CC BY
7
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО
ИНСТИТУТА имени'С М. КИРОВА
Том 184
1970
ИССЛЕДОВАНИЕ КОММУТАЦИИ ЭСГ С КАСКАДНЫМ СОЕДИНЕНИЕМ ТРАНСПОРТЕРОВ
А. М. КУПЦОВ,' В. В. ПАЦЕВИЧ (Представлена научным семинаром кафедры теоретических основ электротехники)
При расчете характеристики короткого замыкания /кз — /(£/в)> являющейся одной из основных характеристик ЭСГ, обычно рассматриваются те моменты работы генератора, когда транспортеры отсоединяются от щеток системы возбуждения и высоковольтной системы [1, 2, 3]. Разность зарядов, переносимых транспортерами от системы возбуждения к высоковольтной !И в обратном направлении в единицу времени, принимается равной среднему значению тока генератора. Величины этих зарядов определяются на основе уравнений электростатики: или по величинам максимальной емкости в системе возбуждения и минимальной емкости в высоковольтной системе [1], или путем решения системы уравнений Максвелла с потенциальными коэффициентами [2] и с частичными емкостями [3].
Правомочность такого подхода -к определению тока генераторов обосновывается тем, что электрическое поле ЭСГ удовлетворяет условию квазистационарности и что быстропротекающие процессы, связанные с коммутацией, заканчиваются к моменту отсоединения транспортеров от щеток. Однако данное обоснование до настоящего времени не имеет убедительных ^доказательств и в ряде работ указывается на необходимость исследования ЭСГ не как квазистатической, а как электродинамической системы на основе уравнений электродинамики [4, 5].
Ниже излагаются результат^ исследования некоторых процессов, сопровождающих коммутацию в ЭСГ, проведенные путем осциллографи-роеания тока в однодисковой модели генератора в режиме короткого замыкания с целью показать возможность исследования данного типа ЭСГ как квазистатической системы и подтвердить в них наличие эффекта естественной перезарядки.
Осциллографирование проводилось для двух взаимозаменяемых роторов осциллографами С 1—13 и 2КО/721. Ротор № 1 имел 60 транспортеров цилиндрической формы диаметром й = 10 мм. Ротор № 2 имел 60 транспортеров сложной конфигурации, у которых при равенстве расстояний между выступающими на внешнюю поверхность ротора частями транспортеров расстояние между соседними транспортерами в теле ротора было различны^. При этом частичная емкость между любым из транспортеров по отношению к статору была практически одинаковой, а частичные емкости между соседними транспортерами были различными. Оба ротора имели внешний диаметр Д = 490 мм; транспортеры были утоплены в диэлектрик — эпоксидную смолу холодного отверждения.
Для исключения влияния неравномерного распределения потенциала по статору на процессы, сопровождающие коммутацию при выполнении статора из слабопроводящего материала (6], эксперименты проводились при кондукционной схеме возбуждения. При такой схем,е равномерному распределению потенциала по, статору соответствует равенство нулю последнего и статор из слабопроводящего материала может быть заменен проводящим. Здесь 'необходимо отметить, что последующее сравнение осциллограмм тока при металлическом статоре и при статоре из слабопроводящего материала показало наличие определенного качественного различия процессов, сопровождающих коммутацию в этих генераторах.
Однако при прочих равных условиях время процесса коммутации в рбо^х случаях характеризуется величиной одного порядка и величины среднего тока генератора оказываются примерно равными.
На рис. 1 изображена измерительная схема генератора, где генератор показан условно. Верхняя часть генератора относительно осевой линии будет аналогична изображенной внизу. Осциллограммы токов ¿и ¿2 для ротора № 1 при широких щетках, перекрывающих одновременно, по
три транспортера, представлены на рис. 2 (а, б соответственно). Здесь расстояние между соответствующими импульсами пропорционально времени Т, за которое ротор поворачивается на угол — , где 2т — число1
т
транспортеров ротора. В ходе исследования, проводилось осциллографи-рование токов в цепи возбуждения, осциллограммы которых аналогичны соответствующим осциллограммам токов разрядной системы и здесь не приводятся.
КС
Рис. 1. Схема осциллографирования и измерении
Щ
т
Непосредственно из осциллограмм видно, что как процесс зарядки, так и разрядки транспортера происходит в течение времени значительно меньшего времени Т.
Фотографированием зоны коммутации было установлено также, что время горения искры, всегда предшествующей установлению контакта между щеткой и транспортером, также значительно меньше времени Т. Для выявления основных факторов, влияющих на форму импульсов тока, были сняты осциллограммы при включении в цепь тока сосредоточенной индуктивности и при подключении к статору и к- разрядной щетке сосредоточенных емкостей. Для ротора № 1 и узкой щетки, касающейся одновременно одного транспортера, осциллограмма зарядной составляющей тока ¿з при наличии индуктивности дана на рис. 2 в и при подключенной к статору емкости на рис. 2 г. Данные осциллограммы показывают, что форма импульса в значительной степени определяется величиной сосредоточенных параметров цепей заряда и разряда транспортера. Среднее значение тока, определяемое по показаниям амперметра во всех случаях при одних и тех же щетках (широких пли узких) , йрактически остается постоянным, причем при узких щетках оно несколько больше, чем при широких. Из постоянства среднего тока цепи следует, что величина заряда, сообщаемого транспортеру в период зарядки и отдаваемого в период разрядки, остается постоянной во всех случаях.
На основании этого можно сделать предположение, что длительность импульсов тока при достаточно больших величинах емкостей и индуктивно-стей в цепи нагрузки не зависит ют длительности времени коммутации, а следовательно, и времени горения искры, которое может быть меньше длительности импульса. Максимально возможное время го-рейия искры определяемся величиной времени опережения искрой момента непосредственного контакта между щеткой и транспортером (/1). Величина-¿1 может изменяфься в значительных пределах при изменении
9. Заказ 7028
Рис. 2. Типовые осциллограммы токов для ротора № 1; а, б— ¿2 соответственно, в — г'з с индуктивностью, г — ¿з с емкостью
напряжения возбуждения, возрастая с увеличением последнего.Было установлено, что расстояние между фронтом зарядного импульса и дополнительным импульсом, появляющимся на спаде зарядного импульса (рис. 2 г) или после его окончания, на осциллограмме пропорционально величине Следовательно, установление металлического контакта сопровождается появлением дополнительного импульса. Малая величина дополнительного импульса указывает на то, что основной процесс коммутации заканчивается за время горения искры, которое чаще всего меньше длительности импульса и значительно меньше величины Т. Это подтверждается также тем, что при устранении непосредственного контакта и осуществлении коммутации только через искру среднее значение тока уменьшается незначительно.
Таким образом, изложенные выше результаты ¡позволяют сделать вывод, во-первых, о том, что к моменту отсоединения транспортера от 4 щетки как в зарядной, так и в разрядной системах имеет место квазиста-тическое состояние. Во-вгорых, процесс коммутации протекает при практически неизменных частичных емкостях 1И с достаточно высокой степенью точности может быть рассчитан по схемам замещения с сосредоточенными параметрами.
Определенный интерес представляет также тот факт, что ток в цепи, нагрузки 1з = И + ¿2 по существу является током заряда, а не разряда транспортера в системе нагрузки. При разряде транспортера происходит короткое замыкание емкости транспортер-статор, и токи ¿1 и /2, имея различное направление при широких щетках, в сумме дают величину, равную нулю; при узких ¿1>(*2. Здесь можно отметить, что наличие тока компенсации в цепи транспортер-статор в период коммутации в-разрядной системе имеет место и при слабопроводящем статоре как в режиме короткого замыкания, так и под нагрузкой. При исследовании причин, обусловливающих при узких щетках неравенства токов ¿1 и ¿2 и появление дополнительного импульса в момент установления непосредственного контакта между щеткой и транспортером, было проведено осциллографирование по схеме рис. 1 при наличии дополнительной щетки в виде острия, показанной на рис. 1 пунктиром. Изменением расстояния между дополнительней щеткой и трущейся узкой щеткой изменялась величина времени в широких пределах при постоянном напряжении возбуждения. Если ¿1 <Т, то Характер импульса оставался таким же, как и на рис. 2 г.
Если устанавливалось 1Х>7, то полярность импульса менялась на обратную. Этот факт хорошо подтверждает данное в [3] объяснение явления естественной перезарядки. Действительно, если Г, то к моменту соединения транспортера с трущейся щеткой следующий за ним
Рис. 3. Типовые осциллограммы для ротора № 2: а) при 7<^<2Г, б) при 2Г<г!<ЗГ
по ходу вращения ротора транспортер прокоммутировал уже через искру и перезарядился под влиянием следующего- за ним транспортера через сопротивление искры. Под влиянием перезарядившегося транспортера транспортер, соединившийся со щеткой, отдает приобретенный им ранее при коммутации через искру заряд обратного знака и при определенных соотношениях частичных емкостей может даже получить заряд-того же знака, что и был на нем перед коммутацией через искру. В цепи нагрузки появится импульс тока обратного знака, естественная перезарядка ликвидируется и среднее значение тока получается меньше, чем при /1 < Т, оказываясь примерно равной среднему значению тока прв; широких щетках.
Наконец, наличие, естественной перезарядки хорошо, подтверждается осциллограммами тока /1 для ротора № 2 при Т<С$\<^2Т (рис. 3 а), и при 2 Г</1<3 Т (рис. 3 6). '
;Осциллограммы тока /1 и ¿3 для ротора № 2 при одной узкой щетке будут подобны приведенным выше (рис. 3 а, б), отличаясь от последних отсутствием дополнительных перезарядных импульсов. Различие величин тока от отдельных транспортеров для ротора № 2 обусловлено только различием частичных емкостей между соседними транспортерами и полностью согласуется с представлениями о естественной перезарядке в генераторах данного типа.
Таким образом, эксперименты с проводящим статором дают наиболее наглядное доказательство в пользу возможности расчета величины тока генератора по электрическим схемам замещения с сосредоточенными параметрами и позволили наглядно подтвердить наличие эффекта естественной перезарядки в генераторах данного типа.
ЛИТЕРАТУРА
1. А. Ф. Иоффе. ЖТФ, № 9, 1939.
2. С. А. Бабковский. ЖТФ, т. 10, № .1—7, 1940, стр. 1404.
3. В. В. Пацевич. Диссертация, Томск, 1964.
4. Л. С. П о л о т о в с к и й. Емкостные машины постоянного тока высокого напряжения, М„ ГЭИ, 1960.
5. В. И. Левитов, А. Г. Л я п и н. Электростатические генераторы с жестким ротором, ч. 1, М., Цинтиприборэлектропром, 1963.
0. Н. Ж. Ф и л и с и. Французский патент, кл. Н02п, № 1 397 294.
<
