Wyznaczanie strefy komutacji beziskrowej w maszynie prądu stałego

 

1.     Badanie komutacji

 

Podczas oceny przebiegu komutacji należy określić, do jakiego stopnia należy iskrzenie występujące w danych warunkach pracy. Normy wyróżniają 5 stopni iskrzenia:

 

Stopień 1         -iskrzenie nie występuje (komutacja beziskrowa); nie stwierdza się poczernienia stykających się ze szczotkami powierzchni komutatora ani opaleń szczotek.

 

Stopień 1¼      -występuje nieznaczne iskrzenie na niedużej części krawędzi szczotki; nie stwierdza się poczernienia stykającej się ze szczotkami powierzchni komutatora ani opaleń szczotek.

 

Stopień 1½      -występuje iskrzenie na większej części krawędzi szczotki: stwierdza się (dające się zmyć benzyną) ślady poczernienia stykające się ze szczotkami powierzchni komutatora i ślady opaleń na szczotkach.

 

Stopień 2         -występuje znaczne iskrzenie krawędzi szczotki; stwierdza się (nie dające się zmyć benzyną) ślady poczernienia stykającej się ze szczotkami powierzchni komutatora i ślady opaleń na szczotkach.

 

Stopień 3         -występuje znaczne iskrzenie na całej krawędzi szczotki; pojawiają się duże wyskakujące iskry; stwierdza się (nie dające się zmyć benzyną)poczernienie stykającej się ze szczotkami powierzchni komutatora a szczotki zaczynają ulegać zniszczeniu.

 

      W zakresie od biegu jałowego do obciążenia znamionowego maszyny powinny pracować praktycznie bez iskrzenia, tzn. ze stopniami iskrzenia 1, 1¼ lub 1½. Ocenę komutacji można przeprowadzić jednocześnie ze zdejmowaniem charakterystyki zewnętrznej prądnicy lub charakterystyki obciążenia silnika. Przy tej samej próbie należy sprawdzić wytrzymałość na przeciążenie. W tym celu należy badaną prądnicę obciążyć przez 15 sekund prądem wynoszącym 150% prądu znamionowego prądnicy. Badany silnik należy przy takiej próbie obciążyć przez 15 sekund momentem wynoszącym 150% momentu znamionowego. Wynik próby należy uważać za dodatni, jeżeli nie nastąpiły uszkodzenia lub trwałe odkształcenia maszyny uniemożliwiające dalsza pracę. Do uszkodzeń takich należą najczęściej uszkodzenia komutatora na skutek iskrzenia. Dlatego wymaga się, aby nawet przy 150% przeciążeniu prądowym stopień iskrzenia nie przekroczył 1½.

Przy stopniu 2 po dłuższej pracy pojawiają się ciemne ślady na komutatorze i ślady utleniania się na szczotkach. Po dłuższej pracy ze stopniem iskrzenia 3 występuje zaczernienie wycinków komutatora oraz spalenie i zniszczenie szczotek.

Do oceny przebiegu komutacji opracowano szereg metod. Żadna z nich jednak nie rozwiązuje zagadnień związanych z oceną przebiegu komutacji. Jedną z częściej stosowanych jest metoda wyznaczania zakresu pracy beziskrowej. Polega ona na tym, że przy danym prądzie twornika Ia zmienia się wartość prądu Ik płynącego przez uzwojenie komutacyjne poniżej, a następnie powyżej wartości prądu Ia aż do pojawienia się iskrzenia na komutatorze.

Określenie pojęcia pracy beziskrowej jest rzeczą trudną, gdyż zależy od subiektywnych obserwacji. Poza tym dla różnych maszyn dopuszczalny jest różny stopień iskrzenia nieszkodliwy dla ich pracy ciągłej. Tak np.: stopień iskrzenia określony jako 1½¸2 nie pozostawia u niektórych maszyn żadnych śladów na komutatorze, utrudniających dalsza normalną pracę maszyny. U innych natomiast maszyny nawet iskrzące ocenione na stopień 1¼ pozostawia ślady, które powiększając się z biegiem czasu powodują z kolei zwiększenie iskrzenia, co w rezultacie uniemożliwia dalsza prace maszyny. Można na ogół przyjąć, że komutacja jest prawidłowa, praktycznie beziskrowa, przy zmianie prądu w biegunach komutacyjnych Ik aż do granic, przy których nie pojawi się iskrzenie stopnia 1½. Ażeby jednak przy ocenie usunąć subiektywność obserwatora, należy przyjąć za granicę beziskrowej pracy pojawienie się pierwszej iskry.

Iskrzenie przy komutacji zależy od całego szeregu czynników, jak np.:

-         właściwy dobór uzwojeń komutacyjnych i ewentualnie uzwojeń kompensacyjnych;

-         właściwy dobór szczotek;

-         cylindryczność i gładkość powierzchni komutatora i powierzchni ciernej szczotek;

-         właściwe ustawienie szczotek na obwodzie komutatora;

-         sztywność urządzenia szczotkowego oraz właściwy i jednakowy nacisk wszystkich sprężyn.

Zmianę prądu komutacyjnego Ik przy próbie zakresu beziskrowej pracy maszyny można uzyskać przy zastosowaniu różnych układów połączeń.

Na rysunku 1 jest podany schemat ideowy do sprawdzenia zakresu beziskrowej pracy maszyny przy niezależnym zasilaniu uzwojeń komutacyjnych. Pozwala to na swobodna zmianę prądu Ik oraz w przypadku maszyny na wysokie napięcie – nie stanowi niebezpieczeństwa dla obsługi, gdyż regulowany obwód biegunów komutacyjnych jest zasilany ze źródła niskiego napięcia. Regulowany obwód bocznikowy jest wtedy najczęściej zasilany także z obcego źródła. Energia może być oddawana do sieci albo do oddzielnego odbiornika. Próba może być także przeprowadzona przy stanie zwarcia prądnicy. Układ ma jednak bardzo poważną wadę. W przypadku dużych maszyn prąd płynący przez bieguny komutacyjne jest duży.

 

Rys 1.

Schemat połączeń do sprawdzania zakresu pracy beziskrowej przy niezależnym zasilaniu uzwojenia komutacyjnego

 

 

Rys2.

Schemat połączeń do sprawdzania zakresu pracy beziskrowej z dodatkowym zasilaniem uzwojeń komutacyjnych.

 

Dla dużych maszyn znacznie wygodniej jest zastosować układ z dodatkowym zasilaniem obwodu uzwojeń komutacyjnych (rys 2). Przez uzwojenie komutacyjne płynie prąd twornika, a ponadto dodatkowy prąd z prądnicy przyłączonej do tego uzwojenia. Przez prądnicę dodatkową płynie tylko prąd odpowiadający różnicy między prądem twornika Ia a prądem uzwojeń komutacyjnych, a więc prąd znamionowy tej prądnicy może być stosunkowo niewielki.

Przez zmianę kierunku prądu wzbudzenia w prądnicy dodatkowej można zmienić kierunek prądu w jej obwodzie głównym, czyli kierunek prądu dodatkowego w uzwojeniu komutacyjnym badanej prądnicy. Amperomierz w obwodzie głównym prądnicy dodatkowej, wskazujący prąd dodatkowy, powinien być z zerem pośrodku. Jeżeli badana maszyna jest maszyną wysokiego napięcia, to dla zapewnienia bezpieczeństwa obsługi oraz nie narażania izolacji dodatkowej maszyny na przebicie należy albo jeden biegun maszyny dodatkowej (badanej) uziemić, albo całą maszynę wraz ze stanowiskiem dla obsługi i przyrządów- izolować od ziemi. Woltomierz dołączony do zacisków B1i B2 badanej maszyny pozwala określić, czy kierunek prądu dodatkowego jest zgodny z kierunkiem prądu twornika, czy tez przeciwny.

Najczęściej stosuje się układ z dodatkowym zasilaniem uzwojeń komutacyjnych, przedstawiony na rys.2. Przy otwartym obwodzie zewnętrznym badanej maszyny, przez regulację prądu wzbudzenia prądnicy dodatkowej, doprowadza się prąd w uzwojeniu komutacyjnym o kierunku zgodnym z normalnym kierunkiem prądu komutacyjnego do takiej wartości aż osiągnie się granicę komutacji beziskrowej. Taką wartość uważa się za dodatnią wartość prądu dodatkowego +DI. Następnie zmniejsza się prąd dodatkowy do zera, po czym zmienia się jego kierunek przez zmianę kierunku prądu wzbudzenia aż do takiej ujemnej wartości -DI przy której znowu wystąpi iskrzenie. Wartości bezwzględne obu tych prądów DI powinny być jednakowe. Jeżeli tak nie jest świadczy to o istnieniu jakiejś niedokładności w urządzeniu szczotkowym (złe ustawienie, złe dotarcie, luz w oprawach). Przez przyłączenie obwodu głównego maszyny badanej do sieci lub opornika i przez odpowiednią regulacje prądu wzbudzenia maszyny badanej zwiększa się jej prąd twornika do wartości no 0,2IN równocześnie reguluje się wartość prądu dodatkowego DI tak, aby osiągnąć znowu granicę pracy beziskrowej. Następnie sprowadza się wartość prądu DI do zera, zmienia się jego kierunek, zwiększa się wartość aż do ponownego osiągnięcia granicy pracy beziskrowej. Kolejność pomiarów przedstawia rys 3.

Rys 3. Kolejność pomiarów przy wyznaczaniu zakresu pracy beziskrowej.

 

Taka kolejność jest właściwsza niż określenie najpierw wszystkich punktów górnych a później wszystkich dolnych. Może się bowiem zdarzyć, że iskra wywołana przy komutacji nie zgaśnie łatwo i będzie trwać, chociażby przy innych punktach o normalnych warunkach już nie występowała. Iskrę najlepiej zgasić przez zmianę kierunku prądu +DI i -DI, odpowiadające dodawaniu i odejmowaniu się tego prądu od prądu twornika Ia. Oblicza się wartość prądu Ik=Ia+DI lub Ik=Ia-DI. Jeżeli do pomiaru zastosowany był układ z rys 1, to odczytuje się Ia i Ik, a oblicza się wartość DI=Ik-Ia. Następnie oblicza się wartość

 

;            

 

Na podstawie wyników pomiarów sporządza się wykres DI%=f (Ia%). Z górnego i dolnego przebiegu krzywej I wypośrodkowuje się przebieg średni krzywej DI%=f (Ia%). Krzywa ta może mieć różny przebieg w zależności od cech biegunów komutacyjnych.

Charakterystyczna cechą prawidłowości przebiegu komutacji jest nie tylko charakter wypośrodkowanej krzywej DI%=f (Ia%), lecz także szerokość otrzymanego zakresu pracy beziskrowej. Im ta szerokość jest większa, tym komutacja jest pewniejsza. Szerokość zakresu pracy beziskrowej zależy od całego szeregu czynników jak np.: od szerokości i ukształtowania nabiegunników biegunów komutacyjnych. Ponieważ obliczenie dobrych warunków komutacji jest bardzo trudne, więc prototypy dużych maszyn bada się przy założeniu nabiegunników biegunów komutacyjnych o różnej szerokości i wybiera się taką szerokość, przy której zakres pracy beziskrowej jest najszerszy. Należy pamiętać, że szerokość nabiegunników ma wpływ nie tylko na szerokość strefy pracy beziskrowej, lecz także na charakter przebiegu wypośrodkowanej krzywej DI%=f (Ia%), a więc może mieć wpływ na jej wyższy lub niższy przebieg.

Na jakość komutacji wpływa jeszcze wiele innych czynników jak: materiał szczotek, ich dotarcie, docisk sprężyn itp. Zmieniając jeden z tych czynników a wszystkie pozostałe zostawiając bez zmian, można wyodrębnić jego wpływ na jakość komutacji a więc i na szerokość zakresu pracy beziskrowej. Szerokość strefy pracy beziskrowej maleje w miarę wzrostu prądu twornika. Jeżeli nie ma żadnych mechanicznych przyczyn wadliwej konstrukcji, to zwężenie zakresu pracy beziskrowej następuje łagodnie.

W maszynach z uzwojeniem kompensacyjnym, na skutek zmian nasycenia obwodu magnetycznego, wypośrodkowana krzywa DI%=f (Ia%) początkowo przebiega nad osią odciętych, po czym w okolicy 0,5IaN przechodzi poniżej tej osi. Im bardziej skompensowana jest maszyna, tym krzywa ta przebiega bliżej osi odciętych. Szerokość zakresu pracy beziskrowej praktycznie nie zależy od napięcia maszyny i jest odwrotnie proporcjonalna do prędkości wirowania. Jeżeli maszyna ma różne prędkości, to próbę należy przeprowadzić przy prędkości największej.

 

2.     Przebieg ćwiczenia

Celem przeprowadzonego ćwiczenia jest wyznaczenie zakresu komutacji beziskrowej silnika prądu stałego szeregowo – bocznikowego. Najpierw ustawić szczotki w strefie geometrycznie objętej, a następnie przeprowadzić badania zgodnie z punktem 1.