Глава вторая
КОММУТИРУЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ЩЕТОК (КСЩ)
Существование взаимосвязи между процессом коммутации электрических машин и свойствами .установленных на них щеток было замечено на самой ранней стадии развития электромашиностроения. Еще до опубликования в 1899 г. основных положений теории коммутации Е.В. Кокс и Г.В. Бьюк в 1895 г. установили зависимость сопротивления угольных контактов и коэффициента трения от удельного давления на них и окружной скорости. В 1897 г. В.М. Мордей описал роль щеток в коммутационном процессе, а публикации Э. Арнольда в 1899 г. устанавливали факты уменьшения сопротивления скользящего контакта при повышении плотности тока в нем, неравенства переходного падения напряжения под различным образом поляризованными щетками и влияния на эти показатели температуры. Указанные исследования и появившиеся вслед за ними работы А.С. Меера (1901 г.), М. Кана (1902 г.), А. Пренцлина (1902 г.), Г. Кцайя (1903 г.), М. Латора (1904 г.), Ф. Пунга (1905 г.) и других ученых привели к тому, что к 1905 г. уже были сформулированы некоторые общие представления о характеристиках совместной работы деталей щеточно-коллекторного узла применительно к существовавшим в то время щеточным материалам.
Так, уже в то время считали, что статические вольт-амперные характеристики металлосодержащих щеток определяются плотностью тока в скользящем контакте / и изменяются в зависимости от нее по закону прямой линии, т.е. по уравнению 2Δ£7 = kJ. Вольт-амперные характеристики существовавших в то время угольных щеток в широком интервале изменения тока в контакте остаются неизменными, Х^е. подчиняются закону 2ЬХ] = const. Переходное падение напряжения на пару щеток распределяется неравномерно под щетками разной полярности и мало зависит от частоты вращения коллектора, но при его остановке резко изменяет характер зависимости от J. На величину 2AU оказывают влияние состояние поверхности скольжения коллектора или кольца, их температура, химическая активность среды, удельное давление на щетки и механические вибрации. В дальнейшем характеристики щеточных материалов детально исследовались и появлялись новые марки этих материалов, но среди публикаций нельзя было найти работ, в которых бы четко излагалась информация об их собственно коммутирующих свойствах (КСЩ). Первой подобной информацией можно считать изданную в 1929 г. в Берлине и опубликованную в нашей стране в 1933 г. книгу В. Гейнриха [12]. В ней утверждается, ччто высокографитные щетки могут найти успешное применение только при условии, если реактивное напряжение не достигает слишком высоких пределов, т.е. если ’’качественный” коэффициент коммутации £ не превышает 7”. В приведенной цитате заложено то же, что и в формуле (2) гл. 1, т.е. устанавливается взаимосвязь содержащихся в ней величин ег и £ с классом щеточного материала. В работах Е. Арнольда по рассматриваемому вопросу влияние свойств щеточного материала на коммутационный процесс прослеживается в формуле (1), т.е. добавочный ток в коммутируемой секции /д уменьшается вместе с возрастанием сопротивления щеточного контакта гк. Попытка теоретически обосновать выбор щетки определенной марки, обеспечивающей безыскровую коммутацию, содержится в публикации И. Нейкирхена [13]. Здесь сформулирована рекомендация по использованию для различным образом поляризованных щеток щеточных материалов различного класса. Связывая удовлетворительную коммутацию с механикой взаимодействия элементов скользящего контакта, Г. Тилерс отмечал необходимость учета упругопластических свойств щеточных материалов. Перечисленные публикации по рассматриваемому вопросу следует оценивать как предварительный поиск способов оценки тех свойств щеток, которые обеспечивают возможность безыскровой работы электрических машин и которые впоследствии были названы коммутирующей способностью щеток (КСЩ). Четкая формулировка этого понятия произведена М.Ф. Карасевым в [14], где описаны разработанные им модели аппаратов для его количественной оценки. Пользуясь этими аппаратами, М.Ф. Карасев снимал на них зависимости es = /(/) и при этом обнаружил, что искрение щеток возникает в момент, когда величина es перестает практически изменяться. Соответствующему этому моменту значению тока в цепи было присвоено название критического — /кр. Было также замечено, что при / = /кр одновременно с прекращением повышения зависимости cs - /СО прекращается и повышение зависимости Δищ = φ(Ι), где АЦщ — амплитудное напряжение между щеткой и сбегающей пластиной коллектора, и что при подключении к аппарату катушек с числом витков w, имитирующих коммутируемые секции, критический ток изменялся так, что выполнялось условие 7Kpw = = const = Кщ. При установке на аппарате щеток разных марок значения указанной постоянной оказывались различными, и их М.Ф. Карасев называл показателями КСЩ. Так, экспериментируя со щетками трех марок, принадлежащих к классам I—III, он установил, что для каждой из них значения Кщ оказались соответственно равны 15, 30 и 60. Интерес М.Ф. Карасева к исследованию характеристики Δищ сохранялся в течение длительного времени. Так, спустя 17 лет после публикации [14] появилась его статья [15], в которой он считал ’’бесспорным, что чем больше AUm, тем большие коммутирующие возможности будет иметь щетка”.
Публикации конца 40-х годов по определению КСЩ не удовлетворяли запросов практики, которая к середине 50-х годов в связи с общим развитием электромашиностроения настоятельно требовала ответа на вопрос, как оценивать коммутирующую способность щеток. Решение этого вопроса привлекло к себе внимание многих исследователей. Обсуждению полученных результатов предоставили свои страницы журналы ’’Электричество” и ’’Вестник электропромышленности”, организовавшие по ним представительную дискуссию. Поводом для начала дискуссии послужила статья О.Г. Вегнера и В.Г. Вегнера, в которой КСЩ предлагалось оценивать с помощью динамических вольт-амперных характеристик, получаемых при питании электрической цепи коротко- замкнутого испытательного коллектора переменным током, и устойчивостью этих характеристик при повышении температуры. По мнению названных авторов, КСЩ оказывается тем более высокой, чем круче подъем кривой AUm = </>(/) и чем стабильнее сохраняется положение этой кривой при повышении температуры контакта. Даже отмечалось, что при плотности тока в цепи, составляющей 2—3% номинальной, переходное падение напряжения в контакте должно приближаться к 80—85%. В этом случае КСЩ будут достаточно высокими и щетки обеспечат безыскровую коммутацию высокоиспользуемых электрических машин [16]. Одновременно с упомянутой публикацией журнала ’’Электричество” на страницах ’’Вестника электропромышленности” была опубликована серия статей, предлагавших в дискуссионном порядке иные способы решения задачи по оценке КСЩ В одной из них эта задача решалась для коммутируемого контура, имеющего сопротивление Rc и описываемого дифференциальным уравнением вида
В этой статье в качестве коммутационной характеристики щеточного контакта предложено принимать среднее значение разности падений напряжений на сбегающем и набегающем краях щетки:
При А#ср = const и при соблюдении некоторых условий ток, разрываемый щетками, вычисляется с помощью выражения
Если /разр < 0, то условием безыскровой коммутации будет соблюдение соотношения
В другой публикации из этой серии статей предложено оценивать КСЩ с помощью зависимосгей AU = /(/). Последние снимаются на специальном аппарате, снабженном одной рабочей щеткой и катушками, имитирующими обмотки машин. В качестве показателя КСЩ автор рекомендовал принимать максимальный ток, который идетка способна скоммутировать без образования дугового разряда. Этот ток, названный критическим, находится на кривой AU = /(/) в точке, в которой происходит стабилизация значения AU при дальнейшем возрастании /. Из нескольких сравниваемых щеток лучшей в коммутационном отношении будет та, у которой при прочих равных условия критический ток будет большим. В третьей статье этой серии сделана попытка связать КСЩ с параметрами коммутируемой секции, оценивая последние запасенной в ней энергией. · Автор полагал, что рассматриваемое свойство щеток будет тем выше, чем выше их способность обеспечить к моменту размыкания секции меньший разрываемый ток, и что это свойство определяется динамической вольт-амперной характеристикой скользящего контакта, а не вольт-амперной характеристикой дуги. В работе О.Г. Вегнера из этой же серии статей четко отстаивалась мысль о влиянии вида статической вольт-амперной характеристики щеток на изменение тока в коммутируемой секции. Основываясь на этих представлениях, О.Г. Вегнер предложил классифицировать щеточные материалы по виду образуемых ими статических вольт-амперных характеристик, разделив их на две группы: щетки с вольт-амперной характеристикой типа 2AU = const и щетки, названная характеристика которых описывается уравнением 2AU = kJ Щетки первой из названных групп рекомендовались для коллекторных машин постоянного и переменного тока, в коммутируемый контур которых вводится коммутирующая ЭДС, наводимая внешним полем. Щетки второй группы рекомендованы для коллекторных машин постоянного и переменного тока, у которых разHOCTb потенциалов, вводимая в переключаемый контур, определяется как разность переходных падений напряжения между соединенными с секцией обмотки якоря коллекторными пластинами и щеткой.
Другие авторы, анализируя уравнение коммутируемого контура, приходят к выводу, что для обеспечения наиболее благоприятной работы скользящего контакта необходимо, чтобы разность падений напряжений A(J2 — AUi была возможно большей. Подобное соотношение, по их мнению, может быть обеспечено возможно более крутым подъемом нольт-амперной характеристики щеток. Существует и противоположная гочка зрения, состоящая в том, что большие переходные падения напряжения в скользящем контакте при малых плотностях тока наблюдаются юлько при длительном его прохождении через контакт и что нельзя пользоваться вольт-амперными характеристиками для малых плотностей тока при завершении коммутации. В этом случае КСЩ следует определять непосредственно в процессе коммутации на реальных машинах или на моделях этих машин.
В печати продолжали публиковаться отклики на дискуссионные материалы, причем все они носили критический характер. Анализ этих материалов показал, что все предлагавшиеся методы оценки КСЩ обладают общей особенностью, заключающейся в том, что оценивают свойства щеток не по их способности обеспечивать безыскровую работу скользящих контактов электрических машин, а с помощью различных промежуточных критериев, используемых в различных теориях, объяснивших причины искрения в этих контактах. Таким образом, все предложенные в то время способы решения вопроса являлись своего рода двухступенчатыми, так как требовали изучения влияния щеточного материала на промежуточные параметры, а затем изучения влияния этих последних на собственно коммутационный процесс. Поскольку теория этого процесса базируется на целом ряде допущений и, как это было показано в гл. 1, еще далека от своего завершения, то естественно заключить, что возможности двухступенчатого метода оценки КСЩ представляются весьма ограниченными. На указанном основании отмечалась бесперспективность ’’двухступенчатого” метода решения рассматриваемой проблемы и предлагался принципиально иной подход к ее решению. Лучшим подтверждением отмеченной бесперспективности использования ’’двухступенчатого” метода является тот факт, что за истекшие со времени проведения дискуссии многие годы ни один из предложенных критериев не был использован для сравнительной оценки коммутирующих свойств сколько-нибудь обширной номенклатуры марок щеточных материалов и не был доведен до результатов, которые можно было бы применять в практических целях. Подобные выводы были сделаны после того, как была оценена способность щеток обеспечивать большую или меньшую области безыскровой работы (ОБР) реальных электрических машин. Из практики наладки и эксплуатации этих машин хорошо известно, что при установке на них щеток разных марок ОБР и коммутационная устойчивость оказываются различными. На основе анализа взаимного расположения этих ОБР было показано, что она зависит от марки установленных на машине щеток, что видно из рис. 2.
Рис. 2. Области безыскровой работы электрических машин при установке на них щеток разных марок:
а — машина типа ПБК-120/60 (1600 кВт); б - машина типа МП-12-38/8 (480 кВт); в - машина типа МПВ-42,3/78/200 (300 кВт); 1 - щетки ЭГ4; 2 - щетки 611М; 3 - щетки ЭГ20; 4 - щетки ЭГ14; 5 - щетки ЭГ74
Для последующего изучения выявленной закономерности были разработаны критерии, количественно оценивающие как сами ОБР, так и соотношения между ними. В качестве первого из указанных критериев была предложена величина /м, вычисляемая с помощью формулы
Из рис. 3 (ось ординат соответствует току подпитки) и формулы следует, что речь идет о пределе суммы произведений элементарных площадок dF на квадраты расстояний их центра 'тяжести от оси тока подпитки добавочных полюсов, причем суммирование производится по всей площади безыскровой области. Выбор второй степени для координаты X обусловлен необходимостью оттенить ее роль в формировании величины /м. Последняя в соответствии с описанным способом ее вычисления была назвала экваториальным моментом инерции площади ОБР по отношению к оси тока подпитки добавочных полюсов.
Физический смысл показателя J м в условиях рассматриваемой задачи достаточно очевиден. Он характеризует развитие ОБР по оси нагрузки, а возрастание его численного значения свидетельствует об улучшении коммутирующих свойств образующих его щеток.
Если значение /м § для какой-либо произвольно выбранной марки щеток принять в качестве базовой, то, располагая значениями 1мк для щеток других марок, испытанных на данной машине, относительную оценку их коммутирующих свойств удается выразить с помощью отношения, названного индексом коммутации:
Здесь /м, б — экваториальный момент инерции площади ОБР относительно оси тока подпитки, образованной базовой маркой щеток, см4; ./ м к — тот же момент инерции для ОБР, образованных щетками других марок, испытанных на данной машине, см4
Рис. 3. Определение экваториального момента инерции площади области безыскровой работы по отношению к оси тока подпитки добавочных полюсов
На основе изложенных представлений о влиянии КСЩ на характер ОБР и пользуясь критерием N была произведена систематическая работа по накоплению экспериментальных данных по сравнению КСЩ щеток разных марок. В результате было установлено:
значения N для каждой марки щеточного материала распределены в соответствии со статистическим законом;
номинальное значение N конкретной марки щеточного материала определяется его составом;
для ряда наиболее полно изученных и имеющих наибольшее распространение марок щеточных материалов номинальные значения N при базовой марке ЭГ4 являются следующими:
Сформулированные заключения позволили решить еще три чрезвычайно важные задачи. Располагая значениями индекса коммутации для щеток ряда марок и зная их состав, представилось возможным выявить общую закономерность формирования КСЩ в зависимости от этого состава, установить взаимосвязь между КСЩ, удельным сопротивлением р и падением переходного напряжения 2AU и высказать гипотезу о физических основах формирования КСЩ, образование которых связано со структурой вещества, используемого при изготовлении щеточных материалов. Обобщенная информация по решению первых двух из перечисленных задач представлена на рис. 4. Из анализа кривых следует, что изменение КСЩ коррелируется с изменением удельного электрического сопротивления для щеточных материалов всех марок. Что касается связи между УУи 2AU, то она существует для медно-графитовых материалов (I класса). Для электрографитированных материалов (IV класса), содержащих в своем составе значительное количество технического углерода, такой связи не существует. Подобная связь обнаруживается у материалов, содержащих в качестве связующего синтетические смолы, при использовании которых происходит одновременное возрастание значений 2AUnN.
Рис. 4. Графики измерения удельного электрического сопротивления р, падения переходного напряжения на пару щеток 2AU и индекса коммутации N щеточных материалов в зависимости от их состава
Подводя итог изложенным в настоящей главе сведениям о предложенных в разное время методах оценки КСЩ, приходится констатировать, что среди них нет ни одного, который заслуживал бы всеобщее признание и в котором поставленная задача была бы доведена до результатов, пригодных для практического использования. Исключение составляет предложенный автором настоящей работы метод оценки КСЩ с помощью показателя, названного ’’индексом коммутации”. Численные значения этого показателя определены для достаточно обширной номенклатуры выпускаемых в СССР марок щеток, и он может быть использован для решения задач, рассматриваемых в следующей главе.
