Вольт-амперная характеристика щеточного контакта и коммутационный процесс в коллекторных машинах Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЩЕТОЧНОГО КОНТАКТА И КОММУТАЦИОННЫЙ ПРОЦЕСС В КОЛЛЕКТОРНЫХ МАШИНАХ

В.Д. АВИЛОВ, П.Г. ПЕТРОВ

Омский государственный университет путей сообщения

В работе изложены новые подходы к определению безыскровых зон коммутации на стадии расчета, предложены технология снятия и обработки вольт-амперных характеристик щеточного контакта, а также их аппроксимация в виде двух наклонных линий, приемлемых для инженерных расчетов.

Роль свойств щеточного контакта в коммутационном процессе оценена давно. Точки над «и» расставлены в результате научных дискуссий между различными школами [1, 2]. Современная вычислительная техника позволяет при расчете коммутационного процесса использовать практически любой способ аппроксимации вольт-амперных характеристик (ВАХ) щеточного контакта. Анализ таких способов был проведен в работе [3] и там же предложена функция Ди = А'агС^Ву), которая нашла широкое применение при теоретических исследованиях процессов коммутации.

Однако результаты теоретических исследований и практической настройки коммутации машин постоянного тока указывают на определенное их несоответствие [4]. Причину можно предположить в следующем.

Характер осциллограмм напряжения в контакте между щеткой и пластиной, покидающей эту щетку, показана на рис. 1, где С - время контакта пластины коллектора со щеткой; тд - длительность дугового разряда; Дищ -падение напряжения в контакте от рабочего тока; иср - напряжение срезки; ид -напряжение горения дуги на сбегающем крае щетки; ипр - напряжение пробоя искрового промежутка.

к

^ХДЛЛЛ

к

и„ р

Д*/.Ц и‘Р ^ к ил

/ ▼ 1 1 г ^ г -

< ►

Рис. 1. Импульс напряжения на сбегающем крае щетки

По данным профессора Синельникова Е. В., напряжение ипр может превышать 100 В. В течение времени 4. рабочий ток щетки создает падение

© В.Д. Авилов, П.Г. Петров

Проблемы энергетики, 2008, № 9-10

напряжения в контакте Дищ в соответствии с плотностью тока и ВАХ. К моменту разрыва контакта плотность тока повышается и повышается напряжение до значения иср. Это предельное значение падения напряжения в контакте щетка-коллектор перед пробоем искрового промежутка, который образуется при разрыве коммутируемого контура, т. е. между щеткой и удаляющейся пластиной коллектора. Ряд исследователей напряжение иср называют искровым напряжением. Величина этого напряжения составляет 2,4 3,2 В в зависимости от

марки щетки. Напряжение срезки получило такое название потому, что оно не связано с самим процессом горения дуги и поэтому блокируется входным устройством прибора по оценке уровня искрения. По существу напряжение срезки иср является критерием границы безыскровой зоны коммутации, так как превышение напряжения иср на сбегающем крае щетки приводит к появлению тока разрыва, т. е. искрения.

Предлагается использовать данный критерий, а именно величину иср, для построения безыскровых зон на стадии проектирования или расчета коммутации коллекторных машин постоянного тока.

Однако все нелинейные аппроксимации, приведенные в [3], имеют форму кривой с насыщением. Например, падение напряжения по зависимости Дищ = А-агС^Ву) при плотности тока / = 10 А/см2 равно 0,983 В, а по зависимости Дищ = А//(В + /) падение напряжения Дищ = 0,978 В. При плотности тока / = 100 А/см2 значения Дищ, равны, соответственно, 1,504 и 1,668 В. Это доказывает, что даже теоретически невозможно получить падения напряжения на сбегающем крае щетки, близкие к иср. Используемые виды аппроксимации ВАХ не могут быть применены для получения расчетных безыскровых зон коммутации. В этом случае критерием пограничных значений может быть только величина тока разрыва, что и было применено в работе [4].

Следовательно, для таких теоретических исследований требуется использовать другой метод аппроксимации ВАХ.

Результаты исследования ВАХ щеточного контакта указывают на то, что современные электрографитированные щетки типа ЭГ74, ЭГ61А, Е0365 и др., широко применяемые в мощных высоковольтных двигателях, имеют резковыраженную нелинейность только при низких температурах коллектора (< 50°С). В рабочем диапазоне температур ВАХ этих щеток стремятся к линейно-возрастающей функции [5].

На рис. 2 представлена суть предлагаемого способа аппроксимации.

Рис. 2. Аппроксимация ВАХ электрографитированных щеток

Кривая 1 представляет собой реальную ВАХ, которая апроксимируется двумя линиями 2 и 3. Линия 2 является касательной к восходящей части ВАХ, а

линия 3 - касательной к ВАХ в точке с номинальной плотностью тока в контакте у'„ для конкретной щетки. Пересечение линий 2 и 3 определяет точку перехода В при значении плотности тока у'п. Математически представленную аппроксимацию можно записать следующим образом:

Ли = Рщ •] при \л ^1]п I;

Ли = ^пу)(ОА + к |у|) при |у|>|уп |.

(1)

Совместное решение приведенных уравнений (1) позволяет определить значения ОА иуп в следующем виде:

ОА = Аин - к • у'н;

и н — к ' І н

Рщ

к

(2)

где Лин - падение напряжения в контакте при номинальной плотности тока ун, В; рщ, к - коэффициенты, определяющие наклоны линий 2 и 3, соответственно, Ом^см2; уп - плотность тока в точке пересечения линий 2 и 3, А/см2; ОА - отрезок на оси напряжений, отсекаемый линией 3, В.

Введение функции $1ёп/ позволяет сделать ВАХ симметричной относительно начала координат, что позволяет учитывать в расчетах изменение направления тока в контакте. Технология определения коэффициентов рщ и к проста. Из реальных ВАХ находим значения Л£] при Л/ и Ли/ при у = ун + Лу, тогда

Рщ =■

к =

А/

Аи/ '-Аин

а/

(3)

где А/ = 0,1^/н. Значение А/ получено на основании обработки многочисленных ВАХ для различных щеток.

На рис. 3 показаны вольт-амперные характеристики щетки ЭГ74, снятые на опытной установке и приведенные в работе [5]. Данные ВАХ получены при различных температурах контакта: і = 20, 55 и 85°С.

Рис. 3. ВАХ щетки ЭГ74 при различных температурах контакта

В табл. 1 приведены параметры приведенных ВАХ: уравнения прямых, аппроксимирующих каждую ВАХ, и условия перехода от одной прямой к другой.

Условия и параметры ВАХ щетки ЭГ74

Температура Уравнения Условия Точка перехода

Ь = 20°С Ди = 0,7;/ при / ^ 1,821 А/см2 /п = 1,821 А/см2

ди = 0,03;/ + 1,22 при / > 1,821 А/см2

Ь = 55°С ,4 0, = и д при / ^ 2,895 А/см2 / = 2,895 А/см2

ди = 0,02/ + 1,1 при / > 2,895 А/см2

Ь = 85°С Ди = 0,09/ при / ^ 6,000 А/см2 /п = 6,000 А/см2

Ди = 0,03/ + 0,36 при / > 6,000 А/см2

Для уменьшения объема расчетных операций использован простейший случай с Ьщ = Ьк (единичное щеточное перекрытие) при простой петлевой обмотке, которой соответствует известная схема замещения [5]. Данная схема замещения позволяет записать дифференциальное уравнение коммутации:

Ьс-----+ 1С • Яс + Аищ2 - Аищ 1 + Ек = 0, (4)

йЬ

где Ьс, Яс - индуктивность и омическое сопротивление секции соответственно; 1с -ток секции; Ек - коммутирующая ЭДС; Аищ1, Аищ2 - падения напряжения в контакте на набегающем и сбегающем краях, соответственно.

Выражение (4) справедливо только для описания коммутационного процесса без импульсов искрения, то есть до появления тока разрыва, что соответствует условию Аищ2 < Аиср.

После соответствующих преобразований и подстановок выражение (4) преобразуется к виду

йу 2 • Аи сн 1 1

----1---------У +---------Аи щ 2---Аи щ1 + т = 0, (5)

йх ЕЬн ЕЬн •к ЕЬн •к

^а ^ с ^с

где к =------ - коэффициент нагрузки; у =-----------=--------- - относительное

1ан 2 • 1а 2 •г’ ан 'к

Ь

значение тока секции; х =-------относительное значение времени коммутации (0 <

Т

х < 1); Аис = 1а • Яс = 1ан • к • Яс = Аисн • к - падение напряжения на омическом

2 • 1а • Ьс 2 • 1ан •к • Ьс г

сопротивлении секции; Еь =-----------------=----------------------= Еьн • к - среднее

Т Т

ЭДС . 2 • 1а 2 •1ан 'к .

значение ЭДС самоиндукции секции; ]ср =-------------=---------= ]н • к - среднее

$ щ $ щ

Е

значение плотности тока в контакте; $щ - сечение щетки; т = —-— соотношение

ЕЬ

коммутирующей ЭДС и ЭДС самоиндукции секции;

Аищ2 = /2(/2); Аищ 1 = /1 (/1) - падения напряжения на набегающем и

0,5 + у 0,5 - у

сбегающем краях щетки соответственно; у2 = ун ■ к----------, ]\ = ун • к--------

1 — х х

плотности тока в контакте на набегающем и сбегающем краях щетки соответственно.

Для расчета приняты параметры электрической машины мощностью около 100 кВт.

Начальные условия: при х = 0 у = 0,5. Так как при х = 0 расчет, связанный с

0,5 — у 0

плотностью тока у\, приобретает неопределенность типа -----------= —, то задаем

х0

начальное значение х = 0,0001. При х = 1 и у = - 0,5 расчет, связанный с

у + 0,5 0

плотностью тока у2, также приобретает неопределенность типа ----------------= —,

1— х 0

поэтому принимаем значение х близким к единице (х = 0,9999). При таких допущениях погрешность не превышает 0,01 %.

В результате расчета процесса коммутации построена кривая импульса напряжения на сбегающем крае щетки (рис. 4).

иср

1

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1

х--------►

Рис. 4. Расчетный импульс напряжения на сбегающем крае щетки

Качественное сравнение кривых на рис. 1 и 4 указывает на подобие расчетных значений и копии осциллограммы. Это указывает на адекватность результатов расчета при таком методе аппроксимации свойств вольт-амперных характеристик.

На рис. 5 и 6 показаны расчетные безыскровые зоны, построенные в координатах т = /(к) при напряжении секции Лис = 0,65 В и при ЭДС самоиндукции секции Еь, соответственно, 3 и 1,5 В. По оси ординат в другом масштабе приведен ток подпитки добавочных полюсов, а по оси абсцисс - ток якоря в виде коэффициента нагрузки.

Случай, когда т = 1, то есть Ек = Еь, соответствует прямолинейной коммутации. Средняя линия этих безыскровых зон расположена выше линии т = 1, а величина этого отклонения зависит как от величины сопротивления секции, так и от величины ЭДС самоиндукции. Чем больше величина реактивной ЭДС секции, тем более узкая безыскровая зона коммутации. Это положение находится в полном соответствии с представлением о коммутационной напряженности коллекторных электрических машин [4].

Предлагаются новая технология снятия и обработки экспериментального материала по получению ВАХ и их аппроксимирующих коэффициентов.

].]

1.08

1.06

1,04

1

0 0,5 І 1,5 2

К------------►

Рис 5. Расчетная безыскровая зона при Еь = 3 В 1,6 1,5 1.4 1,3 1,2

I

0 0,5 I 1,5 2

к----------►

Рис 6. Расчетная безыскровая зона при Еь = 1,5 В

Для исследования работы щеточного контакта спроектирована и собрана экспериментальная установка на основе схемы, представленной в работе [6]. Также разработана программа эксперимента по снятию ВАХ щеток при различных окружающих условиях.

В измерительной части установки в качестве аналогово-цифрового преобразователя используется контроллер ввода аналоговых сигналов (КВАС), который предназначен для регистрации сигналов напряжения, тока и уровня искрения в процессе испытания и настройки коммутации машин постоянного тока в условиях эксплуатации [7].

Напряжение анодных щеток Аища

Напряжение катодных щеток

Ток щетки 1щ

Частота вращения коллектора п

Температура коллектора і°С

АЦП

программное

обеспечение

а

ПК

Рис. 7. Измерительная часть экспериментальной установки

Для получения вольт-амперных характеристик по данной схеме необходимо использовать соответствующее программное обеспечение. В эксперименте по снятию

вольт-амперных характеристик щеток используются плата и программы фирмы «L-Card»:

1. Lgraph - в данной программе производится преобразование аналоговых сигналов, поступающих на вход АЦП, в цифровые с заданной частотой дискретизации, в результате чего образуется data файл, который недоступен для чтения в стандартных текстовых редакторах.

2. Voltmeter - с помощью этой программы устанавливаются входы АЦП, с которых принимается сигнал. Также, введя поправочные коэффициенты, с помощью нее можно установить масштаб величины выходных значений.

3. Convert - в данной программе осуществляется преобразование data файла, полученного в программе Lgraph, в доступную для чтения форму. С помощью этой программы можно определять количество значений для дальнейшего использования, также среди полученных данных можно получить средние значения введением соответствующего коэффициента усреднения.

4. Обработку полученных данных можно осуществлять в любой программе по выбору пользователя.

Предложенная технология широко использована при исследованиях ВАХ щеток различных типов.

Данные исследования указывают на то, что предложенные инженерный метод расчета безыскровых зон, технология снятия ВАХ щеточного контакта и способ их аппроксимации приемлемы для исследования условий коммутации коллекторных машин и дают результаты, аналогичные экспериментальным исследованиям.

Summary

In work new approaches to definition without spark zones of switching at a stage of calculation are stated, the technology of removal and processing volt - ampere characteristics of brushes contact, and also their approximation as two inclined lines acceptable to engineering calculations are offered.

Литература

1. Карасев М.Ф. Коммутация коллекторных машин постоянного тока. - М. -Л.: Госэнергоиздат, 1961. - 224 с.

2. Вегнер О.Г. Теория и практика коммутации машин постоянного тока. - М.: Госэнергоиздат, 1961.

3. Сечин В.И., Авилов В.Д. Аппроксимация вольт-амперных характеристик скользящего щеточного контакта // Вопросы коммутации коллекторных электрических машин: Научные труды Омского ин-та инж. ж.-д. трансп. 1968. - Том 88. - Вып. 1. - С. 3-9.

4. Авилов В.Д. Методы анализа и настройки коммутации машин постоянного тока. - М.: Энергоатомиздат, 1995. - 237 с.

5. Карасев М.Ф. Дальнейшее развитие теории оптимальной коммутации машин постоянного тока. - Омск: 1967. - 175 с.

6. Лившиц П.С. Скользящий контакт электрических машин. - М.: Энергия, 1974. - 272 с.

7. 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.

Поступила 27.05.2008