммутацию. При проведении опытов с целью выяснения изменения амплитудных значений э. д. с. самоиндукции коммутируемой секции от различных факторов автор первоначально пользовался одновременно с вольтметром и электронным осциллографом.
Но во время опытов автор убедился, что показания электронного вольтметра всегда совпадали с высотами пиков на экране осциллографа, а поэтому в дальнейшем отметки еs макс делались только по электронному амплитудному вольтметру.
Однако использование электронного амплитудного вольтметра для наладки коммутации внушало некоторые опасения. Дело в том, что качество коммутации характеризуется не только высотой импульса напряжения в контакте, но и количеством этих импульсов в единицу времени, их распределением по коллектору и продолжительностью. Поэтому, если машины имеют искрение, более или менее равномерно распределенное по коллектору, то их настройка с помощью амплитудного вольтметра не может встретить затруднений. Но если у машины окажется пониженная коммутирующая способность, то определить причину неудовлетворительной работы контакта с помощью амплитудного вольтметра не представится возможным. Данным вольтметром нельзя настроить машину и в том случае, если слабое искрение имеет место и при холостом ходе.
Наряду с обычными амплитудными применяют также селективные вольтметры, которые снабжают фильтрами, не пропускающими в прибор низкочастотные составляющие напряжения, связанные с зубцовыми и коллекторными пульсациями. Таким прибором пользовался Л. Л. Лавринович для измерения пиковых напряжений в щеточном контакте. Однако применение в обычном электронном амплитудном вольтметре фильтров для низкочастотных напряжений мало влияет на показания прибора, так как низкочастотная составляющая по своей амплитуде значительно меньше высокочастотных импульсов напряжения, возникающих при коммутации машины, работающей с искрением щеток, что и подтвердилось опытами Л. Л. Лавриновича.
Индикатор, отмечающий искрение всех щеток машины
В 1956 г. Руманис [Л. 2-9] опубликовал работу под заглавием «Метод нулевой точки для настройки коммутации». У нас в Советском Союзе этот метод был разработан Л. Л. Лавриновичем [Л. 2-10]. Как видно из схемы, примененной указанными авторами (рис. 3-1), прибор подключается к разноименным щеткам машины через специальные конденсаторы. Для того чтобы прибор реагировал только на высокочастотные составляющие, связанные с искрением щеток, в нем имеется сложный фильтр, назначение которого заключается в том, чтобы низкочастотные составляющие напряжения, связанные с зубцовыми и коллекторными пульсациями, не попадали в измерительную часть прибора.
Рис. 3-1. Схема индикатора, отмечающего степень искрения всех щеток.
В данном случае низкочастотная составляющая, учитывая большую скважность импульсов высокой частоты, будет оказывать значительно большее влияние на показания индикатора среднего значения, нежели в амплитудном вольтметре, а поэтому низкочастотный фильтр здесь весьма желателен. Установленный фильтр в этом приборе срезает низкочастотные составляющие, частота пульсации которых ниже 36 кГц. Далее высокочастотные импульсы напряжения через выпрямительный мостик В поступают в магнитоэлектрический прибор стрелочного типа. В приборе предусмотрены добавочные сопротивления С, позволяющие ступенями изменять его показания, что сделано для получения нескольких шкал для отметки искрения.
Весьма существенным отличием данного прибора от селективного амплитудного вольтметра состоит в том, что амплитудный вольтметр отмечает пиковые значения высокочастотных составляющих напряжения, а данный прибор дает показания среднего значения всех импульсов за единицу времени. На первый взгляд кажется, что большой разницы в этом нет, но в действительности она весьма существенна.
Так, например, если у одной из машин искрение распределено по всему коллектору и импульсы напряжений их примерно одинаковы, а у другой такой же машины точно такие же импульсы напряжения соответствуют только секциям, которые последними в пазах заканчивают коммутацию, то селективный амплитудный вольтметр у данных машин отметит искрение одинаковыми показаниями стрелочного прибора, а индикатор среднего значения во второй машине отметит во столько раз меньшее показание, во сколько число искрящих пластин у нее меньше, чем у первой. Однако в том случае, когда у одной из машин искрит весьма ограниченное количество пластин, а у другой такому же искрению подвержено значительно большее их количество, то прибор амплитудный в первой машине сразу же подметит неблагополучие в смысле коммутации, в то время как прибор среднего значения даст небольшие показания, что может ввести в заблуждение.
В целом же прибор среднего значения для оценки искрения щеток и настройки коммутации имеет известные преимущества перед амплитудным. Впервые усредненную оценку разрядных импульсов, возникающих в щеточном контакте, осуществил Ю. Е. Неболюбов [Л. 2-11], который создал прибор для суммирования и усреднения импульсов фототока искрения для оценки степени видимого искрения щеток.
Нам кажется, что в условиях заводских испытательных станций для большей степени надежности следует проводить наладку коммутации не только по прибору среднего значения, но, поскольку этот прибор не дает картины распределения искрения по коллектору, следует одновременно пользоваться каким-либо из существующих способов проверки характера распределения искрения на коллекторе.
К числу несомненных преимуществ данного прибора можно отнести следующие:
- Показания прибора связаны с искрением всех щеток машины, что особенно важно при наличии у машин большого количества щеточных болтов.
- Прибор одинаково воспринимает искрение как доступное визуальному наблюдению, так и недоступное.
- Простота устройства прибора и быстрый отсчет показаний по его шкале.
Однако прибору присущи и весьма существенные недостатки, а именно:
- Высокочастотные колебания, вызванные электрическими дугами на коллекторе с соответствующим им катодным переносом материалов и сильным износом контактирующих частей, могут быть значительно меньше, чем колебания, связанные с наличием в контактном слое щеток искровых разрядов с анодным переносом контактируемых материалов и меньшим износом контактов.
- Трудно представить себе, что между высокочастотными колебаниями при электрических разрядах в контакте щеток, отмечаемыми прибором, существует прямая связь с износом коллектора и щеток.
- По прибору нельзя сопоставить степень искрения машин различных конструкций и мощностей.
- Индикатор не дает возможности установить причину повышения искрения и поэтому должен применяться совместно с приборами, которые обеспечивают эту возможность.
