CC BY
12
УДК 621.313.291.2
АППРОКСИМАЦИЯ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЩЕТОЧНОГО КОНТАКТА СОСТАВНОЙ ЩЁТКИ С ПОВЫШЕННЫМ РЕСУРСОМ
Е.Л. СТЕПАНОВ
Казанский государственный энергетический университет
В данной работе проведён анализ методов обработки вольт-амперных характеристик (ВАХ) щеточного контакта тяговых электрических машин, а также предложен новый метод их аппроксимации в виде трёх различных функций с характерными точками перехода на режим ослабления поля.
Ключевые слова: коллекторно-щёточный узел, аппроксимация, щёточный контакт.
Существуют различные теории коммутации коллекторных электрических машин [1-3], в каждой из которых рассматривается своя ВАХ щеточного контакта. Схема коммутируемого контура (а) при этом и соответствующая ей схема замещения (б) показаны на рис. 1.
2ia
<r1 r2
t
\ЛУ
\ЛУ
Vk
2ia
£ I ii ii I Г2
Rc
eu
e
r
Рис. 1. Коммутационный процесс
В классической теории коммутации принята характеристика щеточного контакта гщ = const, а сопротивления набегающего (r1) и сбегающего (r2) краев щетки изменяются обратно пропорционально площади контакта и равны, соответственно: Т
ri = гщ j;
Т
r2 = гщ t -1
© Е.Л. Степанов
Проблемы энергетики, 2010, № 9-10
В теории оптимальной коммутации, разработанной группой ученых во главе с профессором М.Ф. Карасевым [3], рассматривается двойственная характеристика щеточного контакта: для набегающего края щетки принимается ищ = const, а для сбегающего - /щ = const.
Рассмотрим характеристики, в которых ВАХ щеточного контакта аппроксимируются различными функциями и далее используются в уравнении коммутации [3,4].
Для аппроксимации ВАХ щетки используются различные уравнения:
AU =
A • j j + B
AU = A
r 17 c
У B,
AU = A • arctg (B • j), где j - плотность тока; А, В и С - коэффициенты.
(1)
(2) (3)
Данные уравнения позволяют, подбирая коэффициенты, достаточно точно описать любые ВАХ с какими угодно подъемами в области малых плотностей тока и наклонами в номинальных областях.
На рис. 2 показаны аппроксимации ВАХ щеточного контакта с помощью рассмотренных характеристик.
д и, в 2
-2
**
-Air ■ .¿г | 1 _
/
i- п1 Aj (B+i)
-20
-10
0
10
20 j, А/см
Рис. 2. Аппроксимации ВАХ щеточного контакта
Из рисунка видно, что в первом квадранте при положительной плотности тока зависимости имеют практически одинаковый характер, но при изменении полярности тока, для отрицательных значений плотностей, каждая кривая имеет свою форму.
График аппроксимации уравнением (3) будет симметричен относительно начала координат, а значит отрицательным значениям плотности тока соответствуют отрицательные напряжения, т.е. учитываются особенности коллекторных машин при их питании переменным током. Поэтому часто в
литературе при выводе и решении уравнения коммутации используется характеристика щеточного контакта: Аи = А ]).
Обычно ВАХ щёток представляют следующие зависимости: А ищ (ущ) и
сщ (ущ), где А ищ - падение напряжения на пару щёток, В; сщ - удельное
сопротивление щёток при тех же условиях, Омхм2. Например, на рис. 3 показаны реальные характеристики электрографитированой электрощётки ЭГ2 с учётом возможных отклонений [5]. Для того, чтобы аппроксимировать её, необходимо вольт-амперную характеристику обработать с определенными усредненными значениями по методике, разработанной в лаборатории кафедры «Электрические машины и общая электротехника» ОмГУПС [6, 7, 8].
Аищ, В 3,6
3,2
2,8
2,4 2,0 1,6
1,2 0,8 0,4
Аищ, та х
\VVVV в 11
и ц 1
ш Щ ш
л 1 р
II \\ХЧ чу Гран! ща устой [чиво
|х\\
\ р, тах
работы
р, Ом'см2 1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0 4 8 12 16 '], А/см2 Рис. 3. Характеристики электощётки ЭГ2 Сравнить результат такой обработки можно по кривым на рис. 4. Аи, В
0,6 0,4 0,2 0
Аи, В 0,6 0,4 0,2 0
2 4 6 8 10 12 14 ], А/см2 2 4 6 8 10 12 14 ], А/см2
Рис. 4. Вольт - амперные характеристики: а - фактическая характеристика;
б - усредненная характеристика
Стрелками указаны восходящая и нисходящая ветви. Такое различие можно объяснить изменением свойств политуры коллектора.
На рис. 5 показана реальная ВАХ щеточного контакта и ее аппроксимация функцией Ли = А аг^(В ]).
Рис. 5. Аппроксимации вольтамперной характеристики щетки различными способами
Практика показала [9], что путем соответствующего подбора указанных параметров характеристику, подобную изображенной на рис. 5, можно в гораздо большей степени приблизить к реальной. Точки, определяющие рабочий участок ВАХ при различных плотностях тока, имеют место на практике при эксплуатации машин.
Для повышения точности аппроксимации реальной ВАХ щетки нами предлагается использовать несколько функций (1, 2, 3) для различных значений плотности тока. Для этого необходимо по определенным критериям разделить диапазон изменения плотности тока на участки, и в пределах каждого участка более точно подобрать аппроксимирующую кривую. Критерий, по которому предлагается определять точки перехода для электрических тяговых машин постоянного тока, применяемых на электроподвижном составе, - это точки перехода на скоростной характеристике двигателя при использовании ослабления поля главных полюсов, которые применяются для регулирования скорости вращения якоря тягового электродвигателя.
Выводы
1. Существующие традиционные способы аппроксимации ВАХ не обеспечивают требуемую точность, что определяет необходимость поиска других методов.
2. Аппроксимация реальной ВАХ двумя касательными линиями к восходящей части и в точке с номинальной плотностью для конкретной щётки не даёт требуемой точности, что связано с подбором угла наклона этих касательных.
3. Для электрических машин постоянного тока, где применяется регулирование частоты вращения с помощью ослабления магнитного потока главных полюсов, аппроксимацию необходимо проводить в точках перехода ступеней ослабления поля.
Summary
In this paper, an analysis of methods of processing the current-voltage characteristics (CVC) brush contact traction electric machines, as well as a new method of approximation in the form of three different functionsWith the characteristic points to move to weaken the field.
Key words: collector-brush unit, approximation, brush contact.
Литература
1. Арнольд Э. Машины постоянного тока. Том I. M.: Гостехиздат, 1931. 450 с.
2. Вегнер О. Г. Теория и практика коммутации машин постоянного тока / О. Г. Вегнер. М.: Госэнергоиздат, 1961.
3. Карасев М. Ф. Коммутация коллекторных машин постоянного тока / М. Ф. Карасев. М. Л.: Госэнергоиздат, 1961. 224 с.
4. Сечин В. И. Аппроксимация вольт-амперных характеристик скользящего щеточного контакта / В. И. Сечин, В. Д. Авилов // Вопросы коммутации коллекторных электрических машин: Научные труды Омского ин-та инж. ж.-д. трансп. 1968. Том 88. Вып. 1. С. 3-9.
5. Захарченко Д.Д., Ротанов Н. А. Тяговые электрические машины. М.: Транспорт, 1991. 343 с.
6. Авилов В. Д. Новая технология диагностирования и настройки коммутации двигателей постоянного тока главных приводов прокатных станов / В. Д. Авилов, В. В. Харламов, Е. Н. Савельева и др.// Промышленная энергетика. 2003. №10. С. 15-19.
7. Авилов В. Д., Петров П. Г. ВАХ щёточного контакта и коммутационный процесс в коллекторных машинах // Проблемы энергетики. 2008. № 9-10. стр. 66.
8. Петров П. Г., Бородулин А. Г. Совершенствование технологии анализа вольт-амперных характеристик щёточного контакта электрических машин // Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта. Сб. науч. статей аспирантов университета / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2007. Выпуск 8. С. 128-133.
9. Толкунов В. П. Теория и практика коммутации машин постоянного тока М.: Энергия, 1979. 226 с.
Поступила в редакцию 19 апреля 2010 г.
Степанов Евгений Леонидович - старший преподаватель кафедры «Электрический транспорт» (ЭТ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-905-3182164.
