Аналитическое исследование коммутации тяговых двигателей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.313.281

В. М. БЕЗРУЧЕНКО, А. В. ШАПОВАЛОВ (ДПТ)

АНАЛ1ТИЧНЕ ДОСЛ1ДЖЕННЯ КОМУТАЦП ТЯГОВИХ ДВИГУН1В

Проведено аналгшчне дослвдження комутаци тягових двигунiв електровозiв. Встановлено, що отриманi кривi змши струму секцiй, що комутують, вщповвдають теори середньопрямолшшно! комутаци. За допомо-гою запропонованого методу можливо на стади проектування тягових двигунiв спрогнозувати якiсть комутаци i своечасно li скоректувати.

Проведено аналитическое исследование коммутации тяговых двигателей электровозов. Установлено, что полученные кривые изменения тока коммутируемых секций соответствуют теории среднепрямолинейной коммутации. С помощью предлагаемого метода возможно на стадии проектирования тяговых двигателей прогнозировать качество коммутации и своевременно ее корректировать.

The analytical study of switching of the tractive engines of electric locomotives is conducted. It is found that the obtained curves of change of current of the sections commuted correspond to the theory of average rectilinear switching. By means of the proposed method it is possible on the stage of design of tractive engines to forecast the quality of switching and to correct it timely.

Як вщомо, процес змши струму в секщях обмотки якоря при переходi з одше! паралель-но! вики в шшу називають комутащею, яюсть яко! в значнш мiрi визначае надшшсть тягових електродвигушв (ТЕД) i вартють !х експлуата-цл.

Одним iз головних етатв дослiдження комутацл ТЕД було осцилографування струмiв препарованих комутуючих секцiй. Велика кшь-кiсть осцилограм [1, 2], як були одержанi в рь зних режимах роботи тягових машин дозволяе вщмиити наступне. Форми перехщних струмiв комутацл рiзних секцiй хаотичнi, несхож! одна на одну й не шдтверджують класичну умову прямолшшно! комутацл: di / dt = const. Форма криво! струму комутацл зберiгаеться весь час незмiнною, тобто !! викривлення не е випадко-вим i вiдповiдае тальки даному перюду комутаци. 36!жшсть форм кривих струмДв комутаци дано! секцл спостерiгаеться навiть при шджив-ленш додаткових полюав (ДП) ТЕД. Форма кривих струм1в комутацi!' наглядно показуе, що щ^ка працюе з жрДвномДрною густиною струму, що також не вщповщае класичнiй теорi! комутацл.

Л. Дрейфус вiдмiчае [3, 4], що форма криво! переходного струму визначаеться майже ви-ключно шдуктившстю короткозамкнених вит-юв, що хоч прямолшшна комутацiя являе собою щеальний випадок комутацi!, вона немож-лива не тальки практично, але i теоретично. Л. Дрейфус стверджуе, що тд комутацiею «в середньому прямолшшною» розумiегься кому-тацiя, при якш в кожний момент часу сума

швидкоста змши уих струм!в, що комутують, е постшною.

Середньо прямолшшна комутащя задоволь-няе умовк

Е—— = const,

(1)

Вщсутшсть в роботах Л. Дрейфуса експе-риментального матерiалу, що вщноситься до осцилографiчному дослiдженню комутацл, дозволяе проводити дослщження теори середньопрямолшшно! комутацi!.

Оскшьки час оберту якоря на 1 паз дорiвнюе ^ = %Рк / VK , то

V К

_ 4иП _ 4iAVK

^ Рк

(2)

де vK - швидюсть обертання колектора, м/с; РК - колекторна подiлка, м; иП - кшьюсть провщниюв на паз; iA - струм паралельно! вгт-ки обмотки якоря; iK - струм секцл, що кому-туе, А.

Якщо комутащя не е в середньому прямол>

ншною, то сума Е коливаеться бшя серед-

нього значення 4iv / в. Вщхилення вщ цього середнього значення е часткою, що приходиться на «додатковi поперечш струми комутацл (додатковi струми короткого замикання)», i вони можуть бути визначеш диференцiальним рДВНЯННЯМ:

© Безрученко В. М., Шаповалов А. В., 2010

_ 4/л

&

&

Рк

(3)

У вщповщносп з класичною теорieю кому-тацп, перехiдний струм комутаци може бути представлений як струм, що змшюегься прямо-лiнiйно, i струм додатковий (поперечний). Як-що б останнього не юнувало, то густина струму шд щiткою була б рiвномiрною. Щiтка розри-вае додатковий поперечний струм i це викликае юкршня на колекторi.

Важливiсть вивчення електромагштних причин iскрiння пiд щеками пiдтверджуеться й характером отриманих осцилограм струмiв комутаци, незакономiрнiсть i хаотичнiсть форм кривих струмiв можуть бути поясненi саме дискретним характером щ^кового контакту, що не враховуе класична теорiя комутаци.

При проведенш велико! кiлькостi дослiдiв осцилографування струмiв комутаци в якорях обмоток рiзних типiв не спостерiгалось, щоб щ кривi струмiв були схожi на кривi струмiв кла-сично! теори комутаци.

Рис. 1. Перехвдш крив1 комутаци секцш

На рис. 1 наведено перехщш кривi комутаци, що були отримаш експериментальним шляхом, i побудованi залежностi струмiв комутаци шару, пазу та декшькох пазiв в зонi комутаци, причому з юнуючих рiзних варiантiв, наводять-ся тшьки два варiанта при рiзних режимах ро-боти машини з номшальним струмом наванта-ження.

Фiзичнi процеси, якi вiдбуваються в кому-туючих секцiях тягових двигунiв, можливо описати наступною системою диференцiйних рiвнянь (4), з урахуванням ЕРС самоiндукцiй та взаемоiндукцiй комутуючих секцiй. Для прикладу наводиться 4 етап комутаци секцш 2-го пазу (шару).

к — = с &

к &3

с С = г &2

4 =

с л ^ =

-ек -А ■ arctg -ек - А ■ arctg -ек - АагС® -ек - А ■ агС§

ВО-4 - ?з) ■ 4 Б(/3 - /2) ■ 4

Б(Ч - А) ■ 4 5

" Б(/, + ¡а) ■ 4 Т

- А ■ arctg

Б(га -/4) ■ 4 Т

- А ■ агс^

5 г Б(/4 - /3) ■ 4

5

-М-М-М—2-; & & &

-М— -М-М—4;

Аагс^

Б(/3 -/2) ■ 4

5

(Т - Г)

5

- А ■ агс^

(4)

- М—1 - М—3 - М—-;

Б(/2 - /1) ■ 4 5

-М-М-3-М—1.

де ек - комутацiйна ЕРС, В;

Ьс (&п / Ж), М (&п / Ж) - ЕРС самошдукци

та взаемошдукци секцiй, що комутують, вщпо-вiдно, В;

А ■ агс^ [Б(п - /к) ■ 4/ 5] - апроксимащя не-

лшшно! ВАХ контакту щiтка-колектор, що на-бiгае, з коефiцiентами А та Б;

А ■ агС§ [Б(/л - /п) ■ 4Т /5 ■ I] - апроксимацiя

нелшшно! ВАХ контакту щiтка-колектор, що збиае, з коефiцiентами А та Б .

Результати розрахунюв системи рiвнянь (4) для комутаци 12-ти секцш, що знаходяться в 3-х сусщшх пазах якоря, наведеш на рис. 2.

На рис. 2 показаш кривi комутаци секцiй, якi знаходяться у трьох сусщшх пазах (у кож-

ному пазу знаходяться частини чотирьох сек-цш).

Рис. 2. Крив1 комутаци секцш, яш знаходяться у трьох суадшх пазах якоря

Секщя 1, яка знаходиться в першому пазу, починае комутувати першою; секщя 4 - кому-туе остання в першому пазу. Секци 5 та 9 кому-тують першими в другому та третьому пазах, вщповщно

Отже, форма криво! на рис. 3 наглядно тд-тверджуе наявнють середньопрямолшшно! ко-мутацп, яка була отримана шляхом розв'язюв системи рiвнянь (3). Вона практично збтаеться з отриманими експериментально кривими рис. 1.

1а.Л

а»-.....|.......-4—

.250 J—.—,—;—,—j—,—j—,—I—,—j-j—,—j—,—

0,001 0.002 D 003 0.004 O.OOS O.OK 0.007 O.Oifi tC

Рис. 3. Крии залежностi CTpyMiB комутацп пазу

Отже, за допомогою сучасних засоб1в анат-тичних дослщжень можливо на стади проекту-вання ТЕД визначати яюсть комутаци, яка про-гнозусться, i своечасно И коректувати.

Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК

1. Безрученко, В. Н. Экспериментальное подтверждение теории коммутации прямолинейной в среднем [Текст] / В. Н. Безрученко // Электромеханика, Изв. высш. учеб. заведений. -

1968. - № 4. - С. 454-457.

2. Безрученко, В. Н. Современные представления о критериях коммутационной надежности электрических машин постоянного тока [Текст] / В. Н. Безрученко // Транспорт. Труды ДИИТ. -

1969. - Вып. 82. - С. 10-25.

3. Дрейфус, Л. А. Коммутация крупных машин постоянного тока [Текст] / Л. А. Дрейфус. -Стокгольм: Springer, 1929. - 228 с.

4. Дрейфус, Л. А. Теория чувствительности якорных обмоток машин постоянного тока к расстройству условий коммутации [Текст] / Л. А. Дрейфус. - Стокгольм: Acta Polytechnica, 1954. - 176 с.

Надшшла до редколегп 31.03.2010. Прийнята до друку 08.04.2010.