Решение проблемы оптимизации коммутационного процесса в электрических машинах постоянного тока

УДК 621.313.2.014

В. Д. Авилов, Ш. К. Исмаилов

РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОПТИМИЗАЦИИ КОММУТАЦИОННОГО ПРОЦЕССА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ ПОСТОЯННОГО ТОКА

В статье проведен анализ решения проблемы оптимизации коммутационного процесса в электрических машинах постоянного тока.

Задача оптимизации коммутационного процесса в коллекторных электрических машинах (ЭМ) возникла практически с появлением их промышленного производства. Методы проверки и регулировки дополнительных полюсов (ДП) в ЭМ, как отмечал профессор М. Ф. Кара-сев [1], В. Т. Касьянов разделял на следующие три основные группы в порядке возрастающей практической пригодности: метод потенциальных щеточных диаграмм, метод тока искрения и метод безыскровых зон.

Для того времени такая классификация была вполне обоснованной в соответствии с уровнем исследований и техническими возможностями.

Классификацию методов наладки и настройки коммутации, по мнению профессора М. Ф. Карасева, следует провести на основе тех требований, которые должны предъявляться к этим методам с точки зрения полноты и четкости решения вопросов, связанных с обеспечением наилучших возможных условий коммутации. Такими позволяющими более полно и четко решать поставленную задачу являются следующие требования.

1. При проведении наладки и настройки коммутации машин постоянного тока (МПТ), метод должен обеспечить выявление характера искрения щеток (пере-, недокоммутация), без чего в ряде случаев нельзя правильно решать вопросы, связанные с настройкой коммутации.

2. Метод должен дать не только суждение о качестве работы ДП, но и четкие выводы о необходимых количественных изменениях тока обмотки этих полюсов или числа витков ее для обеспечения наименьшего искрения.

3. При проведении настройки ДП необходимо иметь совершенно ясное представление о степени искрения щеток при различных токах нагрузки в стационарном режиме.

4. В тех случаях, когда ЭМ предназначается для работы с резкими переходными режимами, необходимо обеспечить суждение о характере коммутации во время переходных процессов.

5. Метод настройки коммутации должен обеспечить проведение работ для получения наименьшего искрения и в таких случаях, когда при малых нагрузках или даже при холостом ходе имеется очень слабое искрение щеток.

Вполне понятно, что при наладке коммутации не всегда целесообразно выполнять все указанные требования, так как столь широкая программа исследований ЭМ требует достаточно сложной аппаратуры и много времени. Подобного рода обследование ЭМ необходимо проводить лишь тогда, когда более простые методы не дают желаемых результатов. Что же касается крупных ЭМ, предназначенных для работы в весьма тяжелых условиях коммутации, то в таких случаях наиболее полное обследование в соответствии со всеми указанными выше требованиями обеспечит более точную и быструю наладку коммутации.

Уже в 50-х - 60-х г. прошлого столетия были предложены методы, которые, по мнению М. Ф. Карасева, можно было свести в следующие группы: а - потенциальные щеточные диаграммы; б - способы настройки коммутации при посредстве и-образных кривых; в - способ настройки по безыскровым зонам В. Т. Касьянова и его модификации; г - метод реактивного треугольника А. Я. Бергера; д - метод Е. М. Синельникова и А. Г. Назикяна.

Предложенные способы и методы настройки коммутации не имели теоретического обоснования и разрабатывались на основе физического подхода к оптимальным условиям коммутации.

Начало теоретическому обоснованию способа оптимизации коммутационного процесса на стадии проектирования и практической реализации было положено с разработкой теории оптимальной коммутации.

В соответствии с положением теории оптимальной коммутации [1, 2] оптимальная ее настройка соответствует условию (рисунок 1):

¿к — о—— о,

аг

о при г ^ т;

где /с и /2 - ток секции и на сбегающем крае щетки; Т - расчетный период коммутации.

Поиск оптимальных условий коммутации на практике сводится к определению минимального уровня искрения. По существу необходимо добиваться минимального значения показателя условий коммутации, при этом настройка коммутации производится с учетом определенных значений степени неидентичности.

Неидентичность коммутационных циклов (НКЦ) определяется не только явлениями, присущими преобразованию энергии в МПТ, но и определенными технологическими отклонениями и асимметрией машины. Данный момент имеет существенное значение, так как оценка влияния тех или иных технологических отклонений или асимметрии позволит определить допустимые нормы условий коммутации.

Число факторов, воздействующих на процесс коммутации, велико. Теоретические исследования их влияния на коммутацию производились путем вариации отдельного параметра. Экспериментально выделить влияние отдельных факторов сложно, а порой и невозможно.

Предложено множество факторов свести к минимальному их числу [3], т. е. объединить их в группы с одним обобщенным показателем а и произвести агрегирование. В основу агрегирования положено равнозначное физическое действие группы факторов на процесс коммутации. Такой путь решения вопроса дает возможность внести обобщенные параметры в математическую модель коммутационного процесса, оценить влияние на условия коммутации отдельной группы факторов.

При множественном щеточном перекрытии система уравнений в матричной форме приняла вид:

Рисунок 1 - Коммутация: 1 - оптимальная; 2 - недокомму-тация; 3 - перекоммутация

^ = Му 1( х) Fv( х, У, а, т),

ах

где У - векторы неизвестных токов сбегающего края щеток в относительных единицах; Му(х) - матрица коэффициентов взаимных индуктивностей на интервале интегрирования (ху-1, Ху); Fv - вектор нелинейных функций, соответствующий интервалу (ху-ь Ху); х - координата времени в относительных единицах; а - вектор обобщенных параметров неидентичности коммутации; т - соотношение коммутирующей и реактивной ЭДС секции.

Фактически на условия коммутации накладываются ограничения, каждое из которых имеет свое значение и физический смысл [1 - 3]. Условие йгс /аг = 0 обеспечивает к моменту завершения коммутации отсутствие реактивной ЭДС, а /2 — 0 - отсутствие тока в контакте при разрыве коммутируемого контура. Бескомпромиссное выполнение этих требований обеспечивает наилучшие условия коммутации, которые могут быть выполнены при определенном соотношении ЭДС вращения и реактивной ЭДС секций. Следовательно, потребова-

2

лось решить двухкритериальную задачу, которая для каждой секции должна удовлетворять условию:

й\с

Ж

ы

^ мин при / ^ Т.

Двухкритериальная задача (3) решалась на основе принципа Парето. Экспериментатор может отдать предпочтение любому из них, т. е. вступает в силу компромисс. Если эти два условия достигаются в одной точке какого-то пространства, то задача нахождения минимума сводится к выполнению одного из критериев. В случае их несовпадения в одной точке появляется множество решений (множество Парето) в области между минимальными значениями каждого из критериев. Тогда любое решение множества Парето будет удовлетворять условию (3), в этом случае экспериментатор принимает волевое решение в суженных рамках на основании результатов эксперимента или из условий задач исследования.

Для поиска оптимальных условий коммутации при численном методе решения системы уравнений (2) предложено использовать критерий с его минимизацией в виде линейной свертки Лагранжа:

Ф

(^Т-о

-о = Щ Ё у2+(1 - Я)Ё

2-1 2-1

дх

^ шт,

где К - число секций; Ф(а°° , т) - параметр, оценивающий условия коммутации на его завершающей стадии; а'О - начальные значения обобщенных параметров неидентичности коммутации, при которых обеспечиваются оптимальные условия коммутации; к - коэффициент, определяющий весомость каждого критерия при оптимальной настройке коммутации; Кф - масштабный коэффициент.

Предложенный в задаче (3) подход к оптимизации коммутационного процесса на стадии расчета указывает на то, что предложенные В. П. Толкуновым и О. Г. Вегнером критерии имеют право на существование, но только каждый из них - в своем диапазоне мощностей электрической машины. Минимум значения (4) позволяет найти оптимальное значение параметра т. Анализ выражения (4) показывает, что при к = 1 получаем критерий, предложенный профессором В. П. Толкуновым [4]. При к = 0 обеспечивается ступень малого тока по О. Г. Вегнеру [5]. Строгое выполнение обоих условий обеспечивает нулевое значение функционала Ф(а, т).

Для примера на рисунке 2 приведены расчетные кривые по (4) для электрической машины с реактивной ЭДС секции Ер = 1,25 В. Эти кривые имеют вид и-образных, в которых минимальное их значение соответствует оптимальным условиям коммутации, т. е. оптимальному соотношению коммутирующей Ек и реактивной ЕР ЭДС, и ускоренной коммутации (т > 1).

В основе предложенного подхода оптимизации коммутационного процесса на стадии проектирования лежат условия минимального значения суммарного тока разрыва коммутируемых секций за один оборот коллектора с учетом неидентичности, тем самым обеспечива-

0,6

0,5

ОЛ

0,3

ол

0,1

%=0,1 7,25 В 106

0,5

/

0,9 /

(Г

о

1Лд

ТЛ1/- 1Л5 1Л6 гп

Рисунок 2 - Зависимость

Ф -

ется минимальный эрозионный износ пары скользящего контакта. Следовательно, переходя к практической реализации оптимизационной задачи, необходимо производить измерение этого тока разрыва или измерение любого другого сигнала, отражающего эту величину тока разрыва, и добиваться минимального значения этой величины соответствующей настройкой дополнительных полюсов.

Степень износа контактной пары определяется интенсивностью дуговых разрядов в процессе токосъема на вращающемся коллекторе. Ставится задача минимизации объема материала эрозионного износа:

V = уд = у у д. ^ тт

г=1

3

где у - постоянная материала, м /(А с); д - суммарное количество электричества, прошедшего через дуговые разряды за рассматриваемый временной интервал, Ас. Рассматривая завершающий этап коммутации с дуговым искрением (рисунок 3) записываем:

иа

и

' рп

а а.

1.

2 . рг^д"

1 Ь р 2 1 и д 2

т. е. д. =--- = гр или д. =--- = Трг

чг 2 ид рг Чг 2 Ьр рг

Выражение (5) после преобразований имеет вид:

V =

у Ь р у ,2

2—11 рг

2ид г=1

или

V

= УЦд

2 Ь р г=1

где N - общее количество дуговых разрядов за временной интервал измерения.

Следовательно, из (5) вытекает необходимость поиска таких условий коммутации, при которых обеспечиваются минимальные суммарные значения

Рисунок 3 - Завершающий этап коммутации с дугообразованием: 1 - ток разрыва секции;2 - напряжение дуги

У г

г =1

2 ^ тт или ут2д; ^ тт.

г=1

Как доказано в [3] условие (8) выполняется при

У г рг = 0 или уТдг = 0. Такой вариант возможен в

г=1 г=1

двух случаях: при отсутствии тока разрыва вообще или в положении, при котором суммы токов разрыва разной полярности (от недо- и перекоммутации) равны.

Базируясь, например, на индикаторе искрения со вспомогательной щеткой-датчиком на сбегающем крае основной (прибор типа ПКК), показания которого определяются условием

К Ти К Ь N и

А = ^ и аг = У г рг ,

Т J им гр / ' 1 рг '

и 0

Т

г=1

оптимальную настройку коммутации для любых режимов работы электрической машины можно определить условием:

т

х

X I / = о,

/=1 0

где временной интервал исследования разбивается на х участков длительностью Т каждый с характерным режимом работы (наброс и сброс нагрузки, стационарный режим, режимы по скорости и т. д.); А/ - показания индикатора искрения на /-м участке.

Условие (10) записано для общего случая, оно имеет ряд частных решений. Например, для стационарного режима это условие сводится к равенству:

-1 П -1 П

= А

ПКср НКср:

где АПК, АНК - показания прибора от пере- и недокоммутации; Тп - временной интервал с установившимся режимом.

Накладывая различные постоянные составляющие тока подпитки дополнительных полюсов на фактический режим работы электрической машины, можно построить ^-образную зависимость суммарного уровня искрения от этого тока подпитки, по которой определяются оптимальные условия работы коллекторно-щеточного узла.

Предложенный метод оптимизации коммутационного процесса с учетом реальных условий эксплуатации электрической машины был широко апробирован на различных объектах: прокатных станах, горнодобывающей технике, тяговых электрических двигателях подвижного состава железных дорог, приводах шинной промышленности, на испытательных стендах заводов-изготовителей, в локомотивных ремонтных депо и на объектах специального назначения.

Далее обратим внимание на особенности оптимизации коммутационного процесса тяговых электродвигателей подвижного состава железнодорожного транспорта.

Тяговые электрические машины (ТЭМ) подвижного состава относятся к электрическим машинам, работающим в более тяжелых условиях по сравнению с их аналогами других видов транспорта, а именно: с частыми изменениями режимов нагрузки; частоты вращения; магнитного потока главных полюсов; вибрацией колесно-моторного блока (КМБ) в вертикальной и горизонтальной плоскости и т. п. Разнообразие режимов работы тяговых электродвигателей (ТЭД) в условиях эксплуатации делает задачу обеспечения их коммутационной устойчивости и надежности чрезвычайно сложной. Поэтому ТЭД должны обеспечивать в условиях широкого регулирования частоты вращения и нагрузки устойчивую коммутацию в следующих режимах: в двигательном (тяговом) режиме при полном и ослабленном поле главных полюсов; в генераторном, при реостатном торможении (с самовозбуждением и независимым возбуждением); в генераторном, при рекуперативном торможении; в переходных режимах (потеря - восстановление питания, толчок напряжения, короткое замыкание и т. д.).

Дополнительное существенное ухудшение коммутации проявляется при питании ТЭД пульсирующим током на электровозах переменного тока. Все это безусловно влияет на процесс коммутации. В свою очередь предварительная настройка коммутации также оказывает существенное влияние на работу ТЭД.

Тяговым электрическим машинам в процессе деповского ремонта уделяется достаточно большое внимание. Однако цифры по отказам ТЭД свидетельствуют о том, что требуется улучшение качества ремонта. У 30 - 40 % ТЭД в связи со значительными нарушениями в технологии сборки магнитной системы качество коммутации превышает предельно допустимую ГОСТ 183-74 норму - балла, а кратковременно при переходных режимах допускается степень искрения в 2 балла. Работа при степенях искрения 2 и 3 не допускается продолжительно, так как после такого искрения требуется дополнительная чистка щеткодержателей и коллектора от подгара, а иногда такое искрение может приводить к круговым огням по коллектору с серьезными повреждениями электрической дугой ТЭД.

Выходом из существующей ситуации является повышение требований при проведении приемо-сдаточных испытаний ТЭД с соответствующей организацией испытаний в условиях ремонтных локомотивных депо, с внедрением методов и технологий наладки коммутации с применением комплекса приборов по диагностированию.

Опыт работы с прибором ПКК-2М в депо Московка, Нижнеудинск, Тайга и других показал его соответствие заявленным требованиям. Обслуживающий персонал испытательных станций достаточно легко и просто освоил методику работы с прибором. Время испытаний и количество труда с применением предлагаемого прибора заметно сокращаются по сравнению с принятой визуальной оценкой и тем более по сравнению с применением для снятия

безыскровых зон метода В. Т. Касьянова подпит-ки-отпитки дополнительных полюсов.

Речь идет о том, что каждое депо специализируется на ремонте определенных типов ТЭД, которые проходят обязательные коммутационные испытания. Проводить для каждого ТЭД дополнительную процедуру подпитки-отпитки дополнительных полюсов достаточно затратно. Это можно осуществлять при острой необходимости. Для повышения качества первоначальных (стендовых) условий коммутации автором работы [6] предложен метод, получивший широкое применение на сети железных дорог. На основании методов математической статистики им построена так называемая трехмерная математическая модель коммутационных свойств для ТЭД ТЛ-2К1 и НБ-418-К6 (рисунок 4). Полученная модель наиболее полно характеризует коммутационные

свойства ТЭД ТЛ-2К1.

На основе указанной модели предложены расчетные выражения для корректировки зазоров под дополнительными полюсами:

Рисунок 4 - Трехмерная модель коммутационных свойств ТЭД ТЛ-2К1

8 2= 2 д2 (0 - 1) 1а (в"о + в'Уа + в"212)/{ 2 1а (0 - 1) (в "о + в\1а + в"212) ±

а а

± 0 {- (во + в 11а + в 212) ± (во + вМа + в'212)2

г2Л2

а

- 4 (в "о + вУа + в"212) (во + в 11а + в212 - АпК/НК )Г }};

или при перекоммутации:

при недокоммутации:

82 = Кпк• 82; 82 = (1,17 + Апк • 1о • 82;

82 = Кнк 82; 8 2 = о,25 (3,4 - Анк • 1о 4) • 8

2,

где 82 - рекомендуемая величина зазора между сердечником ДП и остовом ТЭД, мм; 82 -существующий зазор, мм; КНК, КПК - соответственно коэффициенты недо- или перекоммутации, зависящие от уровня искрения АПК/НК. Коэффициенты КНК и КПК определяются в зависимости от зафиксированного при испытаниях уровня искрения: при недокоммутации - по рисунку 5, при перекоммутации - по рисунку 6.

В локомотивных ремонтных депо Московка, Тайга, Нижнеудинск и других наблюдения за работой ТЭД ТЛ-2К1, НБ-418К6 в эксплуатации проводились длительное время, за которое собран обширный статистический материал о полных и частичных отказах ТЭД в зависимости от условий эксплуатации и качества настройки коммутации.

№ 4(12) 2012

а

а

В работе [7] дано распределение ТЭД по качеству настройки коммутации и приведен анализ отказов ТЭД по причинам коммутационной природы, показавший, что отказы этого рода зависят непосредственно от качества коммутации.

Для нормирования качества коммутации ТЭМ электровозов постоянного и переменного тока необходимо определить допустимое значение фактора искрения по методике, приведенной в работе [8]. При стендовых коммутационных испытаниях ТЭД ТЛ-2К1 установлено, что при среднем напряжении импульсов искрения до 0,25 В или 500 усл. ед. по прибору ПКК-2М подгара коллекторных пластин не происходит. Износ коллектора при работе в длительном номинальном режиме нагрузки составил 0,3 мм на 100 тыс. км пробега. Это обеспечивает работу ТЭД без обточки коллекторов до планового ремонта с выкаткой двигателей. Средний износ щеток при таком искрении составил 2,0 мм на 10 тыс. км пробега, что удовлетворяет требованиям эксплуатации. При интенсивности искрения, превышающей указанное значение, наступает подгар коллекторных пластин, соединенных с последними секциями паза. При этом резко возрастает износ коллектора и щеток, усиливается загрязнение межламельных промежутков, повышающее вероятность появления перебросов и круговых огней по коллектору.

Известно, что наладку и настройку коммутации по методу безыскровых зон В. Т. Касьянова ведут по соответствующей схеме, с помощью которой для различных нагрузочных токов устанавливают значения токов подпитки-отпитки ДП либо до появления искрения, либо искрение доводят до уровня определенной балльности. На основе полученных значений токов подпитки-отпитки при различных токах нагрузки строят график либо безыскровой зоны, либо зоны, соответствующей определенной степени искрения щеток.

Данный метод настройки коммутации получил преимущественное распространение, так как зона подпитки, определенная непосредственно по искрению щеток, дает возможность определить не только параметры ДП, но и площадь безыскровой зоны или зоны той или иной балльности искрения, т. е. является хорошим показателем коммутационной устойчивости машины.

В результате получения ¿Т-образных кривых уровня искрения от тока подпитки-отпитки ДП при различных токах нагрузки получаем серию ^-образных кривых. Затем, зная, что интенсивность искрения соответствует в условных единицах баллам по ГОСТ 183-74, производим сечение всей серии ^-образных кривых, например, при 150, 500 и 1800 усл. ед. В результате при 150 усл. ед. получаем зону темной коммутации либо искрение определенной балльности, а по развалу и по основанию ^-образных кривых можно с полной уверенностью судить о коммутационной устойчивости ЭМ не только в стационарных режимах, но и в переходных.

Рисунок 5 - Зависимость коэффициента КНК от уровня искрения щеток ТЭД ТЛ-2К1

А-- еД.

Рисунок 6 - Зависимость коэффициента КПК от уровня искрения щеток ТЭД ТЛ-2К1

! 4

Список литературы

1. Карасев, М. Ф. Коммутация коллекторных машин постоянного тока [Текст] / М. Ф. Карасев. - М.: Госэнергоиздат, 1961. - 224 с.

2. Карасев, М. Ф. Дальнейшее развитие теории оптимальной коммутации машин постоянного тока [Текст] / М. Ф. Карасев, В. П. Беляев, В. Н. Козлов / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. - Омск, 1967. - Вып. 78. - 176 с.

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

4. Толкунов, В. П. Теория и практика коммутации машин постоянного тока [Текст] / В. П. Толкунов. - М.: Энергия, 1979. - 224 с.

5. Вегнер, О. Г. Теория и практика коммутации машин постоянного тока [Текст] / О. Г.Вегнер. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961. - 272 с.

6. Исмаилов, Ш. К. Настройка коммутации тяговых электродвигателей ТЛ-2К1 электровозов ВЛ10: Методика и технология корректировки зазоров под дополнительными полюсами тяговых электродвигателей ТЛ-2К1 [Текст] / Ш. К. Исмаилов / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2000. - 28 с.

7. Исмаилов, Ш. К. Повышение ресурса изоляции электрических машин подвижного состава: Монография [Текст] / Ш. К. Исмаилов. - Омск, 2007. - 391 с.

8. Авилов, В. Д. Методика нормирования качества коммутации в тяговых электрических машинах [Текст] / В. Д. Авилов, Ш. К. Исмаилов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2012. - № 2 (10). - С. 2 - 7.

9. Харламов, В. В. Применение теории подобия при моделировании износа коллекторно-щеточного узла тягового электродвигателя [Текст] / В. В. Харламов, П. К. Шкодун, А. В. Долгова // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2011. -№ 4 (8). - С. 57 - 62.

10. Харламов, В. В. Диагностирование состояния коммутации коллекторных электродвигателей с использованием прибора ПКК-5М [Текст] / В. В. Харламов, П. К. Шкодун, А. П. Афонин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2011. - № 3 (7). - С. 52 - 57.

УДК 621.822.6

А. В. Бородин, Т. В. Вельгодская, Н. А. Белоглазова

РАЗРАБОТКА СТЕНДА С СИЛОВЫМ ФРИКЦИОННЫМ НАГРУЖЕНИЕМ

Описана оригинальная конструкция устройства для экспериментальных исследований, включающая в себя узел радиального нагружения в виде упругого кольца постоянного или переменного сечения.

В практике нашли применение устройства, например, для испытания подшипников качения, в которых радиальное и осевое нагружение осуществляется ручными винтовыми и поршневыми насосами, посредством которых создается необходимое давление масла. Используются также стенды с рычажной системой нагружения, в которой радиальное нагру-жение производится грузами через рычаги и передается на консольно установленные подшипники, осевое же нагружение на них обычно осуществляется пружинами [1 - 4]. Получили распространение стенды, в которых радиальная нагрузка создается с помощью гидростатической системы и передается на корпус испытываемых подшипников через поршень рабочего цилиндра [5]. Используемые устройства включают в себя источник питания и передаточные механизмы к испытательным головкам, что усложняет их конструкцию. Кроме этого требуются дополнительные устройства для имитации пульсационного нагружения и регулирования скорости вращения подшипников и не предусмотрена возможность испытания подшипников в различных рабочих средах. Это снижает технические возможности