CC BY
14
УДК 621.313.291.2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРНЫХ ТОЧЕК АППРОКСИМАЦИИ ДЛЯ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО
СОСТАВА
Е.Л. СТЕПАНОВ
Казанский государственный энергетический университет
В работе изложен новый подход к выбору характерных точек на вольт-амперной характеристике (ВАХ) щеточного контакта тяговых электрических машин, для их аппроксимации в виде трёх различных функций, с характерными точками перехода на режим ослабления поля.
Ключевые слова: щёточный контакт, аппроксимация, электрощётка.
Для определения характерных участков изменения плотности тока в щётках обратимся к технологическим режимам работы тяговых двигателей тепловоза серии 2ТЭ10В (М) в реальных условиях эксплуатации. В связи с тем, что система регулирования частоты вращения тягового электродвигателя (ТЭД) автоматическая, для определения плотности тока под щеткой в реальных условиях эксплуатации нам необходимо знать зависимость тока двигателя 1д от скорости движения локомотива. Её определяют по току тягового генератора /г при каждом значении скорости с учетом включения схемы реле переходов РП-1 и РП-2. На рис. 1 изображена схема включения реле переходов РП-1 и РП-2 тепловоза 2ТЭ10В (М).
Рис. 1. Схема включения реле переходов РП1 и РП2 тепловоза 2ТЭ10В (М): Г - тяговый генератор; НГ - независимая обмотка возбуждения тягового генератора; Я - пусковая обмотка; РП1, РП2 -реле перехода (/ - токовые катушки: и - катушки напряжения); П1-П6 - силовые контакторы; 1-6,1'-6' - тяговые электродвигатели и обмотки их возбуждения; Ш1—Ш6 и Ш7-Ш12 - контакторы ослабления возбуждения первой и второй ступеней; СШ1-СШ12 - резисторы ослабления
возбуждения; Р - контакты реверсора
Для примера рассмотрим ВАХ электрографитированной щетки ЭГ-61А (40х25х60мм), используемой на тяговом электродвигателе ЭД - 118Б, применяемом на тепловозах 2ТЭ10В и 2ТЭ10М. Токовые характеристики тягового генератора
© Е.Л. Степанов
Проблемы энергетики, 2011, № 1-2
[1] тепловоза ГП - 311Б на различных положениях рукоятки контроллера машиниста показаны на рис. 2.
Рассмотрим движение тепловоза на 15 позиции контроллера, что соответствует максимальным значения тока генератора, а следовательно и максимальному суммарному значению плотности тока под щетками ТЭД и главного генератора. При увеличении скорости от 0 до 38км/ч локомотив идет на полном поле ПВ и ток генератора изменяется в пределах от 6500А до 3050 - 3100А. При дальнейшем увеличении скорости включается реле переходов РП1, соответственно замыкая блокировку Ш6, и ток скачком изменяется до значения 3800А и при скорости 63км/ч достигает значения 2850 - 2900А.
О 10 20 30 40 50 60 70 80 V, км/ч Рис. 2. Зависимость тока генератора тепловозов 2ТЭ10В (М) от скорости
Аналогично происходит включение реле перехода РП2, происходит переход на вторую ступень ослабления поля ОВ2 и ток возрастает до 3500А. Из рис. 2 видно, что характеристики ПВ, ОВ1 и ОВ2 носят нелинейный характер и существенно отличаются друг от друга а, следовательно, отличаются и кривые плотности тока, т.е. ВАХ для электрощетки ЭГ-61А диапазон изменения плотности тока под щеткой целесообразно разделить на интервалы уе(0 - 8,3) А/см2, уе(11,6 - 8,3) А/см2, уе(16 - 11,6) А/см2 по соответствующим интервалам скоростей уе(0 - 38), уе(38 - 63), уе(63 - уконстр). Таким образом, происходит подбор вида аппроксимирующей функции ВАХ в соответствие с реализуемым технологическим режимом эксплуатации тяговой машины локомотива, что существенно повышает точность.
Проведя опыты на экспериментальной установке Омского Университета Путей Сообщения и по методике, разработанной на кафедре «Общая электротехника и электрические машины» [2, 3], нами были получены ВАХ электрощеток ЭГ-61А. Эксперимент проводился как для неразрезных, так и для составных электрощеток с повышенным ресурсом [4, 5].
В обработке полученных статистических данных использовалась программа 81а1зИеа 6.0.
На рис. 3 показаны ВАХ электрощётки ЭГ61А: а - составной с повышенным ресурсом, б - неразрезной. Расхождение восходящей и нисходящей ветвей объясняется только изменением свойств политуры коллектора.
а)
б)
Рис. 3. ВАХ щеток ЭГ-61А, полученные с помощью экспериментальной установки: а) -составных щеток (п = 1500 об/мин); б) - неразрезные щётки (п = 1500 об/мин)
В дальнейшем было проведено усреднение ВАХ и разделение диапазона изменения плотности тока под щеткой на интервалы уе(0 - 8,3) А/см2, уе(11,6 - 8,3) А/см2, уе(16 - 11,6) А/см2, что соответствует режиму включения РП-1 и РП-2. В качестве примера на рис. 4 - 6 приведены оценки математических ожиданий ВАХ для неразрезных и составных электрощеток с повышенным ресурсом ЭГ-61А для тягового двигателя с частотами вращения, соответственно равными п = 500, 1000 и 1500 об/мин, с выделенными интервалами плотности тока. Диапазон изменения частоты вращения выбран исходя из скоростной характеристики ТЭД типа ЭД118Б, что соответствует установленной скорости движения локомотива [1].
Рис. 4. Усредненная зависимость падения напряжения Ди от плотности тока ] для разрезных с повышенным ресурсом и неразрезных щеток для двигателей с частотой вращения п = 500
об/мин
Из рис. 4 видно, что ВАХ разрезной электрощетки проходит выше, что объясняется дополнительным сопротивлением в поперечном разрезе. Это, в соответствии с теорией оптимальной коммутации, должно улучшить коммутационные свойства электрощетки. Такая же картина наблюдается и для ВАХ этих же щеток с частотой вращения п = 1000 об/мин, п = 1500 об/мин.
—♦—СОСТАВНАЯ 500
стандартная 5оо
Рис. 5. Усредненная зависимость падения напряжения Ди от плотности тока j для щеток с
частотой вращения и = 1000 об/мин
ДС",В
1.40 1,20
0,60
0.00
1ЛЛЛЛ»
0,00 2,00 4,00 6,00 в,00 10,00 12,00 14,00 16,00 ¿А/смг.
—»—СОСТЛВ11ЛЯ 500
СТАНДАРТНАЯ 500
Рис. 6. Усредненная зависимость падения напряжения Ди от плотности тока j для щеток с
частотой вращения п = 1500 об/мин
Для аппроксимации ВАХ электрощеток использовались функции [6]:
А ■ ] .
ли=-
] + В
ли = А
г 1/С
кВу
ли = А ■ а^ (в • j),
(1)
(2) (3)
где j - плотность тока; А, В и С - коэффициенты.
Следующий этап проведения эксперимента заключался в обработке полученных статистических данных и подборе функций. С этой целью также использовалась программа 81а1«Иеа 6.0.
В ходе работы было установлено, что в диапазоне je(0 - 8,3) наиболее точно ВАХ аппроксимируется уравнением Ли = А ■ arctg (в ■ j), при этом используемая в © Проблемы энергетики, 2011, № 1-2
ней тригонометрическая функция аг^, является нечетной, а следовательно при ее использовании будет учитываться изменение полярности тока в щеточном контакте.
В диапазоне уе(11,6 - 8,3) А/см2 наиболее точно ВАХ аппроксимируется
A • 1 . 2
уравнением Аи =-, а в диапазоне уе(16 - 11,6) А/см - уравнением
] + в
С ' >1/с Аи = А А1 .
I в )
На рис. 7 показана реальная ВАХ щеточного контакта и ее аппроксимация тремя уравнениями: (1), (2), (3) для режимов работы тепловоза с ослаблением поля ПВ, ОВ1, ОВ2
Рис. 7. Аппроксимации вольтамперной характеристики электрощётки с повышенным
ресурсом различными функциями
Как видно из рисунка, при реальной ВАХ аппроксимации тремя функциями итоговая и исходная кривая практически совпадают, что обеспечит максимальную точность при расчетах.
Выводы
1. Данная методика усреднения ВАХ позволяет получать реальные характеристики для любого типа электрощёток.
2. ВАХ составной электрощетки с повышенным ресурсом, из-за дополнительного падения напряжения в поперечном разрезе щетки, выше ВАХ неразрезной щетки, что улучшает её коммутационные свойства.
3. Технологические режимы нагружения тяговых машин тепловоза определяют диапазоны изменения плотности тока электрощёток, в пределах которых возможна более точная аппроксимация ВАХ.
Summary
In work the new approach to a choice of characteristic points on volt-ampere characteristics brush contact of traction electric cars, for their approximation in the form
of three various functions, with characteristic points of transition to a mode of easing of a field is stated.
Key words: brush-contact approximation, electro brush.
Литература
1. Правила тяговых расчетов для поездной работы. М.: Транспорт, 1985.
287 с.
2. 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.
3. Авилов В. Д., Петров П. Г. ВАХ щёточного контакта и коммутационный процесс в коллекторных машинах // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2008. № 9-10. С. 66-72.
4. Патент на изобретение № 2365005 РФ. Составная разъёмная щётка с замковой частью / Степанов Е.Л. 2009.
5. Патент на полезную модель №51792 РФ. Щёточный узел электрической машины / Идиятуллин Р. Г. 2006.
6. 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.
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.
