Экспериментальные исследования процесса коммутациив коллекторных тяговых двигателяхподвижного состава

УДК 621.313: 621.7.08

В. В. Харламов, Д. И. Попов, А. П. Афонин

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА КОММУТАЦИИ В КОЛЛЕКТОРНЫХ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Аннотация. В статье приведены результаты экспериментальных исследований процесса коммутации в коллекторных тяговых двигателях постоянного тока. С целью распространения результатов испытаний двигателей малой мощности на тяговые двигатели электровозов, относящиеся к двигателям большой мощности, с помощью теории подобия и размерностей определены диапазоны варьирования параметров режима работы в процессе экспериментальных исследований. В результате проведенных исследований доказана эффективность применения параметров законов распределения интенсивности искрения для повышения достоверности испытаний двигателей как малой так и большой мощности.

Ключевые слова: тяговый двигатель постоянного тока, диагностические параметры, неидентичность коммутационных циклов, теория подобия и размерностей, среднеквадратическое отклонение интенсивности искрения.

Victor V. Kharlamov, Denis I. Popov, Alexander P. Afonin

Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation

EXPERIMENTAL RESEARCH OF COMMUTATION PROCESS IN TRACTION DC MOTORS OF ROLLING STOCK

Abstract. The article presents the results of experimental researches of process of commutation in traction DC motors. In order to generalize the results of tests of low power engines for electric locomotive's traction motors, belonging to high power engines, by using the theory of similarity and dimensions we defined the ranges of varying parameters of the operation mode in the experiments. In result of the conducted researches proved the effectiveness of the parameters of laws of distribution of intensity sparking to improve the reliability of the test as low power engines and high power engines.

Keywords: traction DC motor, diagnostic parameters, nonidentity of commuting cycles, theory of similarity and dimensions, standard deviation of intensity sparking.

Двигатели постоянного тока остаются широко востребованными в различных отраслях промышленности, особенно на транспорте [1], в частности, в качестве тяговых электродвигателей (ТЭД) на подвижном составе железных дорог.

Учитывая, что срок службы коллекторных электродвигателей достаточно велик, диагностирование их технического состояния в процессе эксплуатации является задачей, без которой невозможно обеспечение высоких показателей экономической эффективности работы отраслей, зависящих от двигателей данного типа.

Известно множество методик диагностирования технического состояния коллекторно-щеточного узла, определяющего качество коммутационного процесса в коллекторных машинах [2 - 4]. Однако сложность настройки коммутации обусловлена значительными отклонениями конструктивных и технологических параметров электрических машин от их расчетных значений, что обусловливает неидентичность коммутационных циклов различных секций обмотки якоря. Особо остро проблема настройки коммутации проявляется в двигателях большой мощности, например, ТЭД подвижного состава железных дорог. При этом стоимость коммутационных испытаний электродвигателей значительно растет с

№ 4(32) 2017 ИЗВЕСТИЯ Транссиба 45

увеличением их мощности. Однако физические процессы, определяющие процесс комму -тации в коллекторных двигателях, являются подобными при их различной номинальной мощности.

В связи с этим целесообразным с точки зрения экономии материальных ресурсов является испытание менее мощных двигателей и обобщение результатов испытаний на тяговые двигатели большой мощности. Такой подход применим с использованием теории подобия и размерностей [5].

Процесс коммутации, как известно, обусловлен как электромагнитными, так и механическими воздействиями на коллекторно-щеточный узел (КЩУ) [6].

Процесс коммутации с точки зрения электромагнитных взаимодействий в общем случае описывается следующей системой дифференциальных уравнений [7]:

и

1 ^ + I К ^} = ^ наб ^^ " ^1 Сб С)) " '1 С)^1 " ^к^);

ЛХ

^ ^ЛТ + ^ ^ ^] = Аи( наб (О)" Ди(./2сб (О)" №.

Ъ 2" ек 2(0;

и

^ + I М = Аи (( наб ( 0) " Аи((я сб (0) " 'п (ОЛ.

ЛХ

ЛХ

Ъп " екп( ХХ

где = -и

Л (X) Л

- ЭДС самоиндукции;

ем =

х^Г,,

11 Мк —-— | - ЭДС взаимоиндукции;

ЛХ

Аи((наб (X)) и Ам((сб ( X)) - переходные падения напряжения под набегающим и сбегающим краями щетки;

- сопротивление коммутируемой секции; ек ( X) - коммутирующая ЭДС, которая наводится в секции при ее взаимодействии с магнитным полем в зоне коммутации.

Механические воздействия на щетку могут приводить к разрыву ее контакта с коллектором и тем самым сокращать длительность периода коммутации, обусловливая возникновение тока разрыва и коммутационного искрения [8]. Движение щетки в щеткодержателе без учета угловых перемещений определяется следующей системой уравнений движения [9]:

1

1

1

= т

= тщ

ЛУр х (Х) щ л V у (X) лх

где I (^р I ( X)), I ' ( X)) - суммы радиальных и тангенциальных сил, приложенных к щетке;

ЛУр х

Л

т у у

Лх

радиальное и тангенциальное ускорение щетки;

тщ - масса щетки.

Следовательно, среди факторов, определяющих искрение под электрическими щетками в машинах постоянного тока, могут быть выделены следующие параметры, фигурирующие в

к

к

№ 4

системах уравнений (1) и (2): ширина щетки Ьщ, частота вращения якоря п, ток параллельной ветви якоря ¡а, падение напряжения в щеточном контакте Лищ, масса щетки тщ .

Численные значения основных параметров, определяющих процесс коммутации для рассматриваемых электрических машин, представлены в таблице 1, где плотность материала щетки обозначена рщ.

Таблица 1 - Параметры электродвигателей, определяющие процесс коммутации

Наименование параметра Тип электродвигателя Размерность

ЭДП800 2П

Ширина щетки Ьщ, м 20 8 [Ь]1

Частота вращения якоря п, об/мин 770 1500 [Т|-1

Ток параллельной ветви обмотки якоря ¡а, А 90 3,25 [А]1

Падение напряжения в щеточном контакте лищ, В Определяется типом щетки [Ь]1 • [М]2 • [Т]-3 • [А]-1

Масса щетки тщ, кг 24,8рщ 2Рщ [М]

Число участвующих в процессе параметров равно пяти. Получим критерий подобия, определяющий процесс коммутации, для чего запишем следующую функциональную зависимость:

Г (Ьщ, п, ¡а, ЛЦщ, тщ) = 0.

Определим критерии подобия классическим способом, основанным на ж-теореме [1]. Обозначим критерии подобия через жм, и запишем:

жм = [Ьщ ^ • [пр • [1а р • [ЛЦщ ^ • [тщ ^

В данном математическом выражении показатели степеней 21, р2 , ..., 25 должны быть

определены так, чтобы размерность п стала равной нулю.

Подставим размерности параметров, выраженные через первичные единицы измерений, и получим:

пм = {[Ь]а • [М]в • [Т]71 • [А• {[Ь]а • [М]в • [Т]У2 • [А]§2}22 х... ...х{[Ь]а • [М]вз • [Т]Ъ • [А]§3}23 • {[Ь]Й4 • [М]в • [Т]74 • [л/4}24 х... ...х {[Ь]а • [М]в • [Т]75 • [А]§5}25,

где а, в, у, § - показатели степени при единицах измерения длины, массы, времени и силы тока соответственно.

Значения показателей степеней 21, 22, ..., 25 определим из решения следующей системы уравнений:

а1 • г1 + а2 • 22 + а3 • г3 + а4 • г4 + а5 • г5 = 0;

в1 • 21 + в2 • 22 + в3 • 23 + в4 • 24 + в5 • 25 = 0; 71 • 21 + 72 • 22 + 7з • 23 + 74 • 24 + 75 • 25 = 0; §1 • 21 + §2 • 22 + §3 • 2з + §4 • 24 + З5 • = 0.

№ 4(32) 2017 ИЗВЕСТИЯ Транссиба 47

_г

Получим критерий подобия, предварительно сведя все необходимые данные для решения системы уравнений (6) в таблице 2.

Таблица 2 - Размерности параметров, определяющих процесс коммутации

Параметр Показатель степени

И [М] [Т] [А]

Ьщ а1= 1 А = 0 У\ = 0 ¿1 = 0

п а2 = 0 в 2 = 0 У 2 = -1 ¿2 = 0

'а а3 = 0 в3 = 0 73 = 0 ¿3= 1

АИщ а4 = 1 в 4 = 2 7 4 = -3 ¿4 = -1

Шщ а5 = 0 в 5 = 1 75 = 0 ¿5 = 0

С учетом подставленных значений система уравнений примет вид:

z1 + = 0;

2z4 + z5 = 0;

- Z2 - 3z4 = 0;

^ - z4 = 0.

Система из четырех независимых уравнений и пяти неизвестных имеет бесконечно большое множество решений. В таком случае принимаем одну из неизвестных величин произвольно, а остальные определяем из системы уравнений (7). Для г1= 1 имеем: 22 = 3, 23 = -

- 1, 24 = -1, ¿5 = 2.

Из полученного решения сформируем критерий подобия:

Пм = ЬЩ • п3 • /-1- АИщ1 • шЩ.

Величины, относящиеся к натурному объекту (тяговый электродвигатель ЭДП800 электровоза 2ЭС6) и замещающей его модели (испытуемый двигатель типа 2П), обозначим далее индексами «н» и «м» соответственно. Исходя из того, что критерий подобия одинаков для натурной и модельной машин, можно записать:

П Ь • п3 • М2 • ' • Аи

_ • ктт 1 3 2 ;

П1н Хам • АИщм • Ьщн • пн • Шщн

^м = Ьщс • п3 • шШщ с П1н 'ас • АИщс '

где Ьщс ,• пс ,• 'ас ,• АИщс ,• шщс - отношения одноименных параметров рассматриваемой системы. Запишем индикатор подобия для полученного критерия:

Ьщс • пс • Шщс = 1

'ас • АИщс

48 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 4(32) 2017

ш

Для определения в экспериментальных исследованиях интервалов варьирования величин частоты вращения и тока якоря справедливо следующее:

V

^^щм Ьщн

Л

^^щн Ьщм

ш,

щн

ш

V'щм у

. с [к • Пм У

к, •

I ам

где кп и к1 - интервалы варьирования частоты вращения и тока якоря соответственно, выраженные в относительных единицах.

щм Ьщн

Л

щн Ьщм

ш

ГЛ. V

щн

ш

'щм у

п

V пм У

с

кп

к,

Подставим в выражение (13) номинальные параметры модельной и натурной машин:

1 20 •Г 24,8

8 V 2

770 1500

325=1,878с Ь

90 к

3

Таким образом, коммутационный процесс в рассматриваемых машинах можно считать подобным, если величина 1,878 принадлежит интервалу значений, полученному из отноше-

Къ

ния ——. Для параметров, отличных от номинальных, данная величина будет отклоняться от

полученного значения (т. е. 1,878).

Возможные интервалы варьирования частоты вращения и тока якоря модельной машины

при испытаниях и соответствующий им диапазон к^ ¡к1 приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Соответствие интервалов варьирования частоты вращения и тока якоря модельной машины критерию подобия

3

2

3

Интервал варьирования (в процентах от пн и 1ан) Диапазон значений отношения к* 1к, Выполнение соотношения 1,878 скп3/к,

п 1а

± 10% ± 10% 0,656 - 1,464 Не выполняется

± 20% ± 20% 0,410 - 2,074 Выполняется

± 10% ± 50% 0,365 - 1,997 Выполняется

Анализ данных, представленных в таблице 3, показывает, что, например, выбор интервалов варьирования п более ± 10 % и 1а более ± 50 % позволяет охватить режим работы натурной машины, соответствующий номинальному.

Следует отметить, что чем больший диапазон варьирования принимается, тем больше информации о коммутационном процессе в различных режимах будет получено в планируемом эксперименте. Однако границы диапазона варьирования следует ограничивать допустимой степенью искрения в испытуемой машине.

Для проведения экспериментальных исследований собрана экспериментальная установка (рисунок 1), состоящая из двух однотипных машин постоянного тока с независимым возбуждением, одна из которых работает в режиме двигателя, другая - в режиме генератора, подключенного к активной нагрузке Ян.

В процессе эксперимента изменялись и записывались показания следующих входных параметров: установившийся ток якоря 1а, задаваемый с помощью нагрузочного реостата; величина нарастания (спада) тока якоря Д/а, обусловленная мгновенным подключением или отключением части нагрузки; ток подпитки (отпитки) добавочных полюсов /п ( /о); частота вращения п.

+

х-х овм к^

Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки

В качестве выходных приняты следующие параметры закона распределения случайной величины - интенсивности искрения от пере- и недокоммутированных секций, которые рассчитывались, после записи в ЭВМ:

- среднее значение интенсивности искрения Иср;

- среднеквадратические отклонения интенсивности искрения по коллектору ок;

- среднеквадратические отклонения интенсивности искрения во времени ов.

Для проведения более полного анализа было решено выполнить эксперименты для переходного и установившегося режимов работы двигателя с подпиткой и отпиткой добавочных полюсов.

На основании априорной информации (номинальных величин задействованных в испытаниях машин) и данных таблицы 3 были выбраны основные уровни и интервалы варьирования факторов:

для /п основной уровень - 2,25 А, интервал варьирования - 0,75 А, верхний уровень - 3 А, нижний уровень - 1,5 А;

для /о основной уровень - 2,5 А, интервал варьирования - 0,5 А, верхний уровень - 3 А, нижний уровень - 2 А;

для Д/а основной уровень - 0 А, интервал варьирования - 5 А, верхний уровень - 10 А, нижний уровень - (-10 А);

для /а основной уровень - 7 А, интервал варьирования - 5 А, верхний уровень - 12 А, нижний уровень - 2 А;

для п основной уровень - 1750 об/мин, интервал варьирования - 250 об/мин, верхний уровень - 2000 об/мин, нижний уровень - 1500 об/мин.

В результате обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии [10], которые подтвердили, что повышение информативности диагностического процесса возможно за счет введения в процесс диагностирования параметров, характеризующих закон распределения интенсивности искрения, таких как СКО интенсивности искрения по коллектору (ок) и СКО интенсивности искрения во времени (о).

Относительно высокая информативность параметров ок и ов иллюстрируется полученными на основании регрессионных уравнений графиками, приведенными на рисунке 2, для стационарного режима при фиксированном значении х1. На рисунке 2 приняты следующие обозначения х1 - ток подпитки (отпитки) обмотки добавочных полюсов 1п (1о), х2 - ток якоря 1а, х3 - частота вращения п, у1 - интенсивность искрения, у2 - СКО интенсивности искрения во времени и у3 - СКО интенсивности искрения по коллектору. Анализ результатов экспериментальных исследований показывает, что в определенных случаях СКО интенсивности искрения по коллектору ок и СКО интенсивности искрения во времени ов могут быть более чувствительны к изменению параметров режима работы (х2 и х3) (рисунок 2, б, в), чем средняя интенсивность искрения (рисунок 2, а).

а б в

Рисунок 2 - Результаты моделирования для стационарного режима

Таким образом, применение положений теории подобия и размерностей позволило получить необходимый диапазон испытаний для двигателей малой мощности для дальнейшего распространения полученных выводов на двигатели большой мощности, такие как тяговые двигатели подвижного состава железных дорог.

Испытания показали, что как для двигателей малой мощности, так и для двигателей большой мощности возможно повышение информативности диагностического процесса за счет введения в процесс диагностирования таких параметров, как СКО интенсивности искрения по коллектору (ок) и СКО интенсивности искрения во времени (ов).

Список литературы

1. Игнатович, В. М. Электрические машины и трансформаторы [Текст] / В. М. Игнатович, Ш. С. Ройз. - М.: Юрайт, 2018. - 181 с.

2. Авилов, В. Д. Методы анализа и настройки коммутации машин постоянного тока: Монография [Текст] / В. Д. Авилов. - М.: Энергоатомиздат, 1995. - 237 с.

3. Харламов, В. В. Методы и средства диагностирования технического состояния кол-лекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей и других коллекторных машин постоянного тока: Монография [Текст] / В. В. Харламов / Омский гос. ун-т путей сообщения. -Омск, 2002. - 233 с.

4. Миронов, А. А. Автоматизированный анализ степени искрения отдельных коллекторных пластин коллекторных электрических машин / А. А. Миронов, Р. Х. Сайфутдинов // Транспорт Азиатско-Тихоокеанского региона. - 2015. - № 1 - 2. - С. 98 - 100.

5. Веников, В. А. Теория подобия и моделирования [Текст] / В. А. Веников. - М.: Высшая школа, 1976. - 479 с.

6. Копылов, И. П. Электрические машины: учебник для академического бакалавриата [Текст] / И. П. Копылов. - М.: Юрайт, 2015. - 674 с.

7. Авилов, В. Д. Оптимизация коммутационного процесса в коллекторных электрических машинах постоянного тока: Монография [Текст] / В. Д. Авилов / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2013. - 356 с.

8. Харламов, В. В . Оценка влияния профиля коллектора машины постоянного тока на работу скользящего контакта [Текст] / В. В. Харламов, Д. И. Попов, М. Ф. Байсадыков // Омский научный вестник. - 2016. - № 4 (148). - С. 62 - 65.

9. Никитенко, Г. В. Электропривод производственных механизмов: Учебное пособие [Текст] / Г. В. Никитенко. - СПб: Лань, 2013. - 224 с.

10. Повышение достоверности диагностирования коллекторно-щеточного узла электрических машин с учетом неидентичности коммутационных циклов [Текст] / В. В. Харламов, Д. И. Попов и др. // Омский научный вестник. - 2016. - №4 (148). - С. 65 - 69.

References

1. Ignatovich V. M. Elektricheskie mashiny i transformatory (Electrical machines and transformers). Moscow: Urait, 2018, 181 p.

2. Avilov V. D. Metody analiza i nastrojki kommutacii mashin postoyannogo toka (Methods of analysis and adjustment of commutation in DC machines). Moscow: Energoatomizdat, 1995, 237 p.

3. Kharlamov V. V. Metody i sredstva diagnostirovaniya tekhnicheskogo sostoyaniya kollektorno-shchetochnogo uzla tyagovyh ehlektrodvigatelej i drugih kollektornyh mashin postoyannogo toka (Methods and means of diagnosing the technical condition of collector and brush unit of traction electric motors and other collector DC machines). Omsk, 2002, 233 p.

4. Mironov A. A. The Automated Sparking Analysis of the Individual Commutator Bars of Commutator Machines [Avtomatizirovannyj analiz stepeni iskreniya otdel'nyh kollektornyh plastin kollektornyh ehlektricheskih mashin] / Transport Aziatsko-Tihookeanskogo regiona - Pasific Rim countries transportation system, 2015, no. 1 (2, 3). pp. 98 - 100.

5. Venikov V. A. Teorija podobija i modelirovanija (Theory of similarity and modeling). Moscow: Vysshaja shkola, 1976, 479 p.

6. Kopylov I. P. Elektricheskie mashiny (Electrical machines). Moscow: Urait, 2015, 674 p.

7. Avilov V. D. Optimizaciya kommutacionnogo processa v kollektornyh ehlektricheskih mashinah postoyannogo toka (Optimization of commutation process in the collector electric DC machines). Omsk, 2013, 356 p.

8. Kharlamov V. V., Popov D. I., Baysadykov M. F. The impact of the DC machine profile collector on work of sliding contact [Ocenka vliyaniya profilya kollektora mashiny postoyannogo toka

52 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 4(32) 2017

i

na rabotu skol'zyashchego kontakta] / Omskij nauchnyi vestnik - Omsk scientific bulletin, 2016, no. (148). pp. 62 - 65.

9. Nikitenko G. V. Elektroprivod proizvodstvennyh mehanizmov (Electric drive of industrial mechanisms). Saint-Petersburg: Lan, 2013, 224 p.

10. Kharlamov V. V., Popov D. I., Afonin A. P., Ognevsky A. S. Increase the reliability of diagnosing of collector-brush unit of the electric machines under the condition of identical switching cycles [Povyshenie dostovernosti diagnostirovaniya kollektorno-shchetochnogo uzla ehlektrich-eskih mashin s uchetom neidentichnosti kommutacionnyh tsiklov] / Omskij nauchnyi vestnik -Omsk scientific bulletin, 2016, no. (148). pp. 65 - 69.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Харламов Виктор Васильевич

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).

Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.

Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электрические машины и общая электротехника», ОмГУПС.

Тел.: +7 (3812) 31-18-27.

E-mail: emoe@omgups.ru

Kharlamov Victor Vasilyevich

Omsk State Transport University (OSTU).

35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation.

Doctor of technical science, professor, the head of the department «Electrical machines and general electrical engineering», OSTU.

Phone: +7 (3812) 31-18-27.

E-mail: emoe@omgups.ru.

Попов Денис Игоревич

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).

Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.

Кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Электрические машины и общая электротехника», ОмГУПС.

Тел.: +7 (3812) 31-18-27.

E-mail: Popovomsk@yandex.ru

Popov Denis Igorevich

Omsk State Transport University (OSTU).

35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation.

PhD, associate professor, associate professor of the department «Electrical machines and general electrical engineering», OSTU.

Phone: +7 (3812) 31-18-27.

E-mail: Popovomsk@yandex.ru

Афонин Александр Петрович

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).

Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.

Соискатель по кафедре «Электрические машины и общая электротехника», ОмГУПС.

E-mail: mainsat@ya.ru

Afonin Alexander Petrovich

Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation.

Applicant of the department «Electrical machines and general electrical engineering». E-mail: mainsat@ya.ru

БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ

BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION

Харламов, В. В. Экспериментальные исследования процесса коммутации в коллекторных тяговых двигателях подвижного состава [Текст] / В. В. Харламов, Д. И. Попов, А. П. Афонин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2017. -№ 4(32). - С. 45 - 53.

Supchinsky O. P. Losses power in knots and units as the indicator of efficiency of use the locomotive. Journal of Transsib Railway Studies, 2017, vol. 32, no 4, pp. 45 - 53 (In Russian).