Z E S Z Y T Y N A U K O W E P O L IT E C H N IK I Ś L Ą S K IE J
N R 13 E L E K T R Y K A Z . 4 1957
Mgr in ż: Ryszard Hagel i m g r inż. Jerzy K u b e k
Z a k ła d M aszyn E le k try c z n y c h
L aboratoryjna metoda badania kom utacji
w m aszynach prądu stałego przy użyciu oscylografu katodow ego
S t r e s z c z e n i e . W a r ty k u le o m ó w io n o m e to d ę b a d a n ia k o m u ta c ji p rz y u ż y c iu o s c y lo g ra fu k a to d o w e g o . P rz e p ro w a d z o n o p o ró w n a n ie m o żliw o ści z a s to s o w a n ia o scy lo g r a f u p ę tlic o w e g o i k a to d o w e g o do b a d a ń k o m u ta c ji. S p re c y z o w a n o w y m a g a n ia s ta w ia n e m e to d z ie p o m ia ro w e j. O p isa n o u k ła d p o m ia ro w y o ra z p rz y s to s o w a n ie m a s z y n y d o b a d a ń . W z a k o ń c z e n iu p rz e d s ta w io n o sz e re g o sc y lo g ra m ó w .
Wstąp
W teorii kom u tacji zasadniczą rolę odgryw a czasowy przebieg p rąd u w obwodzie k o m u tacy jn y m m ający decydujący w pływ na iskrzenie szczotek, czyli tzw. obraz k om utacji. K om utacja jest procesem bardzo skom plikow anym , zależnym od całego szeregu ściśle z sobą pow iązanych p aram etró w n a tu ry elek trom ag nety cznej, m echanicznej, term icznej, elektrochem icznej i innych. U tru d n ia to niezm iernie m atem atyczn ą a n a
lizę tego zjaw iska, ta k że do tej pory nie uzyskano na tej drodze peł
nego rozw iązania procesu k o m utacji. B adania k om u tacji w kroczyły więc na drogę dośw iadczalną. Z apoczątkow ał ją A rnold, chcąc w ten sposób spraw dzić sw oje w yn iki teoretyczne, a kon tyn uo w ali ją: Sehenfer, K ahn, Jo rd an , B in d er i inni. P rz y zdejm ow aniu przeb ieg u p rą d u kom utow a
nego posługiw ano się p rze d e w szystkim oscylografem pętlicow ym , je d y ny m w ty m czasie p rzy rząd em p rzy d a tn y m do zdejm ow ania tego ro
d zaju przebiegów . Różne w zględy, o k tó ry c h będzie m ow a w dalszym ciągu niniejszego arty k u łu , p rzem aw iają jed n a k za tym , aby p rzy ba
d aniach k o m u tacji zastosować oscylograf katodow y w odpowiednio do tego celu przy sto so w any m układzie. Z djęcia przebiegów kom utacji uzys
k an e za pom ocą o scylografu katodow ego pozw alają na pow iększenie każ
dego szczegółu na całą szerokość e k ra n u oraz na bardziej k ryty czne w y jaśnien ie p ew ny ch zjaw isk m ający ch w pływ na kom utację. I tak opierając się na m a te ria le dośw iadczalnym uzyskanym za pom ocą tej m etody, m ożna było stw ierdzić w pływ różnych p a ra m etró w na p rze
4 R y s z a r d H a g e l
,
J e r z y K u b e kbieg p rąd u kom utow anego oraz zależność m iędzy rzeczyw istym i teo re tycznym czasem kom utacji. Spostrzeżenia te omówiono w opublikow a
nych poprzednio pracach Z akładu M aszyn E lektrycznych [5], [6]. W o stat
nim czasie coraz szerzej stosow ane są m etody pozw alające na badanie k o m utacji w układzie sztucznym . Są to m odele, za pom ocą których da się odtw orzyć tak ie w arunki, jak ie istn ieją w rzeczyw istej m aszynie, oraz m ożna w yodrębnić poszczególne p a ra m e try w pływ ające n a kom u
tację. 1 w ty ch w ypadkach stosow anie w odpow iednim układzie oscy
lografu katodow ego okazało się bardzo celowe.
C elem niniejszego a rty k u łu je s t głów nie om ówienie sposobu p rzy sto sow ania oscylografu katodow ego do zdejm ow ania przebiegów kom u
ta c ji oraz przedstaw ienie oscylogram ów odpowiednich przebiegów uzys
k an ych tą m etodą bez ich głębszej analizy.
1. Układ pomiarowy
N a ry su n k u 1 przedstaw iono przykładow o oscylogram przebiegu p r ą du w jedny m zw oju tw ornika. jak i uzyskano na oscylografie pętlicow ym . P rzew ażająca część tego oscylogram u je s t dla analizy przebiegu zm ia
n y p rą d u w zwoju, k om utow anym nieistotna. Poniew aż proces kom utacji trw a bardzo krótko, zarejestro w an ie przebiegu zm iany p rąd u w w ięk
szej skali czasu w ym aga zw iększenia szybkości posuw u p ap ieru oscylo- graficznego. P onadto p rzy dużych szybkościach zapisyw ania w ym agany
■jest bardzo czuły p a p ie r oscylograficzny celem uzyskania dostatecznego n aśw ietlen ia em ulsji. •
R ys. 1. P rz e b ie g p r ą d u w z w o ju tw o r n ik a z d ję ty o s c y lo g ra fe m p ę tlic o w y m
Z akład ając zgodnie z rys. 2, że w ychylenie prom ien ia św ietlnego z położenia zerow ego wynosi: a = 20 m m, a rozciągnięcie oscylogram u przebiegu kom utacyjnego n a długość m usi w ynosić b = 40 m m oraz p rzy jm u jąc ponadto, że kom u tacja odbyw a się pod całą szerokością szczotki, znajdujem y:
*
L a b o r a t o r y j n a m e t o d a b a d a n ia k o m u t a c j i
a) teo rety czny czas ko m u tacji dla b adanej m aszyny:
bsz bsz • 60 0,015 • 60
T = 0,0012 s 1,
V* Tc • D • n cc • 0,16 • 1500 gdzie
b sz — szerokość szczotki w m,
V fc — p rędkość obw odow a ko m u tato ra w m /s, D — śred n ica k o m u ta to ra w m,
n — obro ty m aszyny w obr/m in,
b) w y m agan ą szybkość posuw u p ap ieru lu b film u:
_b _ _ 0,04
V P — T = - 33,4 m/s.
0,0012
O znacza to, że obroty bębna o obwodzie 21,5 cm m usiały by w ynosić około 9300 obr/m^n, tzn. m niej więcej 6-k ro tn ą w artość obrotów n o r
m aln ie sp otykanych w oscylografach.
R ys. 2. W y z n a c z o n y o b ra z k o m u ta c ji p r ą d u n a e k r a n ie o s c y lo g ra fu
- J
Dla porów nania w a rto przytoczyć jeszcze prędkość posuw u pap ie
ru w now oczesnych oscylografach pętlicow ych: w oscylografie firm y Siem ens m aksym alna szybkość posuw u p a p ie ru w ynosi 10 m/s, w oscy
lografie firm y C am bridge 12,5 m /s.
In n y m w zględem u tru d n ia ją c y m zastosow anie oscylografu pętlicow e
go do b ad ań n a d k o m u ta c ją jest stosunkow o duży pobór m ocy p ę tli po
m iarow ej.
I tak np. p rzy użyciu p ę tli finm y Siem ens ty p u ,,1“ o n astęp ujący ch danych: R = 1,4 C, częstotliw ość w łasna p ę tli nietłum ionej f o = 5500 Hz, sta ła p rąd ow a p rzy długości w skazów ki św ietlnej 100 cm c; = 1,5 m A /m m . P obór p rą d u i m ocy będzie w ynosił:
J = c,a = 1,5 • 20 = 30 mA,
gdzie a = 20 m m (odchylenie p ro m ien ia św ietlnego z położenia zerow e
go), moc P = J 2R = 302 • 1,4 = 1250 mW.
1 P a t r z p k t 2.
6 R y s z a r d H a g e l
,
J e r z y K u b e kD la p ętli ty p u „5“, o częstotliw ości w łasnej p ętli nietłum ionej f o = 2000 Hz, oporze pętli R = 3,8 £2 i stałej prądow ej c; = 0,11 mA/rnm, o trzym ujem y:
J = 0,11 • 20 = 2,2 mA, P = 2,22 • 3,8 = 18,4 mW.
P rz y poborze m ocy tych rzędów b ęd ą odgryw ały ju ż rolę zniekształ
cenia i spadki napięć w ystępujące n a opornościach p rzejścia szczotek pom ocniczych, za pom ocą których m ierzy się napięcie n a oporze w łą
czonym w rozcięty zezwój uzw ojenia tw o rn ik a dla o trzy m an ia przebiegu p rą d u kom utow anego.
Pod ty m w zględem zastosow anie oscylografu katodow ego jest ta k że znacznie korzystniejsze, poniew aż p rak ty c zn ie nie p o b iera on żad
nej mocy. U żyw any do b adań oscylograf katodow y firm y P hilips posia
dał pozorną oporność w ejściow ą 0,4 — 2,2 MU.
n
a ru iiu ru ir1-
R ys. 3. S c h e m a t w łą c z e n ia p ę tli o sc y - lo g ra fic z n e j w o b w ó d tw o r n ik a
J a J a - i
A by uzyskać odchylenie pro m ienia św ietlnego 20 mm, przy obcią
żeniu m aszyny prąd em J = 10 A i użyciu czułej p ę tli ty p u ,,5“, opór r w łączony szeregow o w uzw ojenie tw o rn ik a pow inien w ynosić (rys. 3):
i • r, i • r, 0,0022 • 3,8
Ja i J
= 0,0017 £2,
gdzie Jj — p rą d w jednej gałęzi rów noległej.
W w yp ad ku użycia oscylografu katodow ego o czułości 10 m m /m V dla uzyskania takiego samego odchylenia stru m ien ia elektronów w y sta r
czy napięcie 2 mV. W ym agany spadek napięcia uzyskuje się na oporze
— = = 0,0004 £2.
J_ 5
a
Ze w zględu na to, że w prow adzenie dodatkow ego oporu r pow oduje asy m etrię w uzw ojeniu m aszyny, należy dążyć do takiego obniżenia jego w artości, aby w prow adzał ja k najm n iejsze zm iany. Także więc z tego p u n k tu w idzenia zastosow anie oscylografu katodow ego staje się celowe.
L a b o r a t o r y j n a m e t o d a b a d a n ia k o m u t a c j i 7
Celem zm niejszenia a sy m e trii spow odow anej oporem r należałoby p rzy n ajm n iej w k ilk a sąsiednich zw ojów w łączyć podobne opory.
P rz y om aw ianiu m ożliw ości zastosow ania oscylografu pętlicow ego trz e b a jeszcze zw rócić uw agę na to, że każda p ę tla posiada częstotliw ość w łasn ą, k tó ra ogranicza zakres jej stosow alności. O rgan ruchom y pętli będ zie odtw arzał b ad an y przebieg ty m w ierniej, im w yższa będzie czę
stotliw ość d rg ań w łasny ch pętli. N iestety, ze w zrostem częstotliw ości w łasnej m aleje czułość pętli. Ten fakt zm usza do stosow ania p ętli o nis
kiej częstotliw ości d rg ań w łasnych. W p rzy p ad k u przebiegów odkształ
conych wyższe harm o n iczn e będą oddaw ane z w iększym i błędam i. I tak n a p rzy k ła d błędy procentow e, z jakim i będzie o d tw arzała p ę tla o czę
stotliw ości w łasnej nietłum ionej /o = 2000 Hz wyższe harm oniczne p rze
biegu p rą d u w zw oju kom utow anym o okresie 0,02 s wynoszą:
dla III harm onicznej — 0,6%, dla V II harm onicznej — 3,1%, dla IX harm onicznej — 5,1%, dla X I harm onicznej — 7,6%.
'Ponadto w ystąp ią jeszcze błędy fazowe, k tó re jed n a k m ogą być po m inięte.
1.1. W ym agania w od n iesien iu do p o d sta w y czasu
P odstaw a czasu, w k tó rą w yposażony jest oscylograf katodow y, po
w oduje stałe p ow staw an ie n a ek ran ie obrazów badanego przebiegu. Aże
by uzyskać n ieru ch o m y i sta le jednakow o p o w tarzający się obraz, czas ru ch u poziomego p lam k i św ietlnej m u si być d okładną w ielokrotnością czasu jednego o k resu badanego przeb iegu periodycznego. P rzy użyciu tak iej synchronicznej podstaw y czasu n a ek ra n ie m usi być odtw orzony co n ajm n iej jed en cały okres b ad anej krzyw ej (frekw encja podstaw y czasu rów na jest w te d y fre k w e n c ji oscylografow anego przebiegu).
Je śli oscylografow anym przeb ieg iem będzie p rą d w zw oju tw ornika m aszyny 4-biegunow ej (rys. 4), to dobierając frek w encję podstaw y cza-
p • n
su ró w ną otrzym am y podczas w zro stu napięcia odchylającego po- 60
ziom o s tru m ie ń elektronów , linię z a w artą pom iędzy p u n k tam i A i 3.
N ak reślon a k rzy w a będzie p rzed staw iała przebieg zm iany p rą d u w czasie nieco kró tszy m od potrzebnego do fvykonania połowy obrotu tw ornika.
N astępn ie w przeciągu krótkieg o czasu B-C, potrzebnego do rozłado
w an ia k o n d en sato ra podstaw y czasu, stru m ie ń elektronów w raca do p u n k tu w yjściow ego po lew ej stronie ek ran u i zaczyna kreślić na m iej-
8 R y s z a r d H a g e l
,
J e r z y K u b e k%
scu poprzedniego obrazu przebieg p rą d u w czasie drugiej połowy obro
tu tw o rn ik a (krzyw a zaw arta m iędzy p u n k tam i C i D).
W ten sposób będą się n ak ład ały n a ek ran ie oscylografu przebiegi kom u tacji p rą d u pod różnym i szczotkam i tego sam ego znaku.
W ro zp atry w an y m przykładzie będą to przebiegi k o m u tacy jne A - V i P-Q oraz Z -B i X -D . P rzebiegi te z bardzo w ielu przy czyn m ogą się różnić. P rzyczyną ty ch różnic m ogą być np. nierów ne szczeliny pod biegunam i pom ocniczym i, różne dociski szczotek, niejed n ako w e opory przejścia w sty k u pom iędzy szczotkam i i kom utatorem , asy m etrie m a
gnetyczne i elektryczne itp.
W rezultacie otrzym am y obraz w ypadkow y różnych przebiegów , nie
ostry i drgający.
R ys. 4. P rz e b ie g p r ą d u w z w o ju tw o r n ik a 4 -b ie g u n o w e j m a s z y n y
p r ą d u sta łe g o
D rugą w adą synchronicznej podstaw y czasu p rzy zdejm ow aniu krzy w ej k om utacji jest to, że przebieg zm iany k ieru n k u p rą d u okazuje się bardzo ściśnięty w k ieru n k u osi poziom ej. Na ekranie obraz przebiegu kom u tacji p rzed staw ia się w postaci lin ii prostej, praw ie pionowej, na k tórej podstaw ie nie m ożna w iele powiedzieć o form ie zjaw iska. . J e s t to oczywiste, jeżeli zważyć, że czas k o m utacji jest m ałym u łam kiem o k resu zm ian p rądu .
A żeby uzyskać nad ające się do analizow ania oscylogram y, m uszą być spełnione następ u jące w arunki:
1. Na ek ran ie oscylografu m a być p rzedstaw iony przebieg kom utacji tylk o pod jed n ą i zawsze tą sam ą szczotką (np. przebieg P-Q z rys. 4).
2. Szybkość poziom a plam ki św ietlnej pow inna być dostatecznie d u ża, ażeby m ożna było uzyskać obraz rozciągnięty w k ie ru n k u osi czasu.
3. P rzebiegi pow inny się nakładać periodycznie, n aśw ietlając ek ran w stopniu w y starczający m do fotografow ania.
4. O braz na ek ranie pow inien być nieruchom y.
Pow yższe w a ru n k i będą spełnione, jeśli podczas każdego obrotu
i
L a b o r a t o r y j n a m e t o d a b a d a n ia k o m u t a c j i
tw ornika, zawsze w ty m sam ym jego położeniu, plam ka św ietlna zacz
nie się poruszać po ek ra n ie z jed n o sta jn ą szybkością ta k dobraną, aby n ak reślić cały przebieg kom utacji. Podczas każdego ob rotu tw o rn ik a p lam k a św ietlna pow inna w ykonać te n ru c h ty lk o jed en raz.
Czas zapisu stanow ić będzie zaledw ie m ałą część czasu jednego obro
tu tw orn ika. W pozostałym p rzeciągu czasu plam k a pow inna być za
ciem niona lu b znajdow ać się poza ekranem .
R ysunek 5 p odaje p ro sty schem at podstaw y czasu spełniającej te w arun k i.
N apięcie podstaw y czasu zdejm uje się z k o n d en sato ra C. P rą d ładow ania k o n d en sato ra reg u lo w an y jest przez zm ianę u jem n ego napięcia siatki pento- dy za pom ocą p o ten cjo m etru P.
W czasie ładow ania pojem ności C n a siatkę lam py p rzek aźn ik a jonow e
go (trioda gazowa EC 50) przyłożony je s t z dodatkow ej b a te rii u jem n y po
ten cjał, k tó ry b lo k u je lam pę. P rz y zu
p ełn ie n aład o w anym konden sato rze p lam k a św ietln a z n a jd u je się z p raw ej stro n y poza ekranem . W m om encie po
jaw ien ia się n a p ły tk a c h odchylających pionow o napięcia badanego przebiegu pow inno nastąpić k ró tk o trw a łe zw arcie baterii, co odpow iada im pulsow i dod at
niego napięcia ną siatkę triod y . P rz y zaistn ien iu takiego im pulsu lam pa p rzek aźn ik a elektronow ego zostaje od
blokow ana i k on d en sato r C rozłado
w u je się przez nią bardzo szybko. Opór R w obwodzie przekaźn ik a m a n a celu ograniczenie p rąd u . Rozładow aniu k on d en sato ra tow arzyszy m o
m en ta ln y pow ró t p lam k i św ietlnej n a lew ą stro n ę ekranu. P o zakończo
n ym rozładow aniu k ond en sato ra pod staw y czasu trio d a je s t znow u za
blokow ana i n a stę p u je ponow ne ładow anie ze źródła napięcia, czem u to w arzyszy rysow an ie n a ek ra n ie obrazu b adanego przedm iotu. N astęp nie napięcie n a pojem ności C pozostaje nie zm ienione aż do pojaw ienia się następującego im pulsu.
T en sposób stero w an ia podstaw y czasu m usi być uzależniony od obrotów m aszyny.
I I I I I ■
1
R ys. 5. S c h e m a t u k ła d u p o d s ta w y c z a su o s c y lo g ra fu k a to d o w e g o s te
ro w a n e j ta r c z ą k o n ta k to w ą
10 R y s z a r d Ii a g e l
,
J e r z y K u b e kW w ykonaniu la b o ra to ry jn y m posłużono się w iru ją c ą tarczą kon
tak to w ą i stykiem ślizgowym. Tarczę w ykonano z b ak elitu i um ieszczo
no na przedłużeniu wolnego końca w ału. Na tarczy um ocow ano blaszkę k o n tak tow ą w ygiętą w k ształt sp irali (rys. 6).
U rządzenie to d aje dodatni im puls n a siatkę triody w m om encie po
w stan ia k o n tak tu m iędzy szczotką i tarczą.
M om ent załączenia podstaw y czasu oscylografu m ożna zmieniać w dużych granicach przez p rzek ręcen ie tarc zy n a w ale, a w m n iej
szym zakresie podczas ruch u m aszyny przez przesuw an ie w k ieru n k u pro m ienia ruchom ej szczotki k o ntak to w ej. O bsługa urządzenia może być dokonyw ana z m iejsca o bserw acji e k ra n u oscylografu podczas r u
chu m aszyny, w sk utek czego uzyskuje się m ożliw ość dobrego ustaw ienia obrazu.
O pisane urządzen ie oddaw ało b a r
dzo dobre usługi, u łatw ia ją c pracę p rze
de w szystkim dzięki m ożliw ości zm ia
n y m om entu załączenia podstaw y czasu bez konieczności zatrzy m yw an ia m a
szyny, co by w n iek tóry ch w ypadkach było naw et niedopuszczalne ze w zglę
du na zm ianę w arun kó w pom iaro
w ych.
O pisany powyżej uk ład podstaw y czasu w połączeniu z w iru jącą t a r czą kontaktow ą, u ru ch am iającą plam kę św ietln ą w dow olnym położe
n iu tw o rn ik a i tylko jed en raz podczas każdego obrotu, znalazł zastoso
w an ie także przy oscylografow aniu in nych przebiegów w m aszynie p rą du stałego. Stosow ano go szczególnie tam , gdzie chodziło o w yodrębnie
nie i pow iększenie jakiegoś fra g m en tu badanego przebiegu. W ystarczy w ty m celu dobrać za pom ocą p rzesuw an ia szczotki m om ent w łączania pod staw y czasu na początku ro zp atryw anego przebiegu. Szerokość roz
ciągnięcia obrazu w k ieru n k u osi r -ó w m ożna regulow ać przez zm ianę szybkości ru ch u poziomego p lam ki św ietlnej za pom ocą odpowiedniego doboru p rą d u ładow ania kon d en sato ra p odstaw y czasu.
2. Przystosowanie m aszyny do badań komutacji
B adania k o m u tacji przy użyciu oscylografu katodow ego w wyżej opisanym układzie przeprow adzono na m aszynie p rąd u stałego o n astę
p u jących danych:
R ys. 6. T a rc z a k o n ta k to w a s te r o w a n ia p o d s ta w y c z a su
L a b o r a t o r y j n a m e t o d a b a d a n ia k o m u t a c j i 11
P = 6,5 kW ; U = 220 V;
I = 36,5 A; n = 1460 obr/m in;
ilość p a r biegunów — P = 2;
ilość żłobków — Ż - 41;
ilość działek k o m u tato ra — K = 123;
średnica k o m u ta to ra — D fc = 160 stosunek po k ry cia — P = 3,5;
uzw ojenie faliste proste.
M aszyna jest budow y o tw a rte j i um ożliw ia łatw y dostęp do k o m u ta
to ra, uzw ojeń, szczotkotrzym aczy i szczeliny. T w ornik został dobrze w yw ażony i ułożyskow any w celu zapew nienia spokojnego biegu m a
szyny. K ońców ki uzw ojenia biegunów pom ocniczych w yprow adzono na tabliczk ę zaciskow ą, uzyskując w ten sposób m ożliwość łatw ej zm iany pola ty c h biegunów przez bocznikow anie uzw ojenia lu b zasilania ich z obcego źródła.
R y s. 7. S c h e m a t p rz y s to s o w a n ia tw o r n ik a m a s z y n y p r ą d u s ta łe g o do
b a d a ń k o m u ta c ji
Poniew aż n a c h a ra k te r przebiegu p rą d u w zw oju ko m utow anym m a w p ły w cały szereg in nych p aram etró w , dlatego teoretyczn e b ad an ia ko
m u ta c ji nie m ogą ograniczyć się ty lko do zdejm ow ania krzyw ej zm ia
ny p rąd u . B ad an ą m aszynę wyposażono więc w dodatkow e urządzenia pozw alające n a oscylograf ow anie albo m ierzenie oprócz p rą d u kom uto
w anego n astęp u jący ch przebiegów :
1) krzy w ej pola biegunów głów nych, pom ocniczych i oddziaływ ania tw ornik a,
2) napięcia reaktyw nego,
3) krzy w ej p o ten cjaln ej k o m u ta to ra i szczotki, 4) napięcia m iędzyw ycinkow ego.
D la otrzym an ia przeb ieg u p rą d u kom utow anego rozcięto w jed ny m m iejscu uzw ojenie tw o rn ik a i w łączono w szereg z nim opór omowy r, w postaci k aw ałka przew odu m iedzianego o długości około 15 cm (rys. 7). W ielkość tego oporu w ynosiła około 0,0008 D. P rz y obciążeniu m aszyny p rąd e m 10 A spadek napięcia n a ty m oporze w ynosi
12 R y s z a r d H a g e l
,
J e r z y K u b e kU = J a • r = — • 0,0008 = 0,004 V = 4 mV, co w ystarcza do otrzym a- 2
n ia obrazu o w ysokości 4 cm p rzy najw iększej czułości oscylografu 1 m V/cm . N apięcie z włączonego w rozcięty zezwój oporu zbierano za pom ocą dwóch m osiężnych pierścieni (a i b na rys. 7), um ocow anych n a w ale badanej m aszyny i szczotek m iedziografitow ych. Celem unik
nięcia asy m etrii w uzw ojeniu należałoby rozciąć każdy zezwój tw o m ik a i w staw ić ta k i sam opór. D la uproszczenia jed n a k zrezygnow ano z tego.
P rzebiegi pola biegunów głów nych, pom ocniczych oraz oddziaływ a
n ia tw o rn ik a zdejm ow ano przy pom ocy cienkiego d ru tu m iedzianego, um ieszczonego na tw o rn ik u pod bandażem , połączonego z pierścien ia
m i c i d (rys. 7). Podczas obrotu tw o rn ik a in d u k u je się w przew odniku sem: e = Bp • l • v • 10—8 V. P rzy v — const sem e jest tylko fu n k cją in d u k cji w szczelinie Bp, a więc otrzym any n a ek ra n ie oscylografu obraz o dtw arza k sz ta łt krzyw ej pola.
R y s. 8. S c h e m a t u k ła d u do z a z n a c z a n ia te o re ty c z n e g o c z a su k o m u ta c ji n a e k r a n ie o sc y lo g ra fu
k a to d o w e g o
R ys. 9. T a rc z a k o n ta k to w a do z a m a c z a n ia te o r e ty c z n e go c z a s u k o m u ta c ji n a e k r a n ie o sc y lo
g r a f u k a to d o w e g o
Do oscylografow ania przebiegu napięcia reak tyw n ego posłużono się m etodą podaną przez Schenfera, a polegającą n a tym , że dokoła po
łączeń czołowych cew ek leżących w jed n y m żłobku ow inięto kilkanaście razy m iękki d ru t żelazny, tw orząc w ten sposób rdzeń m agnetyczny, n a k tó ry n aw inięto ceweczkę o 50 zwojach. J e s t to rodzaj tra n sfo rm a to rk a prądow ego, którego uzw ojenie p ierw otne stanow i uzw ojenie tw ornika, a w tó rn e — cew eczka n aw in ięta n a rd zeń z d ru tó w żelaznych.
Z djęcie krzyw ej poten cjaln ej k o m u tato ra dokonano przez pom iar n a
pięcia m iędzy szczotką i jed n ą działką kom u tato ra przyłączoną do p ie r
ścienia e (rys. 7).
O scylografow anie krzyw ej potencjalnej szczotki będącej w ycinkiem
»
L a b o r a t o r y j n a m e t o d a b a d a n ia k o m u t a c j i 1 3
krzyw ej p o ten cjalnej k o m u ta to ra następow ało w te n sam sposób, przy użyciu p onadto opisanej poprzednio tarczy kontak tow ej. Dzięki tem u uzy sk u je się w odpow iedniej sk ali tylk o część krzyw ej potencjalnej ko
m u ta to ra leżącą pod szczotką.
D la u zy sk ania p rzebieg u napięcia m iędzyw ycinkow ego przyłączono sąsiednią działkę k o m u ta to ra do p ierścienia d (rys. 7).
W teo rii k o m u tacji dużą rolę odgryw a okres k o m utacji T, w ja kim m usi zajść zm iana p rą d u w zw oju zw arty m przez szczotkę. D la zaznaczenia n a oscylogram ach tego czasu, odpow iadającego szerokości szczotki posłużono się n a stę p u jąc ą m etodą. N a przedłużeniu ^/ału m a-
R ys. 10. W id o k m a s z y n y d o św ia d c z a ln e j
szyny um ieszczono krążek b akelitow y z nałożonym na n im p askiem m ie
dzianym o szerokości odpow iadającej szerokości szczotki zredukow anej do śred n icy k rąż k a i pom niejszonej o szerokość pom ocniczych szczotek kontaktow ych. Ten u k ład (rys. 8) daje n a p ły tk i oscylografu im puls n a pięciow y trw a ją c y ta k długo, ja k długo d an a działka k o m u ta to ra z n a j
d u je się pod szczotką. Dla zaznaczenia okresu k o m u tacji posługiw ano się rów nież drug im sposobem, p olegającym n a zastosow aniu tarczy kon
takto w ej składającej się z dw óch bakelitow ych k rążków obracalnych w spólnie na w ale i w zględem siebie. K rążk i zaopatrzono w m osiężne segm enty k o n tak to w e połączone z sobą cienkim d ru te m (rys. 9). Czas trw a n ia k o n tak tu m iędzy szczotkam i A i B m ożna zm ieniać przez p rze
kręcenie tarcz w zględem siebie tak , aby odpow iadał on czasowi kom u
14 R y s z a r d H a g e lt J e r z y K u b e k
tacji, k tó ry z kolei zależy od szerokości szczotki. Poprzez o bró t całej tarczy kontaktow ej na w ale dobiera się m om ent zw arcia szczotek A i B m ający n astąpić w tedy, gdy b adany zezwój rozpoczyna kom utację.
Na ry su n k u 10 przedstaw iono fotografię m aszyny doświadczalnej wyposażoną w dodatkow e urządzenia. W idoczna jest tarc za kontaktow a oraz pierścienie um ocow ane po stron ie kom utatora.
3. Zestawienie wyników pomiarowych i oscylogramów
W celu zobrazow ania przydatności opisanej m etody do badania ko
m u tacji w m aszynie p rą d u stałego zostanie om ów ionych w dalszym cią
gu kilka oscylogram ów odpow iednich przebiegów .
R ysunek 11 przed staw ia dośw iadczalnie z d ję ty przebieg pola w y padkow ego w szczelinie przy obciążeniu m aszyny. K rzy w a pola w y pad kowego m aszyny obciążonej w yk azuje zniekształcenie pow stałe na sk u
tek oddziaływ ania tw orn ik a. M iejscow e w ahania pola widoczne na oscy- logram ie spow odow ane są istnien iem żłobków tw o rn ik a oraz polem p u l
sującym od dodatko-wych prąd ó w zw arcia.
R ysunek 12 przedstaw ia oscylograficzne pow iększenie w ycinka prze
biegu pola w stre fie n e u tra ln e j z rys. 11, jak ie uzyskano p r z y użyciu jednorazow ej podstaw y czasu i tarczy kontaktow ej. Jak o dalszy przykład zastosow ania podstaw y czasu sterow anej tarczą kon takto w ą może po
służyć oscylogram przedstaw iony n a rys. 14, będący szczegółem rys. 13, obrazującego składow ą zm ienną w p rąd zie stałym . Oscylogram , k tó ry
R ys. 11. O s c y lo g ra m p o la w szczelinie siln ik a U = 42 V,
1 = 5 A , n = 800 obr/Alin
L a b o r a t o r y j n a m e t o d a b a d a n ia k o m u t a c j i 15
ilu stru je ry su n e k 13, został w ykonany p rzy użyciu synchronicznej pod
staw y czasu. B ieguny pom ocnicze badanej m aszyny zostały wyłączone'.
Na oscylogram ie w yróżnia się p u lsacja pochodząca od żłobkow ania i od drgań p u n k tu ciężkości tw o rn ik a (jeden okres d rg ań na jeden obrót tw ornika). Na ry su n k u 14 m ożna p onadto stw ierdzić częstotliw ość żłob
kow ą i kom utatorow ą.
O scylogram zobrazow any na rys. 15 p rzed staw ia przebieg pola od
d ziaływ an ia tw o rn ika. M aszynę badaną napędzano pom ocniczym silni
kiem , a tw o rn ik zasilano przez szczotki z obcego źródła. P rz ed w yko
naniem zdjęcia zniesiono m agnetyzm szczątkow y. N a przebieg pola n a łożone są przebiegi o częstotliw ości żłobkow ej. Z aznaczają się one szczególnie wr stre fie k o m u tacy jnej w postaci o strych wyskoków , po
niew aż zwoje, przez k tó re przep ływ a p rąd tw o rn ik a są zw ierane.
D la oceny k o m u tacji duże znaczenie posiada k rzyw a po ten cjaln a szczotki będąca w ycinkiem krzyw ej potencjalnej kom utato ra. T aki p rze- Dieg u zy sk any rów nież za pom ocą tarczy ko ntaktow ej przed staw ia oscy
log ram zobrazow any na rys. 16. N a oscylogram ie zaznaczona jest szero
kość szczotki. Na ry su n k u 17 p rzedstaw iono oscylogram przebiegu p r ą du w zw oju kom utow anym . D zięki zastosow aniu tarczy kontaktow ej steru jącej podstaw ę czasu rozciągnięto przebieg k om utacji w k ieru n k u osi czasu uzysk ując w te n sposób obraz n ad ający się do szczegółowej analizy. W te n sposób stw a rz a się lepsze m ożliwości do uchw ycenia róż
norodnych w pływ ów na przebieg kom utacji.
4. Uwagi końcowe
Opisany u k ład pom iarow y w zastosow aniu do b a d ań k om utacji po
siada tę zaletę, że pozw ala na przeprow adzenie bad ań przy w p ro w a
dzeniu niew ielkiej a sy m e trii w tw o rn ik u oraz n a w yodrębnienie i po
większenie z b ad an y ch przebiegów n ajisto tn iejszy ch w ycinków . Dzięki tem u może znaleźć zastosow anie rów nież i p rzy b ad an iu innych p rz e biegów periodycznych.
Oscylogramy przytoczone w ty m a rty k u le oraz w poprzednich, [5], [61, ilu stru ją przydatność m eto d y w b ad an iu m aszyn elektryczn y ch p rądu stałego.
»
1 5 R y s z a r d H a g e l
,
J e r z y K u b e kR y s . 12. O sc y lo g ra fic z n e p o w ię k s z e n ie s tr e f y n e u
tr a ln e j z ry s. 11
Rys. 13. O s c y lo g ra m s k ł a d o w ej z m ie n n e j w p r ą dzie sta ły m , w y k o n a n y p rz y z a sto so w a n iu s y n c h ro n ic z n e j p o d s ta w y czasu : U = 150 V, J =
= 6,5 A. B ie g u n y p o m o cn icze w y łą c z o n e
R ys. 14. S zczeg ó ł ry s . 13 u z y s k a n y p rz y u ż y c iu p o d s ta w y c z a su s t e r o w a n e j ta r c z ą k o n ta k to
w ą
L a b o r a t o r y j n a m e t o d a bada n ia k o m u t a c j i 17
>
R ys. 15. O s c y lo g ra m p o la o d d z ia ły w a n ia tw o r -
n ik a J = 10 A
Rys. 16. O sc y lo g ra m k rz y w e j p o te n c ja ln e j szczotki p rz y k o m u ta c ji p rz y sp ie sz o n e j. N a o sc y - lo g ra m ie z a z n a c z o n a je s t szerokość sz c z o tk i: U =
= 145 V, J = 10 A, J bp =
= 14 A
R y s. 17. O s c y lo g ra m k o m u ta c ji p r ą d u w z w o ju tw o r n i k a p rą d n ic y : V =
= 127 V, J = Jb)> = 15 A
2 E l e k t r y k a z e s z . 4
18 R y s z a r d H a g e l, J e r z y K u b e k
L IT E R A T U R A
[1] K . S c h e n fe r, D y n a m o m a s z in y i d w ig a tie li p o s to ja n n o g o to ka . [2] E. A rn o ld , J . la C o u r, D ie G le ic h s tr o m m a s c h in e , to m I, 1919.
[3] E. W. G o ld in g , E le c tric M e a s u r e m e n ts a n d M e a s u r in g I n s tr u m e n ts , 1933.
[4] W . B la n k e n b u rg , E in G liih k a to d e n -O s z ilo g r a p h z u r U n te rs u c h u n g e in e r G le ic h - s tr o m -W e n d e p o lm a s c h in e , 1936.
[5] W . K o łe k , P rze b ie g i k o m u ta c y jn e w m a s z y n a c h p rą d u stałego. Z eszy ty N a u k o w e P o lite c h n ik i Ś lą s k ie j „ E le k tr y k a “ n r 1, 1954.
[6] W . K o łe k R. H ag el, J . K u b e k , w p ły w w ła sn o ś c i s z c z o te k o ra z w a r u n k ó w z e w n ę tr z n y c h n a p r z e b ie g i k o m u ta c y jn e w m a s z y n a c h p r ą d u sta łeg o , Z e sz y ty N a u k o w e P o lite c h n ik i Ś lą s k ie j „ E le k tr y k a “ n r 1, 1954.
R ę k o p is d o sta rc z o n o 28. X II. 1954.
