CC BY
11
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
Том 244 1972
ВОПРОСЫ СТАБИЛЬНОСТИ выходных ПАРАМЕТРОВ САМОВОЗБУЖДАЮЩЕГОСЯ ЭСГ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ НЕПРЕРЫВНОЙ РАБОТЕ
Ю. Г. ЛЕЛЕКО
(Представлена научным семинаром кафедры теоретических основ электротехники и отделом РЭСГ НИИ ЯФ)
Малогабаритный самовозбуждающийся ЭСГ, конструктивное исполнение которого и основные характеристики описаны в [1, 2], предназначен для непрерывной работы в течение нескольких часов на активную или емкостную нагрузку, величина которой за это время меняется в широких пределах. Однако результаты, описанные в [2], получены при относительно кратковременных режимах работы генератора и дают представление только о предельных возможностях генератора.
В режиме непрерывной длительной работы, основной характеристикой, определяеющей возможность практического применения самовозбуждающегося генератора, является стабильность выходных параметров, т. е. степень изменения напряжения и тока нагрузки в зависимости от времени работы генератора.
Целью настоящей работы и является выяснение степени стабильности выходных параметров в режиме непрерывной длительной работы и причин, вызывающих их изменение, что позволит уточнить рекомендации по конструированию самовозбуждающихся ЭСГ и определить оптимальный режим их работы.
Для решения поставленных вопросов были проведены испытания с несколькими опытными образцами, в конструкцию которых, описанную в [1], были внесены некоторые незначительные изменения. В частности, для уменьшения величины индуцированного заряда на транспортерах дополнительного ротора уменьшена их длина и увеличена глубина залегания в диэлектрике. В то же время ширина коллекторных пластин увеличена до 2 мм, что необходимо для более надежной работы щеток.
В испытываемых генераторах для создания равномерного распределения потенциала по статору вместо стеклянного цилиндра применялся цилиндр из эпоксидного компаунда, объемная проводимость которого сравнима с объемной проводимостью стекла. При этом возможность механической обработки статора позволила установить равномерный зазор ротор-статор в пределах 0,2-0,25 мм. При испытаниях все образцы генератора снабжались дополнительным острием-щеткой в системе дополнительного ротора, с помощью которого выходное напряжение стабилизировалось в пределах либо 30 кв, либо 40 кв.
В качестве рабочей среды в опытных образцах использовались водород и азот под давлением 6 ати, которое контролировалось по манометру. Питание двигателя осуществлялось как от выпрямителя постоянного тока типа ВСА-5, так и от аккумуляторных батарей. 24
Генераторы испытывались в условиях, максимально приближенных к режиму работы при промышленной эксплуатации. При этом значения выходных параметров снимались как при непрерывной работе в течение 10—12 часов с последующим отключением генератора и, без изменения условий работы, включением через 14—12 часов, так и при непрерывной работе без отключений в течение нескольких десятков часов. Значения выходных параметров контролировались при помощи киловольтметра С-100 и микроамперметра М-194, а также самописцем типа Н-373-3. Так как в качестве нагрузки генератора использовались активные сопротивления, величина которых составляла 16,6 Гом и 41,4 Гом, то достаточно было контролировать одну из выходных величин — напряжение или ток. На рис. 1 приведены результаты первых испытаний опытных образцов с
им м
ьо 32 2*
Ю 20 30 ШС.
Рис. 1
различными газами в качестве рабочей среды. Два генератора работали непрерывно в течение 12 часов, после чего отключались и тщательно осматривались (кривые 2, 3). При этом один из генераторов отрегулирован на выходное напряжение 40 кв, второй на 34 кв и оба работали на сопротивление нагрузки, равное 16,6 Гом. Генератор, отрегулированный на 40 кв, работал в среде водорода под давлением 6 атм и имел средние параметры двигателя XIо* = 16$ 1дв = 75 ми. Второй генератор работал в среде азота под давлением 6 атм и в^ 16/? 1дв~ 7Ъма. Два других образца после отключения не разбирались и через 12 часов вновь включались в работу. При этом напряжение нагрузки восстанавливалось до значений, при которых происходило отключение в первые 1—2 мин. Генераторы работали в атмосфере водорода (кривая 1) и азота (кривая 4) под давлением 6 атм на сопротивление нагрузки /?н = 41,4 Гом. Напряжение питания двигателя 16 в, ток, потребляемый двигателем под нагрузкой, составлял в среднем для первого генератора 65 маг для второго — 55 ма.
Как показывают данные зависимости, среднее значение выходного напряжения генераторов возрастает в первые часы работы в среднем на 10% от начального значения и только после 10—12часов работы прекращается его рост. Внешний осмотр деталей генератора после 12 и 28—30 часов работы показал, что в системе дополнительного ротора, особенно в области расположения дополнительного острия-щетки, на роторе и на пластинах коллектора имеется слой пыли, образовавшийся, по-видимому, при трении щеток о компаунд ротора. На элементах основного ротора также наблюдался слой пыли, но в значительно меньшем количестве. Как известно из литературных данных [3], появление пыли в объеме генератора снижает его выходные параметры, но в проведенных испытаниях этого не наблюдалось. Для проверки полученных результатов генераторы испытывались в более длительных режимах работы. На рис. 2 и 3 в качестве примера приведены результаты испытаний двух образцов
генераторов с параметрами UH = 30fce, 1-дВ = 65 ма и
UH = АОкв, UdB— 16 в, Id в =75 ма, работавших в атмосфере водорода под давлением 6 ати на активную нагрузку RH = 41,4 Гом. При проведении данной серии опытов часть результатов фиксировалась с помощью самопишущего микроамперметра, что позволило уточнить колебания напряжения и тока в каждый момент времени.
Ш 36
32 24
(
t
20 40 60 80 юс. Рис. 2
Uh
45 40
30
кв
Дни paSornb
4 S
6 7
20 40 60 70 vac. Рис. 3
Как показывают приведенные зависимости, колебания выходного напряжения относительно среднего значения, фиксировавшиеся по показаниям киловольтметра, составляют примерно ±3—4%. Однако среднее значение выходного напряжения во всех случаях уменьшалось за время испытаний на 30—40% от начального значения. При этом скорость снижения среднего значения напряжения возрастает с ростом числа часов работы генератора. Максимальное значение напряжения наступает после 8—12 часов работы и в дальнейшем падает до значений, составляющих всего 60—70%1 от начального. Как показали испытания, стабильность выходных параметров в каждый момент времени обеспечивается в пределах ±2%.
Таким образом, проведенные испытания показали, что выходные параметры генератора, оставаясь практически постоянными в каждый момент времени, с ростом числа часов работы уменьшают свои средние значения по сравнению с первоначальными. И только в первые часы работы выходные параметры генератора возрастают по величине.
Внешние факторы, к которым можно отнести величину сопротивления, на которое работает генератор, давление внутри корпуса генератора и химический состав газа, применяемого в качестве рабочей среды, напряжение питания двигателя, которое влияет на скорость вращения ротора, при наличии дополнительного острия-щетки и постоянном давлении в корпусе генератора, практически не оказывают влияния на изменение выходных параметров генератора. В связи с этим можно предположить, что на стабильность выходного напряжения оказывает значительное влияние изменение газового разряда в коммутирующих узлах и у дополнительного острия-щетки генератора. Это изменение может быть обусловлено целым рядом причин, основные из которых, по-видимому, следующие:
1. Изменение геометрии электродов под воздействием разрядов в процессе работы генератора. При этом возможно упрочнение промежутков в процессе «тренировки» электродов в начальный период их работы с последующим ослаблением из-за эрозии под воздействием разрядов при длительной работе.
2. Запыление объема генератора пылью от щеточно-коллекторной системы.
3. Появление продуктов разложения материала ротора под воздействием газового разряда в щеточно-коллекторной системе.
Наблюдения за работой опытных образцов и внешний осмотр основных элементов генератора после различных часов работы подтверждают данные предположения о влиянии нестабильности газового разряда на величину среднего выходного напряжения. Так, например, внешний осмотр генератора, проработавшего 180 часов в атмосфере водорода, показал, что на дополнительном роторе по внешней стороне коллекторных пластин имеется слой пыли темно-серого цвета шириной 1,5—2 мм. На остальной части дополнительного ротора отмечалась слабая запыленность. На фланце дополнительного ротора пыль такого же цвета сконцентрирована в основном вокруг дополнительного острия-щетки. Со стороны основного ротора как на коллекторе, так и на прилегающих частях статоров — слабый налет пыли светло-серого цвета. Генератор при данном испытании проработал исправно 140 часов на внешнее активное сопротивление нагрузки, равное 16,6 Гом. После этого величина сопротивления нагрузки была увеличена до 41,4 Гом и генератор проработал еще 40 часов непрерывно, но существенного увеличения напряжения, по сравнению с напряжением в момент отключения, не произошло. После разборки генератора и внешнего осмотра все элементы генератора были протерты спиртом, генератор собран и снова запущен в работу. Напряжение нагрузки поднялось до начальных значений, т. е. до 40 кв и в дальнейшем повторяло ранее полученную характеристику.
Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать вывод, что снижение среднего значения напряжения в процессе длительной непрерывной работы генератора происходит за счет запыления рабочего объема генератора от щеточно-коллекторной системы, причем в основном это происходит за счет материала ротора, так как щетки генератора после длительной работы практически не деформировались и не разрушались. Образовавшаяся пыль разлагается за счет ионизационных процессов у щеток генератора и ухудшает изоляционные свойства рабочей среды генератора. Необходимо отметить, что наиболее интенсивно ионизационные процессы происходят в системе дополнительного ротора, который работает в наиболее напряженном режиме как по току, так и по напряжению.
В связи с вышеизложенным для устранения указанных недостатков и, следовательно, увеличения числа часов работы генератора с номинальными выходными параметрами можно рекомендовать следующие изменения в конструкции генератора:
1. Увеличить зазор дополнительный ротор-статор и уменьшить длину транспортеров дополнительного ротора, что приведет к уменьшению параметров, вырабатываемых дополнительным ротором.
2. Изменить конструкцию коллектора дополнительного ротора с тем условием, чтобы при трении щетки на большем пути контактировали с пластинами коллектора, а коммутация транспортеров со щетками происходила внутри металлических поверхностей.
3. По крайней мере вокруг коллекторных пластин материал ротора должен быть термостойким и не истираться при трении щеток.
4. Улучшить 'систему вентиляции дополнительного ротора.
ЛИТЕРАТУРА
1. В. В. Пацевич, Ю. Г. Лелеко. Малогабаритный самовозбуждающийся ЭСГ. Изв. ТПИ, № 210. В печати.
2. Ю. Г. Лелеко. Вопросы исследования малогабаритного самовозбуждающегося электростатического генератора. Изв. ТПИ, № 232. В печати.
3. Н. Ж- Фелиси. «Электричество», № 1, 61, 1962.
