автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Повышение коммутационной устойчивости крупных коллекторных машин постоянного тока (методы анализа, диагностирования и настройки коммутации)

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ СССР

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА ИМЕНИ Ф. Э. ДЗЕРЖИНСКОГО

На правах рукописи АВИЛОВ Валерий Дмитриевич

УДК 621.313.2

ПОВЫШЕНИЕ КОММУТАЦИОННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ КРУПНЫХ КОЛЛЕКТОРНЫХ МАШИН _ ПОСТОЯННОГО ТОКА

(методы анализа, диагностирования и настройки коммутации)

Специальность 05.09.01 - Электрические машины

Автореферат /РУ*,

диссертации на соискание ученой степени 1—)

доктора технических наук

МЛ 0 Л

Москва 1989

Работа выполнена в Омском институте инженеров железнодорожного транспорта.

Официальные оппоненты : доктор технических наук,

профессор Курбасов Александр Севостьянович; доктор технических наук, профессор Толкунов Владимир Петрович; доктор технических наук, профессор Фетисов Виктор Владимирович.

Ведущее предприятие — НИИ ЛПЭО «Электросила».

Защита состоится « » 1989 года

в часов на заседании специализированного совета

Д 114.05.07 при Московском институте, инженеров железнодорожного транспорта имени ф. Э. Дзержинского по адресу: 101475, ГСП, Москва, А-55, ул. Образцова, 15, ауд. 2310.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан « » 1989 года.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направлять по адресу совета института.

Ученый секретарь специализированного совета

Метелкин Б. А.

ПОЧТОВАЯ КАРТОЧКА

Куда

Кому

401 ¿/'¿Г Г СП,

-?-' '-т-

/ЮН-

Индекс предприятия связи и адрес отправителя

Министерство связи СССР, 1989. 3. 105870. ППФ Гознака. Ц. 4 к.

■Ч

Ь

é

Куда

ПОЧТОВАЯ КАРТОЧКА

бУ/бкГУ 2. ¿й^^-о, ГУ

7- Т

Кому

Индекс предприятия связи и адрес отправителя

Министерство связи СССР, 1989. 3. 105870. ППФ Гознака. Ц. 4 к.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Электрические малины - основная продукция электротехнической промышленности. В таких ключевых отраслях народного хозяйства, как металлургия, горнодобывающая промышленность, электрифицированный транспорт, ледокольный флот и другие, приоритет принадлежит машинам постоянного тока (МПТ).

Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года, приня -тыми на ХХУП съезде КПСС п электротехнической промышленности предусматриваются всемерная интенсификация, повышение эффективности производства на базе научно-технического прогресса и наращивание опережающими темпами выпуска автоматизированного электропривода.

Интенсификация экономики всего хозяйства страны предъявляет все более жесткие требования к МПТ в отношении их пере -груз очной способности, диапазона регулирования, повышения надежности, роста мощности в единице исполнения. Предстоит из -готовление двигателей мощностью до 18000-20000 кВт в одноякор-ном исполнении. С одной стороны, наблюдается возрастание потребностей производства, а с другой - налицо ограничения по условиям коммутации, определявшей в отдельных случаях до 9,1 $ основные простои оборудования. В связи с этим решение проблемы повышения коммутационной устойчивости коллекторных машин постоянного тока имеет важнее народнохозяйственное значение.

Обобщение основных работ в области коммутации МПТ позво-

3

ляет определить важнейшее направление в развитии теории коммутации, являющееся составной частью проблемы в целом, подлежа -щей решению. Особого внимания заслуживает малоизученное явле -ние неидентичности коммутационных циклов (НКЦ). Результаты исследования воздействия совокупности факторов НКЦ на условия коммутации указывают на необходимость разработки более совершенных методов оценки коммутационной напряженности как на стадии проектирования и создания МЙТ, ты; и.в условиях эксплуатации, а также методов диагностирования и настройки коммутации.

Диссертационная работа отражает комплексный, системный подход к решению рассматриваемой проблемы с позиций признанных теоретических положений на новой математической базе и с использованием инструментальных методов. Обобщены результаты многолетних исследований автора в области коммутации крупных МПТ, использующихся в металлургической и горнодобывающей про-мьшленностях. Решение »той проблемы отвечает современным требованиям научно-технического прогресса.

Исследования велись в направлении работ ЦНИИ 'Тидропри -бор"; в соответствии с отраслевыми темами ВНИИ Электромата (Т04.Ш3.03.4; Т04.6030.02.3.2; Т04.9058.16.4.4.6; Т04. 81021634; ТО4.й!022654) при разработке новых крупных машин постоянного тока; ОмИИГа (номерами Государственной регистрации 76005456, 81054507) темой "Повышение коммутационной надежности крупных машин постоянного тока"; хозяйственными договорами с ПО "Ураязлектроремонт", [ГШ "Ураланергочеркет" (г.Свердловск), с рядом метал-ургических заводов Урала и заводом пластических масс (г.Омск). Автор диссертации являлся руководителем и непосредственным участником хоздоговорных тем. Отдельные вопросы

4 .

рассматриваемой проблемы разработаны под его руководством в пяти защищенных кавдидатских диссертациях.

Целью работы являются разработка и внедрение совершенных методов анализа и настройки коммутации крупных коллекторных машин постоянного тока при проектировании, изготовлении и эксплуатации на основе обобщения современных достижений науки в области коммутации, позволяющих повысить коммутационную устойчивость крупных коллекторных машин постоянного тока.

Основные научные результаты и их новизна. Основными научными результатами, которые выносятся на защиту, являются:

- обобщенные параметры, определяющие степень НКЦ, обусловленную физикой процесса, технологическими отклонениями, магнитной асимметрией машины и условиями эксплуатации;

- математическая модель коммутационного процесса, усовершенствованная за счет включения обобщенных параметров степени НКЦ, и результаты её исследования на основе решения оптимизационной многофакторной двухкритериальной задачи;

- метод оценки коммутационной напряженности МПГ на стадии проектирования, включающий алгоритм оценки влияния степени НКЦ на условия коммутации, разработанный на базе теории чувствительности и допусков;

- метод вероятностной оценки условий коммутации на стадии проектирования;

- метод экспериментального поиска и достижения оптимальных условий коммутации на основе обобщенного критерия с использованием разработанных приборов объективной оценки уровня искрения

щеток для практически любых условий работы ШТ;

5

рекомендации по использованию составных щеток,предупреждению "зебристости" коллекторов и искрения щеток в набегающем крае крупных МПТ.

В целом новизна результатов работы заключается в переходе от качественной оценки влияния НКЦ к количественной; в реализации математической модели, обладающей возможностью оценки влияния различных факторов НКЦ на условия коммутации и применения вероятностных методов на стадии проектирования; в разработке приборов с новыми свойствами для решения практических задач настройки коммутации и повышения научного уровня и достоверности результатов исследования..

Практическая ценность. Основные научные положения, сформулированные и обоснованные в работе, теоретически обобщены и решена научная проблема в области электрических машин, имеющая важное народнохозяйственное значение. Её результаты позволили:

- оценить влияние различных факторов неидентичности на процесс коммутации, а следовательно, и коммутационную напряженность МПТ на стадиях проектирования, создания и эксплуатации;

- разработать и практически использовать комплекс приборов, позволяющий расширить возможности и повысить научный уровень и достоверность результатов исследований процесса коммутач ции, произвести диагностирование и настройку коммутации на стендах и практически в любых условиях эксплуатации;

- дать рекомендации по реализации оптимальных условий коммутации с учетом эксплуатации, что привело к увеличению коммутационной устойчивости и йффективносги электропривода;

- разработеть рекомендации по иепользовс.нио составных ще-

6 ■

ток, предупреждению "зебристости" и искрения щеток в набегающем крае крупных МПТ.

Предложенная математическая модель процесса коммутации и методы её исследования позволят разработать в перспективе оптимальную систему допусков на конструктивные параметры МПТ из условия предельной коммутационной напряженности.

В работе обобщены результаты опыта настройки коммутации крупных машин по ряду металлургических заводов Урала. Эффективность настройки оптимальных условий коммутации в крупных малинах с учетом условий эксплуатации оценивается в 5-20 рублей на каждый киловатт номинальной мощности настроенной машины.

Внедрение. Научные результаты работы внедрены и используются в настоящее время Главком "Черметзнерго" МЧМ СССР на заводах Урала; заводе пластмасс г.Омска; ПТП "Уралэнергочермет"; ЦНИИ Тидроприбор"; ВНИИЭлектромаше; НИИ ЛПЭО "Электросила".

Разработан и внедрен метод анализа состояния и настройки коммутации крупных МПТ непосредственно в условиях эксплуатации и при стендовых испытаниях с использованием созданного комплекса приборов. В процессе внедрения выполнена практическая наладч ка коммутации многих эксплуатируемых и доработана группа вновь создаваемых крупных машин постоянного тока. Результаты работы используются при проектировании новых МПТ. Это позволило повысить технико-экономические показатели электрических машин; сократить простои оборудования; увеличить производительность и снизить эксплуатационные расходы (Соответствующими документами подтверждается аффект от внедрения результатов исследований по

темам, с которыми непосредственно связана диссертация).

7

Излаженные в работе теоретические положения и разработки устройств по диагностирований условий коммутации включены в лекционные курсы кафедр электрических машин ОмИИТа и ЛПИ им.М.И, Калинина.

Апробация. Основные положения диссертации обсуждались на: У Всесоюзной конференции по коммутации (Омск, 1974); конференциях ХабИИКГа (Хабаровск, 1981, 1983); Всесоюзном научно-техническом совещании НТО Э и ЭП (Ленинград, 1981, 1988); конференциях ОмИИТа (Омск, 1980, 1984, 1986); семинаре ТЭС "Союзэлект-ротгисмаш" (секция МПТ, март 1984); Республиканской конференции (Алма-Ата, 1984); научно-технических семинарах кафедры электрических машин ОмИИТа (Омск, 1981, 1983, 1986); Республиканской научно-технической конференции (Харьков, 1984, 1988); 1У Всесоюзной научно-технической конференции (Днепродзержинск, 1985); научно-техническом семинаре кафедры электрических машин ОмПИ (Омск, 1985); объединенном научно-техническом семинаре кафедры электрических машин ЛПИ иы.М.И. Калинина, ВНИИЗлектромаша, НИИ ЛПЭО "Электросила" (Ленинград, 1985); научно-техническом семинаре НТО 3 и ЗП (Москва, 1985); научно-техническом семинаре на кафедре электрических машин МИИТа (Москва, Г985, 1987); научно-технических семинарах по электрическим машинам и аппаратам (Харьков, УЗПИ; Куйбышев, КШ, 1985; Томск, ТПМ, 1986).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 21 статье и семи описаниях к авторским свидетельствам, а также в 32 отчетах по научно-исследовательской тематике, прошедших государственную регистрацию.

. Структура работы. Диссертация состоит из введения, семи

8

глав, заключения, списка использованных источников, приложения.

Последовательность распределения материала по главам в основном соответствует порядку сформулированных задач. Работа включает 459 страниц, в том числе 285 страниц машинописного текста, 96 страниц приложения, 37 таблиц и 158 рисунков. Список использованных источников содержит 308 наименований, включая работы автора.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель, показаны научная новизна и практическая ценность результатов исследований. .

В первой главе обобщены результаты основных теоретических и экспериментальных работ в области коммутации, сф<?рмулйрованы цель и задачи проведенных исследований..

Экспериментальные и теоретические исследования коммутации МТГ ведутся уже более ста лет. За этот период опубликованы работы различных научных коллективов и получены важные теорети -ческие и практические результаты. Большой вклад в развитие • проблемы коммутации внесен ведущими советскими специалистами Р.Ф. Бекишевым, О.Г. Вегнером, В.В. Ивашиным, П.М. Платовым, С.П. Калиниченко, М.<1. Карасевым, В.Т. Касьяновым, М.П. Костен-ко, A.C. Курбасовкм, Б.В. Сацельниковш, Е.М. Синельниковым, Г.А. Сипайловнм, В.Е. Скобелевым, А.И. Скороспешкиным,.Б.Ф.Токаревым, В.П. Толкуновым, В.В. Фетисовым, B.C. Хвостовым, К.И. Шенфером, В.А. Яков'енко, В.Я. Элкнисом и многими другими.

Обобщение основных работ в области коммутации ШТГ позво-

9

лило выделить ряд вопросов, решение которых представляет научный интерес и практическое значение.

Теоретические и экспериментальные исследования процесса коммутации машин постоянного тока, широкая практика ее настройки на стендах и в условиях эксплуатации подтверждают целесообразность изменения тока секции по закону нормально ускоренной коммутации, обеспечивающей оптимальные условия в работе скользящего контакта. И хотя с ростом!реактивной сДС коммутируемых секций кривые тока приближаются к линии прямолинейной коммутации, они все же сохраняют свой ускоренный характер.

Дополнительные полюса (ДП) оптимизируют коммутационный процесс по машине в целом. Степень его неидентичности зависит от множества факторов и определяет уровень искрения щеток в реальной машине. Следовательно, в качестве обобщенной характеристики коммутационной напряженности (предрасположенности к искрению) МПТ принимается степень влияния неидентичности коммутационного цикла на условия токосъёма, являщуюся основной причи -ной сложности настройки коммутации.

Самое широкое применение получил способ настройки коммутации по безыскровым зонам, являющийся основным при стендовых испытаниях на заводах-изготовителях и в условиях эксплуатации, но используется он только в стационарных режимах работы. Остальные известные методы не получили практического применения. Для динамических режимов работы МПТ, свойственных современному электроприводу, такой метод отсутствовал.

При работр крупных МПТ "зебристость" коллектора и искрение

в набегающем крае щеток обусловливают в определенной степени

10

общее состояние работы коллекторно-щеточного узла и увеличивают степень НКЦ. •• . '.

Целенаправленное использование свойств щеточного контакта для повышения коммутационной устойчивости МПТ представляет научный и практический интерес. Одним из таких направлений является применение в крупных машинах составных щеток, элементы которых выполнены из.различных материалов.

По результатам обобщения состояния рассматриваемой проблемы и для ее решения в работе сформулированы задачи исследований.

1. Разработать: математическую модель коммутационного процесса, отражающую его физическую сторону, и исследовать влияйие факторов неидентичности на условия коммутации; алгоритм оценки коммутационной напряженности ШТ на стадии проектирования по степени влияния факторов неидентичности; метод вероятностной оценки условий-коммутации на стадии проектирования; алгоритм оценки допусков на технологическое отклонение по условиям коммутации; метод настройки коммутации на базе обобщенного интегрального критерия оптимальности условий с применением объективных способов оценки уровня искрения для практически любых условий эксплуатации. •

2. Создать комплекс устройств и приборов для исследования процесса коммутации, её диагностирования-и настройки как на • стендах, так и в условиях экcшIyataции.

3. Исследовать особенности явления "зебристости" я искрения в набегающем крае щеток МПТ.

4. ПроБёсти исследования, разработать рекомендации по применении составных щеток в крупных ШТ и оценить их эффективность.

II

5. Обобщить'результаты настройки коммутации крупных МПТ на металлургических заводах Урала.

В работе избран путь комплексного исследования и системного подхода к оценке условий коммутации и методов их улучшения. Комплексное исследование включает оценку коммутационной напряженности МИГ на всем пути её создания: от проекта до реальной эксплуатации с диагностированием и применением комплекса приборов.. Основными признаками системного подхода в исследованиях, проведенных в диссертационной работе, являются: построение математической модели; формулирование оптимизационной многофакторной двухкритериальной задачи; реализация оптимизационной задачи с широким использованием ЭВМ; экономическая оценка и социальный эффект результатов исследования.

Вторая глаза посвящена теоретическим исследованиям коммутационной напряженности ЫПТ и влиянию неидентичности коммутации на условия токосъёма.

В любой реальной машине при наилучших условиях работы контакта неизбежно часть секций будет заканчивать процесс коммутации с незначительной перекоммутацией, тогда как другая - с не-докоммутацией. Эти отклонения появляются из-за совокупности действия столь многообразных факторов, что учесть их при расчете коммутации весьма сложно даже при установившихся режимах работы машины и тем более при различных нестационарных процессах, связанных с изменением частоты вращения, нагрузки и т.д.

Предложено агрегировать (сгруппировать) множество факторов

неидентичности по физическому воздействию на процесс коммутации,

что позволило свести их к шести обобщенным параметрам: с*/ и

18 '

отражают электромагнитную неидентичность; действие механических факторов; с(3, 0(3- факторов, 'действующих на свойства щеточного контакта; влияние корректировки параметров ДП. В результате анализа источников, расчета и экспериментов найдены значения обобщенных факторов и интервалы их изменения. Диапазон изменения обобщенных параметров 4 с(.1 в МПТ зависит от конструктивных особенностей и технологических отклонений. Это особо относится к параметрам , с(г и ^ . Величины с(5 и <^5 в большей степени определяются разбросом характеристик щеточного материала и изменением их свойств от условий эксплуатации.

В общем случае кривые тока коммутируемых секций описываются системой нелинейных дифференциальных уравнений, имеющих разрыв функций на границах этапа, цикл расчета и начальные условия на каждом этапе. Математическая модель имеет енд: ,

где У - вектор неизвестных токов сбегающего края щеток в относительных единицах; (х) - матрица коэффициентов взаимных ин -дуктивностей на интервалах интегрирования (, X* ); Ру -вектор нелинейных функций, соответствующий интервалу (, Яу )," Х- координата времени в относительных единицах;«^- вектор обобщенных параметров неидентичности коммутации;Щ - соотношение между ЭДС вращения. Ек и реактивной ЭДС секции Ер .

Векторы Ру являются непрерывно дифференцируемыми функци- # ями по всем аргументам в интервале (Х^ , X*). Эти функции неопределимы в'точках и, следовательно, разрывны. Моменты К^,

определяющие смену вида матриц Му и функций'^ , затаит момен-

13

ты переключения. Вектор V в момент переключения Ху претерпевает разрыв. .

Так как результаты расчета используются для оценки влияния неидентичности на условия коммутации, то точность их решения имеет особое значение, В результате многочисленных вычисле ний установлено, что расчет необходимо выполнять для всех ЛбС0,001; 0,99999] и считать его приемлемым для Х£[0; I] .

Для оценки влияния неидентийности необходимо оптимизировать коммутационный процесс по параметру т при фиксированных значениях оС^ . Наиболее благоприятное завершение процесса коммутации соответствует условию:

й1с/й\: ; при Ь~Т. (2)

На практике ото условие строго не выполняется из-за существующей неидентичности. Таким образом, на момент окончания про -цесса коммутации накладывается два ограничения. Перед нами многофакторная двухкритериальная задача, которую можно представить условием;

¿и

(3)

<Н _мин>|

где 1>с - ток'секции; ток на сбегающем крае щетки; Т - период коммутации. .

Экспериментатор может отдать предпочтение любому из двух критериев, т.е. вступает в силу компромисс. Если ети два условия достигаются одновременно, то задача определения минимума сводится к выполнению одного из критериев. Это характерно для

машин с реактивной ЭДС ниже .3-4 В.

14. '

В случаэ несовпадения критериев (при £р> 3-4 В) появляется множество решений (множество Парето) в области между минимальными значениями по каждому из критериев. Тогда любое- решение множества Парето будет удовлетворять условию (3), но при этом не будет наилучшего решения по обоим критериям одновременно. Экспериментатор вынужден принять решение в рамках ограничения на основании результатов эксперимента или из условий задач исследования.

Полученные решения множества Парето можно оптимизировать, используя метод линейной свертки с множителем Лагранжа. Для кавдой j -й секции паза:

4} <<**А\-г.:х} НИН. .(3)

По пазу: •

Ш г ия / ¿У,

НИН. (4)

I . 6

По машине в целом: •

Ф&о.р] («ч> Щ)й+ Р§ мин,, (5)

где К - число секций; ф^р.т) - параметр, оценивающий условия коммутации на его. завершающей стадии; с£'ю - начальные значения обобщенных параметров НКЦ,при которых задаются оптимальные условия коммутации; А} - .коэффициент, определяющий весомость каждого критерия при оптимальной настройке; К<р -масштабный коэффициент. Минимум параметра (3), (4), (5) соответствует оптимальному соотношению т . При А] = Т прлучаем крите-

]5

рий, подобный предложенному профессором В.П. Толкуновым, а условие Xf * 0 обеспечивает "ступень" малого тока по О.Г. Вег -неру. На основании многочисленных расчетов и анализа множества Ларето получена рекомендуемая зависимость весового коэффициента Aj от Ер :

Aslln'Aj = 0,5HBpSi± 0,ПЕрв'М . (6)

Минимизация функций производилась с использованием метода "золотого сечения"' по разработанным алгоритму и программе.

Расчетная зависимость указывает на то, что с

ростом (П—\, т.е. кривая тока приближается к прямолинейному закону при единичном щеточном перекрытии {£> = I). По расчетным и экспериментальным данным для машин с мощностью 40012000 кВт индуктивность разрыва секций Lp =(2,1-7) Л0~6 Гн; начало искрения соответствует длительностям дуг искрения

= 6-1,4 мкс; напряжение дуговых разрядов liy « 12-18 В;ток параллельной ветви обмотки якоря la = 150-300 А. Тогда относительный предельный ток разрыва Уд = 0,114-0,006, а его производная для мелких машин - +1.0)« для крупных -

^da ^ ОХ

(-1,05<-^-< -0,3).

Для получения аналитических зависимостей исследована модель при р = 1с различными допущениями ( дУ/ - набегающий и Zuf*Const - сбегающий края, а также дЦ=const ) и произведена оценка влияния факторов неидентичности на ток разрыва секции. При этом получены оптимальные значения параметра /Л для факторов неидентичностл; показано, что при существующей неиден -тичности любую секцию молно ввести в оптимальный режим. Ток

разрыва секции определяется не абсолютной величиной Ер , а

' 16 '

теми отклонениями, которые соответствуют каждой секции, что влияет на коммутационную напряженность машины. Получены критерий безыскровой работы с учетом неидентичности . '

и мощность под щеткой до дугообразования на завершающем этапе коммутации

п + ад . ,

Р*Г 0 ' • (8>

где 1„1 , $кр.} - ток разрьша и интервал времени, до появления этого тока; Т - теоретический период коммутации; лУг — падение напряжения в щеточном контакте; , Уи - падение напряжения в начале и конце интервала -Ькр.} соответственно.

С целью сопоставления результатов рассмотрена математическая модель (I).применительно к случаю множественного шеточного перекрытия ( р > П . В качестве основной для расчета использована двухходовая несимметричная обмотка, получившая основное применение в крупных машинах (базовая машина МПС 11500-63). Для нахождения тока на сбегающем крае щетки разработана прэграмма, произведен расчет кривых тока секций, оптимизирован коммутационный процесс. '■■■ :•.'•

Для оценки степени влияния рассматриваемых факторов не--идентичности на условия коммутации применен математический аппарат, получивший название теории чувствительности и допусков.

Оптимизированный коммутационный процесс (I) в общем случае исследуется на чувствительность к воздействию факторов неидентичности на основании системы уравнений:

•.. 17 . '' •

\ : (9)

Л (Ш-\ = лТ'мГ? Ж . М. + Ж]

где = (Х,е>£/а) - чувствительность функции по исследу-

емому фактору Ы1 .

Для решения задачи (9) .разработаны метод и алгоритм. Составлена программа на ЭЦВМ, позволяющая построить кривые для д тока секций, а также функций чувствительности за период коммутации. При р I произведен расчет серии машин с Ер= 1,25-20 В, что охватывает по модности большой класс машин с учетом перспективы. Анализ материала для р ~ I показал, что максимум чувствительности не зависит от условий коммутации и с ростом Ер перемещается к концу её периода. Получены зависимости/ 5/т\/$>)и указаны положения максимума чувствительности по периоду коммутации Хт~ / (Ер) , являющиеся объективными показателями коммутационной напряженности МПТ. Если первая завиеи-, мость отражает реакцию машины на ЧКЦ, то вторая - насколько опасна эта чувствительность к моменту завершений процесса коммутации. Когда на стадии проектирования машины известны реактивная ЭДС секции и степень неидентичности, то приведенные кривые позволяют оценить ожидаемые условия коммутации. При Ё^В В машина становится высокочувствительной к обобщенным параметрам Ы1, , и Ы-б . С ростом Ер повышаются требования к точности настройки коммутации на оптимальные условия.

■Результаты исследования модели при / > I качественно

повторяют выводы, полученные для р> =1. Однако при р > I

1В

значения чувствительностей повышаются почти на порядок, особенно по факторам cLs и . Анализ изменения величин Ьзт и Ssm показал, что роль щеточного контакта с ростом Ер не только не снижается, но и возрастает. Зто особенно относится к падению напряжения в контакте. Использование оценки степени влияния факторов неидентичности по чувствительности при множественном щеточном перекрытии вскрыло новые возможности исследования вли- . яния различных факторов на условия коммутации отдельных секций с учетом комплекса взаимных связей (магнитных и электрических) одновременно коммутирующих секций.

В общем случае процесс коммутации является случайным. Стохастический характер его изменения задается случайными значениями d^ . Наличие системы дифференциальных уравнений, обусловливающих функциональную связь выходного параметра 4>(о£.)на момент завершения коммутации (Ь ~*"Т"-о) от факторов неидентичности lAf-dg, позволил разработать метод вероятностной оценки условий коммутации.

По основным факторам неидентичности найдены законы распределения случайных параметров <Жр . Например, cCf = ' cij представлен двумя параметрами в результате анализа.типа и исполне- , ния обмоток сС\ и разброса воздушных зазоров . Каждый из них имеет функция плотности распределения вероятностей, соответствующую нормальному закону, и удовлетворяют на уровне значимости 0,05 критериям согласия Пирсона, Колмогорова и Смирно- . ва,.омега-квадрат.

Функция плотности распределения вероятностей величины. cL% ,

оцененная разбросом зазоров под ДП, подчиняется также нормаль-

19

ному захону. Случайные величины <£} и eis приняты соответствующими равномерному закону. Параметр С^у, характеризующий сокращение периода коммутации, имеет ограниченную область значений (О < I) и удовлетворительно согласуется с законом бета-распределения.

• Требуется определить вероятностные характеристики случайного процесса Y(*i в зависимости от вероятностных характеристик

cL\,. Решение поставленных задач возможно методами линеаризации или имитационного моделирования.

Исследуемая функция (I) может быть представлена в окрестностях Точки с MC^/J,..., Mfe^i рядом Тейлора в виде

Y.....* (10)

v=im itjOdiWj

где S;(*)-щЛ*^№¿1) и Ц;~ Функции чувствительности первого к второго порядков соответственно.

Если ограничиться чувствительностью первого порядка, то математическое ожидание случайной функции Y(*) и дисперсия упростятся до вида

MtYC*>J^(x,MC<i,J,...,MCc*4; (II)

bf(xm^ihZ6i(x)Sj(x)Kij . (12) ■ . i'< ' . itj ' «

Такой педаод к решению задачи вероятностной оценки коммутации

позволяет определить плотность распределения случайных значений

V. 20 ;

У(х) при фиксированных значениях X . Таим образом, имеется возможность выявить наиболее чувствительные отрезки времени,на которых ожидается наибольшая деформация в кривых тока секции при действии факторов нёидентичности.

Закон распределения найден из предполодения о независимости случайных величин и то характеристических функций в виде

где - характеристические функции случайных величин

=$¿00^ -• Функция (13) вычислялась при заданных X с помощью быстрого преобразования Фурье.

Разработанные алгоритмы и программы позволили провести исследование модели (I) при р ^ I и получить -доверительные области ожидаемой деформации кривых тока секции, ожидаемые сред-неквадратическиэ отклонения по периоду коммутации, корреляционную и нормированную корреляционную функции в виде

' ЛЬ»-: (к>

Из расчетного материала следует, что при больших значениях Ер разброс токов к концу периода и от секции к секции увеличивается. Этим и объясняется повышение коммутационной напряженности МПТ с ростом, величины реактивной ЗДС. -

Результаты расчета (14) и (15) указывают на то, что слу-

21

чайный процесс У(х) является неэргодичным и нестационарным. Нормированный коэффициент корреляции Ру(*•,*) на большей части периода близок к единице, только на завершающей стадии коммутации он снижается до 0,6, что указывает на более слабую его связь с предшествующим состоянием коммутационного процесса.

' Вероятностно-статистическая оценка процесса коммутации выполнена также с помощью метода имитационного моделирования. Для моделирования случайных величин , , , использовались стандартные программы с соответствующими датчиками и разработана программа датчика с законом бета-распределекия для случаййой величины сСн .

По найденным таким образом сЦ... с помощью численных методов многократного ( Л = 100) решалось нелинейное дифференциальное уравнение при р = I. В результате были найдены: значения П реализаций случайного процесса Ш) при любых X в диапазоне 0 ^ X ^ I; плотности распределения реализаций и их законы; доверительные области деформации кривых тока секции; корреляционные и нормированные корреляционные функции.

Анализ показал, что при Ер->3 В плотность распределения реализации У(х) близка к нормальному закону по всему периоду коммутации. При Вр< 3 В наибольшая деформация в кривых тока секции наблюдается, в средней части периода, з£;:он плотности распределения реализаций У(Х}к концу периода коммутации приближается к логарифмически-нормальному виду, что объясняется нелинейностью вольтампэрной характеристики щеточного контакта.

Показано, что пля крупных машин с Ер> 3 В-мотет быть исполь-

22

зован метод линеаризации, тая как он дает погрешность порядка. 10 В других случаях слезет пользоваться имитационным методом анализа. ,

. Положение о том, чТо разброс значений тока секций увеличивается к моменту завершения процесса коммутации, находится в • полном соответствии с практикой её настройки. Например, при равном случайном воздействии факторов неидентичности <¿1 в машине с Ер = 10,8 В ожидаемое (ГГ в 12 раз больше в сравнении с машиной, имеющей Ер = 1,25 В. При этом соотношение их реактивных ЭДС составляет только 8,64. Следовательно, коммутационная напряженность имеет тенденцию более прогрессивного роста по сравнению с ростом абсолютного значения реактивной ЭДС.

Понятие чувствительности коммутационного процесса к фактора!.! НКЦ позволило ввести показатель коммутационной, напряженности МПТ, представляющий многомерный вектор

■ Пн^т,..., 56т,Хт} ; (16)

который отражает изменение чувствительности МПТ к факторам НКЦ в зависимости от её мощности, а также обобщенный показатель качества в виде многомерного вектора ;

пкв{д<*1,...,л<*в,о}у (I?)'

характеризующий индивидуальные особенности машины по степени-

существующей в ней НКЦ. . '

Статистический анализ"обобщенных показателей указывает на

то, что с ростом Ер происходит увеличение показателя условий

коммутации СР(<^) , а ото влечет за собой необходимость снижения

23

степени НКЦ, т.е. повышения требований как к производству самих машин, гак и к условиям их эксплуатации.

Знание чувствительности модели CI) к факторам НКЦ позволило перейти к оценке допусков на степень'неидентичиости. Рассмотрен детерминированный случай и проведена вероятностная оценка допусков, показавшая, что только лля малых машин фактические и допустимые пределы Дo¿it¿ близки друг 'к другу. С ростом Ер яти значения "резко отличаются. Следовательно, ожидаемая степень ке-идентичности в исследуемых мшпинах приведет к неуцовлетворитель- ■ ным. условиям коммутации, что и подтверждается практикой эксплуатации крупных МИТ.

Результаты работы по данному разделу свидетельствуют о том, что исследования и настройка коммутации с позиций влияния неидентичности на условия токосъёма с использованием разработанного метода оценки его величины открывают широкие возможности для решения сложных задач и дальнейшего перспективного научного направления исследований. Например, по чувствительности и существующей степени неидентичности, связанной с технологическими отклонениями, можно оценить предельные возможности МПТ по условиям коммутации или по каким факторам могут быть внесены ужесточения допусков с ожидаемым эффектом; становится реальным решение задачи оптимизации самих допусков, исходя из экономических и технических требований, связанных с условиями коммутации.

В третьей главе определены пути совершенствования устройств и приборов объективной оценки условий коммутации.

Успешное решение оптимизационных задач с учетом №34 на сов-

24

ременном уровне немыслимо без применения специальных средств диагностирования и оценки уровня искрения. Обобщен опыт их использования, выделены наиболее перспективные: по сигнэ ам на сбегагаем крве щетки, с датчиком емкостного типа и по высокочастотным сигналам с разнополярных щеток. Определены круг решаемых с помощью приборов задач. ,

Новое схемное решение прибора /И-И1 придало ему положительные качества: повысилась точность измерений при слабом искрении, усилилась помехозациненность и осуществлено разделение по полярности импульсов искрения, что дало возможность оценить, характер настройки коммутации. Прибор контроля коммутации ПКК-2У4 доведен до промышленного образца. Новые качества приобрел анализатор состояния коммутации ЛСК-1, обеспечивающий анализ одновременно по трем группам пластин (двух-.и трехходовые обмотки); по пяти произвольно выбранным пластинам; по группе пластин на заданном участке коллектора. Прибор автоматически регистрирует и исключает недостоверные измерения в случае сбоя работы датчиков синхронизации; анализ производится в любых режимах работы испытуемой машину. Определенный интерес представ-, ляет бесконтактный преобразователь емкостного типа. На основе анализа его схемы замещения, передаточной функции и эффекта искажения сигнала, влияния покрытия диэлектриком определены критические рачмеры первичного преобразователя и входные параметры преобразовательного устройства. Результаты этих исследований явились основой для разработки анализаторов длительностей дуговых разрядов. Разработан ряд вспомогательных устройств, а также

25 •

первичных преобразователей тока разрыва секции. Для измерения профиля коллекторов на известных вихретоковых первичных преобразователях разработаны лрофилометры, позволяющие производить измерения на коллекторах- любого диаметра .с пластинами шириной ^3 мм, имеющие преимущества по точности и простоте в установке, тарировке и фиксации профиля на светолучевом и электронном осциллографах. .

Уделено внимание оценке энергии, концентрирующейся в контакте на стадии завершения коммутации. Энергетический показа -тель условий коммутации позволит проводить сравнение любых машин, так как износ контактной пары определяется энергией дугового искрения. Данный показатель можно использовать при прогнозировании долговечности скользящего контакта в зависимости от уровня искрения, а в перспективе проектировать контактную пару, положив в основу срок службы конкретного типа коллекторных, машин. Разработанные датчики тока разрыва и напряжения на эавер-шающем этапе коммутации позволили перейти к созданию" устройств по измерению мощности дуговых разрядов. Разработаны варианты блок-схем и макетные образцы, реализующие алгоритм:

, гТи *

Р = К1.Кг-К5-у- . (18)

и 0

где Р - средняя мощность дуговых разрядов за время интегрирования Ти ; К-1, К^ , - коэффициенты преобразования соответствующих блоков. От величины Р можно перейти к другим .энергетическим показателям: суммарной мощности дуговых разря- ■ дов, средней мощности одного импульса, энергии одного импульса, удельным мощности и энергии на единицу длины щетки и. одну ламель. 26

Разработанные устройства и приборы широко использовались автором в его исследованиях и внедрены в ряде организаций МОП и МЧМ. Основные из них защищены авторскими снидетельстрами. ■■■

В четвертой главе рассмотрены особенности коммутации в МПТ с многоходовыми обмотками якоря, к которым относятся явле-ние"эебристости", искрение в набегающем крае щеток и механические условия контактирования в системе "щетка-коллектор", которые усугубляют степень НКЦ.

На основании обобщения работ сделан вывод о том, что образование "зебристостн" является результатом воздействия совокупности факторов, оказывающих влияние на формирование политуры каждой коллекторной пластины в отдельности. К ним относятся: несимметрия щеточного аппарата; пульсация межлзмельной 5ДС;положение щеток на геометрической нейтрали; динамический эксцентриситет якоря; неидентичность коммутационных циклов и условия коммутации. ' •

Электромагнитная неидентичность коммутации секций паза • оказывает большое влияние на плотность тока в пластине. Количество электричества, проходящего через контакт "пластина-щетка", определяется как интегральное значение тока пластины за время её контактирования. Предложен коэффициент

оценивающий отклонение реального изменения кривой тока секции i-c(n) от прямолинейного закона, что позволяет получить конечное выражение проходящего через пластину количества электри-

. 27 •

чества, в которое вошли основные параметры обмоток и щеточное перекрытие fi '

< п . х Г-' / t £г12&-2тЗ-пн1 1

—f-KnJ, (20)

где t« - период, соответствующий коллекторному делению; m - число ходов обмотки.

В результате обработки многочисленных осциллограмм кшвых тока секций паза определен следующий диапазон изменения: - (0,2-0,02)£ Кя i > (0,6-0,2). Здесь меньшие значения соответствуют более крупным машинам. Характерно то, что на нижних границах области безыскровой рзботы значение Кц остаются положительными в крупных машинах. Анализ ряда обмоток с Ш =1-3 и р = 3-7 показал, что широкие щетки приводят к более контрастному перераспределению плотности тока по пластинам. Если в простых обмотках с (in * 3 при недокоммутации загружены две последние пластины пата, а при перекоммутации только первая,то в сложных с /П = 2 соответственно загружается одна секция. В обмотках с m = 3 и Ил « 2 пюи недокоммутации нагружена вторая пластина, а при перекоммутации - первая. Если рассматривать обмотки с точки зрения вероятности образования чередующейся политуры, то с 2 они наиболее склонны к этому. Для пгинатых значений Кп превышение плотности тока над средней доходит до 20 что в сочетании с другими причинами приводит к появлению "зебристости". Подтверждается это многими экспериментами, когда настройка оптимальных условий коммутации либо устраняет "зебриетость" совсем, либо резко снижает интенсивность е£ проявления.

С ростом мощности в единице исполнения МПТ, а также в еы-сокорольтньк машинах искрение по визуальной оценке в набегающем и с5ега*тцем краях щеток становится соизмеримым. Экспериментальные исследования искрообразоЕакия щеток в набегающем крае проводились на двух физических моделях и реальных машинах, что позволило сделать ряд выводов.

1. При неустойчивом механическом контакте происходят повторные разрывы секции в начале коммутации, возникает дуговое искреиие, аналогичное сбегающему краю. Искрение начинается при напряжениях замыкания 3-4 В.- При устойчивом контакте и повышенных напряжениях происходит разогрев и выгорание первых точек контакта с последующим переходом в дуговое искрение. В этом случае искрение возникает при Щ > 10-20 В.

2. Момент пробоя в набегающем крае не обнаруживается.

3. На ряде крупных машин искрение в набегающем крае возникает при напряжениях l/j ^ 6-7 В. Эта критическая величина, определяющаяся параметрами обмотки и материалом щетки, может быть использована при проектировании машины.

4. Положение щеток на нейтрали, то аирина и асимметрия расстановки по окружности сильно влияют на условия замыкания.

Если принять во внимание, что производная тока в набегающем крае характеризует мгновенное значение плотности тока в контакте, то из этого для коммутируемого контура следует плотность тока в контакте на момент замыкания пропорциональна напряжению между щеткой и набегающей пластиной; при хорошем механическом контакте повышенное значение эквивалентной индуктив -ности Las более благоприятно, но с его нарушением увеличива-

■ го '

ется вероятность дугообразования; учитывая импульсный характер момента замыкания, следует ожидать (при определенных соотношениях параметров коммутируемого контура) влияния его емкости на процесс формирования условий замыкания, что подтверждается на физической модели; демпфирующие особенности обмотки якоря на • момент замыкания секции характеризуются величиной .

На основании результатов исследования сформулированы оптимальные условия процесса замыкания коммутируемого контура в ви-

Ы = 0 при 1—0. (21)

Предложена схема замещения коммутации сложных обмоток, позволяющая исследовать влияние параметров: 1_с , Яс > Сс > вели- ' чины и формы коммутирующей ЭДС, наличие высокочастотной небалансной ЗДС, различных видов асимметрии. Её анализ представляется самостоятельной задачей.

Анализ профилограмм однотипных и различных по классу машин совместно с распределением искрения по окружности коллектора показал, что наилучшим параметром, отражающим его качество, является ускорение, сообщаемое щетке со стороны коллектора. •

Основной причиной неудовлетворительных условий контактирования в крупных МПТ являатея перепады между смежными пластинами, которые сообщают щеткам как тангенциальные колебания, так иградиальные ускорения. Такой профиль коллектора смещает V-образные кривые искрения в область подпитывающего тока ДП и повышает минимальный уровень искрения.

Исследования искрообразования в сбегающем и набегающем

30

краях щетки показывают, что этому явлению предшествует определенное значение напряжения в контакте, зависящее от его мате -риала. Экспериментами установлено, что возникновений дугового искрения предшествует весьма стабильная величина напряжения 1/и.м^4,8-5,2 В, которая принята в качестве критерия устойчивости контакта.

"Зебристость" и профиль коллектора, искрение в набегающем крае являются источниками формирования дополнительной неиден- . точности коммутационного процесса, с учетом которой осуществляется экспериментальная оптимизация условий коммутации.

Пятая глава посвяцена разработке нового метода настройки оптимальных условий коммутации. Весьма принципиальным является вопрос критерия оптимальности. Критерии равенства напряжений на краях щетки и отсутствие поперечного тока в ней не могут быть использованы для настройки коммутации, так как не соответствуют её оптимальным условиям.

Результатом вредного влияния искрящей щетки является износ контактной пары. Наилучшие условия коммутации соответствуют минимальному износу. Следовательно, обобщенным физическим критерием оптимальности настройки коммутации является условие наи -меньшего воздейстеия дугового искрения на контактную'пару

£ Г-1? г- 2 ГУ? с ' 2 ГРРТ

за цикл или период работы машины 7ц , где V - объ^м материала эрозионного износа; ¡^ -> постоянная материала; ^ - суммарное

количество электричества, прошедшее через дуговые-разряды за "П<.

31

С использованием приборов, фиксирующих различные параметры дугового искрения, физический критерий (22) реализуется в общем случае при выполнении условий:

* 1 х П

М/Цаг^О или 1\ к&а мин., (23)

И О и О

где. А11 - показания приборов, фиксирующих параметр, пропорциональный току разрыва либо, длительности дуговых разрядов; Аг1 -показания приборов, фиксирующих параметр, пропорциональный кгадрату тока разрыва, квадрату длительности либо энергии дуговых разрядов; Ъ - длительность I -го режима работы машины или отрезка осциллограммы.

В общем случае уровень искрения функционально связан с разницей й^ между необходимым потоком Фк и действительным в зоне коммутации. Рассматривая переходный процесс за время Т0 , запишем

0 о с «

или

/эдл V

сЧь,ц 1=1" гт-' ^ 7 (25)

» в '•••..'. ® где левая часть выражения (25) представляет собой ту добавку коммутирующего потока, которую необходимо создать для компенсации недостающего и, в том числе, демпфирующего действия вихревых токов в массивных элементах магнитопровода.

Правая часть выражения (25) определяет уровень искрения.

32

Из условия линейной связи между током якоря и потоком по попе-

const;

речной оси машины получим т

J i-ndt r„

!ь „■ или при

i iadt In

la=const. (26)

Эксперимент сводится к нахокдению оптимальной величины Соат' ПРИ котором выполняются условия (2-3). Определены'оптимальные параметры схемы подпитки ДП, обеспечивающие безопасную работу МПТ в любых динамических -режимах: напряжение подпитывающего генератора - 250-500 В, ток - до 300 А и добавочное сопротивление в его цепи - 0,8-1,0 Ом.

Разработанная методика проведения эксперимента ч обработки экспериментального материала в зависимости от характера нагрузки испытуемой машины и причин неудовлетворительных условий коммутации широко используется как при исследованиях,' так и при настройке з условиях эксплуатации. Предложен инженерный метод корректировки зазоров в цепи ДП для различных вариантов их изменения, введен в расчетную схему коэффициент

Ш-0,09

и„ , ; (27)

»

учитывающий изменение реактивной ЭДС секции от величины зазора под ДП у якоря ; - первоначальный (базовый) эазор. Уточнены выражения расчета сопротивлений магнитно^ потоку для исследуемого класса машин:

(?._ . Пг .. (28)

Для поиска наиболее эффективного решения при корректировке зазоров проведен анализ влияния их соотношения Л на ширину зоны безыскровой работы по методу Лагранжа с помощью неопределенного множителя J .

.Соотношение Щ =5-6 считается оптимальным; перестройка зазоров по данной рекомендации, как показали расчеты, должна привести к расширению области безыскровой работы в отдельных случаях до 20-30 Метод настройки широко проверялся не экспериментальных установках с корректировкой числа витков ДО и зазоров, с различной скоростью наброса и сброса нагрузки, в двигательном и генераторном режимах, где подтвердились его высокая эффективность и точность, а затем в условиях эксплуатации МПТ в металлургической и горнодобывахщей промышленности, непосредственно в технологическом процессе.

Шестая глава посвящена использованию свойств щеточного контакта для повышения коммутационной устойчивости крупных МПТ.

Исследование влияния распределения проводимости по ширине щетки, а также результаты теоретических исследований влияния обобщенных параметров oi3 и на кривые тока секции показали, что целенаправленным изменением свойств контакта можно повысить коммутационную устойчивость МПТ. Одним'из таких примеров является составная щетка, элементы которой выполнены из различного материала. По результатам экспериментальных исследований оценены: взаимное влияние щеток при работе по одному следу на их вольтамперные характеристики, изменение потерь в контакте;раз-работана методика подбора контактных пар по коэффициенту контрастности.

Эффективность применения составных щеток оценивалась коэффициентом ширины зоны К^ , зависящим от контрастности вольтам-перных характеристик применяемых материалов. При работе в динамических режимах введен коэффициент Кэш , характеризуотий возможность увеличения небалансной ?ДС при сохранении того же уровня искрения машины. Разработана программа расчета коммутации с составными и сплошными щетками, позволяющая варьировать материалом щеток, параметрами обмотки, соотношением размеров элементов щетки и т.д.

В результате теоретических и экспериментальных исследований доказано, что оптимальная ширина крайних элементов должна быть близка к коллекторному делению. При этом наиболее полно используются возможности составной щетки, что имеет особое значение для крупных машин со сложными (двух- и трехходовых) обмотками.

Составные ¡детки, оказывая большое влияние на коммутационный процесс, расширяют область безыскровой работы и снижают тем самым коммутационную напряженность машины. Опыт эксплуатации последних на мелких и крупных машинах показал их эффективность: области определенного уровня искрения генератора -ГП» 5700-375 для сплошных и составных щеток расширяется с составными щетками до 2 раз.

В седьмой главе обобщен опыт и разработана методика оценки эффективности настройки коммутации Ш7Г с учетом условий эксплуатации. '

Под руководством автора и при непосредственном его участии

35

было проведено большое количество экспериментальных исследований условий коммутации крупных МПТ на металлургических заводах Урала и ряде других организаций с целью выявления причин неудовлетворительного состояния токостЛма, разработки мероприятий по его улучшению и повышении эффективности использования электропривода на постоянном токе.

Практически невозможными становятся исследования условий коммутации и её настройки в специальном электроприводе без применения соответствующих приборов и предложенного метода исследований.

В результате исследований МПТ в условиях эксплуатации широко апробирован метод настройки, дающий положительные результаты; внедрен ряц приборов для проведения исследований; показана эффективность применения комплексного метода "исследования; проверены"возможности использования различных устройств для решения конкретных задач в условиях эксплуатации; выявлены характерные причины неудовлетворительных условий коммутации, обусловленные характером эксплуатации; проведена оценка влияния асимметрии машин на обобщенные параметры неидентичности. .

Обобщая материал,'следует ответить, что в большинстве своем машины, находящиеся в эксплуатации, требуют усиления поля в зоне коммутации для конкретных условий эксплуатации в среднем на 6,3 а в отдельных случаях до 10-П Выявлены причины, усугубляющие степень неидентичности коммутации как по отдельным кронштейнам, так и по коллектору в целом.

С улучшением условий коммутации повышаются использование

' ->36;

установленной мощности электропривода и надежность его работы. В качестве показателя оценки эффективности улучшения ксммутп-ции предложен коэффициент, представляющий отношение износов контактной пары до и после настройки. В зависимости от ■измеряемых параметров искрения

где rt'gj - уменьшение износа за счет сокращения времени действия искрения; Pj , J^ - время действия искрения до и после настройки, отнесенное к рассматриваемому циклу Тц ; K3V- уменьшение

- V" г'-

износа за счет снижения общего уровня искрения; l>i]¡, , l-jj

длительности горения коммутационных дуг на участке Tj ; Кэ -средневзвешенный коэффициент за время Тц . При измерении энергии дугового искрения приборами

' fj Aaj dt Aijdt

г'» i

где , A2J - показания прибора на участке T^ .

Годовая экономия от уменьшения эксплуатационных расходов по коллекторно-щеточному узлу при настройке коммутации по одному электродвигателю определяется в виде

oí)

где Его - годовые эксплуатационные расходы до настройки.

Кроме приведенной составляющей экономического эффекта методика учитывает рост произвогительности оборудования, эконо -

• 37 ■ ■ ,vv:■■ -■■. ':.

мию от устранения простоев на неплановых ремонтах. По статистическим данным эффективность настройки коммутации МТГ на местах эксплуатации оценивается от 5 до 20 р/кВт номинальной мощности настроенной машины. Социальный эффект выражается в улучшении условий труда обслуживающего персонала.

' . ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных исследований осуществлено теоретическое обобщение и решена важная народнохозяйственная проблема повышения коммутационной устойчивости крупных коллекторных машин постоянного тока путем комплексного исследования и системного подхода к оценке условий коммутации и определению путей их улучшения. . . ■ ^ • . .

Постановка проблемы закономерно вытекает из объективной необходимости повышения требований к машинам постоянного тока в отношении их перегрузочной способности, диапазона регулирования, повышения надежности и роста мощности в единице исполнения. Её решение подготовлено соответствующим уровнем развития теории электрических машин, широким распространением и доступностью высокопроиз водитель'Ных ЭЦВМ, возросшим научным уровнем специалистов в области коммутации МПТ.

Теоретические обобщения базируются на комплексном подходе к проблеме путем использования основных положений признанных теорий коммутации, проведения эксперимента, инструментальной оценки условий токосъема.

Решение проблемы включает в себя.разработку системы взаи-

38 '

мосвязанных вопросов повышения коммутационной устойчивости МПТ с привлечением соответствующих разделов теории электрических машин, а также современных математических методов - теории чувствительности и допусков; планирования эксперимента; статистики; вероятностных методов; численных методов интегрирования дифференциальных уравнений; экспериментальной проверки.

Народнохозяйственное значение работы заключается в комплексном поцхоце к решению рассматриваемой проблемы (предложенные разработки могут использоваться как самостоятельно, так и в качестве обобщенных результатов для проектирования, конструирования и технологической подготовки промышленного производства электрических машин с учетом условий коммутации); э высокой эффективности предложенного метода исследования коммутации, открывающего новые возможности при решении оптимизационных задач её настройки; в применении научных положений работы на практике.

Теоретические и методические результаты представлены в виде решения следующих вопросов:

1. Математическая модель, включающая комплекс воздействий факторов неидентичности на условия токосъёма, обеспечила роз-мощность разработки (с использованием теории чувствительности и допусков) метода и алгоритма оценки коммутационной напряженности ШТ.

2. Разработан и реализован вероятностный метод оценки условий коммутации на стадии проектирования. Дана предварительная оценка допусков на величину обобщенных параметров НКЦ.

3. Сформулированы оптимальные условия и разработана мате-

39

матическая модель процесса замыкания коммутируемой секции.

4. Обоснованные критерий интегральной оценки оптимальных условий коммутации и метод его экспериментального поиска для практически любых режимов работы позволяют выявить резерв МПТ по условиям коммутации.

5. Теоретические исследования особенностей работы составных щеток (из разного материала) в крупных МПТ доказывают их высокую эффективность за счет повышения степени воздействия щеточного контакта на коммутационный процесс (особенно в сложных обмотках якоря).

С. Электромагнитная неидентичность коммутационных циклов по проведенной оценке является одной из основных причин формирования явления "зебристости" коллекторов МПТ.

7. Теоретическое обоснование параметров первичного преобразователя емкостного типа устройств по оценке длительности дугового искрения позволило определить область их использования и перспективное направление дальнейших разработок подобных приборов.

8. Разработаны метод оценки эффективности внедрения рекомендаций по настройке'коммутации с учетом конкретных условий эксплуатации- МПТ..

Комплекс экспериментов, проведенных как для подтверждения 'отдельных положений работы, так и для объяснения ряда физических процессов, позволил: _

I. Получить результаты по исследованию влияния частоты

вращения, тока нагрузки, температуры коллектора, марки щеток,

40

насыщения участков магнитной цепи на условия коммутации, указывающие на весьма сложный характер их связи с коммутационный процессом.

2. Установить, что условия механического контактирования "щетка-коллектор" могут быть оценены по величине .напряжения в щеточном контакте, которое не должно превышать 4,8-5,2 В.

3. Доказать, что критерии настройки коммутации, выражающиеся равенством падений напряжений на краях щетки или отсутствием поперечного тока в ней, не выдерживают критики и не могут быть рекомендованы для настройки коммутации не только в динамических, но и в статических режимах работы ШТ.

4. Апробировать разработанный интегральный метод настройки коммутации на аппаратах, установках и реальных машинах в условиях эксплуатации и подтвердить высокую точность результатов.

5. Установить, что напряжение замыкания, при котором наблюдается искрение в набегающем крае щетки, для исследованного класса машин составляет 6-7 В. -

6. Выявить степень взаимного влияния материалов составной щетки на их вольтамйерные характеристики при работе по общему следу, вскрыть особенность её воздействия на условия коммутации в машинах со сложными обмотками якоря.

7. Выявить причины неудовлетворительной работы привода постоянного тока в специальных (нестайдартных) условиях и дать рекомендации по их устранению. ,

. 8. Подтвердить влияние соотношений зазоров в цепи ДП на коммутеционную устойчивость МЛТ.^

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

*1. Впервые получила количественную оценку степень влияния неидентичности на коммутацию. Объединение' в группы (агрегирование) факторов неидентичности по физическому воздействию на процесс собственно коммутации позволило перейти к обобщенным параметрам НКЦ и ввести их в математическую модель.

2. • Разработан метод оценки коммутационной напряженности

МПТ на всех стадиях её создания: проектирования - по чувствительности коммутационного процесса к факторам неидентичности; отладки опытного образца - по II -образным кривым и эксплуатации-по суммарному уровню искрения.

3. Разработаны приборы и устройства по объективной оценке условий коммутации ИЙ-РП, ПКК-2У4, АСК-1; устройство для определения кривой распределения магнитного поля в зоне коммутации; датчики тока разрыва коммутируемой секции, защищенные семью авторскими свидетельствами,' а также измеритель нажатий на щетки; профилометры ИПК-1Т, ИПК-1П, ЮЖ-2П; устройства по измерению энергии дугового искрения. Приведена методология использования приборов и устройств. Рекомендованы области применение приборов, круг решаемых''задач, сформулировано дальнейшее перспективное направление их разработок.

4. Разработан, испытан и внедрен интегральный метод настройки коммутаций с учетом конкретных режимов У5 условий работы МПТ, включающий в себя методологию использования приборов, инженерного метода корректировки параметров ДП, методики обработки экспериментального материала.

■ 5. Дан метод подбора контактных пар из разных материалов

42

составной щетки и определены соотношения конструктивных размеров её элементов. Применение составных щеток позволяет примерно в два раза расширить область безыскровой работы.

6. Приведены практические рекомендации по оптимальному соотношении (для рассматриваемого класса машин) воздушных зазоров в цепи ДП ( 'Vi2 = 5-6); доказана необходимость ужесточения требований к различного рода технологическим и монтажним отклонениям, а именно: равенству зазоров, разбивке кронштейнов по окружности коллектора, установке нейтрали, состоянию поверхности коллектора; допустимому напряжению земыкания С Uj < 6-7 Б); снижению степени проявления "зебристости" коллектора;•оценке эффективности настройки коммутации МПТ и т.д.

?. Обобщен опыт_внедрения предложенного метода настройки коммутации более чем на 30 крупных машинах постоянного тока ряда заводов Урала, разработанные и внедренные мероприятия позволили увеличить коммутационную устойчивость МПТ, тем самым повышена производительность, увеличена надежность и снижены эксплуатационные расходы. Подтвержден экономический эффект от 5 до 20 р. на киловатт мощности настроенной машины. Социальный эф«-фект выражается в улучшении условий труда обслуживающего персонала.

Дальнейшая реализация результатов данных исследований позволит использовать разработанные алгоритмы и программы в качестве составных элементов общей программы САПР по проектированию МПТ, а ужесточение допусков на технологические отклонения позволят проектировать машины с повышенными значениями реактивной ЭДС.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ работы отражено в следующих основных публикациях: ;

1. Авилов В.Д. Влияние некдентичности коммутации в машинах постоянного тока на условия токосъёма // Электричество. - 1986. - № б. - С.54-56. .

2. Авилов В.Д.;Коммутационная напряженность и неедентич-ность коммутационных циклов в машинах постоянного тока // Вопросы повышения коммутационной способности машин постоянного тока: Сб. науч. тр. - Л., Всесоюзн. науч.-исслед. ин-т электромашиностроения, 1982. - С.60-68.

3. Авилов В.Д. Коммутационная устойчивость крупных машин постоянного тока в условиях эксплуатации // Исследование специальных электрических машин и машинно-вентильных систем: Мет;вуз. темат. сб. / Томский политехи, иц-т. - Томск, 1984. -С. 139-144.

4. Авилов В.Д. Методика анализа и настройки коммутации крупных коллекторных машин постоянного тока в эксплуатационных условиях / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. - Омск, 1981. - 92 с.-Деп. в ЦНИИТЭИ МПС I0.II.8I, # 1465. '

5. Авилов В.Д. Метод анализа и настройки коммутации крупных машин постоянного тока // Сталь. - 1985. - № II. - С.91-93.

6. Авилов В.Д. Оптимальные условия коммутации в динамических режимах работы машин постоянного тока // Тез. докл. Все-еаяз. науч. - техн. кокф. - Днепродзержинск, 1985. - 4.2. -

С.11-12.

. 7. Авилов В.Д. Совершенствование методов исследования и

настройки коммутации коллекторных машин постоянного тока //

Тез. докл. Республиканской науч.-техн. конференции. - Харьков,

44 '

1984. - 4.1. - С.7-8.

8. Анализ условий коммутации машин постоянного тока и их настройка в условиях эксплуатации / В.Д. Аеилов, В.В. Бублик', E.H. Савельева и др. // Промышленная энергетика. - 1987. -

№ 12. - С.18-20.

9. Авилов В.Д., Александров A.A. Оценка экономической эффективности настройки коммутации машин постоянного тока / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. - Омск, 1984. - 16 с. - Деп. в Информэлектро 20.07.84, » 201-ЭТ.

10. Авилов В.Д., Безбородов Ю.Я. Определение оптимальных условий коммутации машин постоянного тока в переходных режимах работы / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. - Омск, 1985. -7с.-Деп. в Информэлектро_22.10.85, № 85-ST. .

11. Авилов В.Д., Карасев M.Î. Критерий и метод настройки коммутации машин постоянного тока // Изв. вузов. Злектромеха-' пса. -■ 1976. - » 10. - С Л050-1054.

12. Авилоз В.Д., Савельева E.H. Коммутация машин постоянного тока с составными щетками // Тез. докл. Республиканской науч.-техн. конф. - Харьков, 1984. - Ч.1У. - C.II2-II3.

13. Авилов В.Д., Савельева E.H., Костиков Н.В. Расчет ком-

I

мутации машин постоянного тока с составными щетками / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. - Омск, 1985. - 40 с. - Деп. в Информэлектро 13.01.66, » 188-ЭТ.

14. Авилов В.Д., Томилов Г.Н. Искрение на набегающем крае щеток в крупных машинах постоянного тока // Тез, докл. Республиканской науч.-техн. конф. - Харьков, 1984. - 4.1. -■ C.RÖ-69.

15. Карасев М.Ф., Авилов В.Д., Илотов А.И. Идетроила коя-

45

мутации двигателей прокатных станов // Материалы У Всесоюзной конференции по коммутации электрических машин. - Омск, 1976. -С.17-18.

16. Карасев М.Ф., Авилов В.Д., Лузин В.М. Настройка коммутации двигателей, работающих в режимах реэпопеременных нагрузок // Материалы У Всесоюзной конференции по коммутации электрических машин. - Омск, 1976. - С.76-78.

17. Карасев М.Ф., Авилов В.Д., Лоскутов А.К. Улучшение коммутации электродвигателей.ДГА-40 // Автоматика, телемеханика и связь. - 1970. - № 6. - С.25-26.

18. Методы и приборы объективной оценки коммутации в динамических режимах работы / В.Н. Козлов, В.Д. Авилов, A.B. Сазонов и др. // Проблемы создания турбогидрогенераторов и крупных электрических машин: Сб. „ауч. тр. / НТО энергетики и электротехнической промышленности. - Л., 1981. - С.126-128.

19. Прибор контроля коммутации ПКК-2У4 / М.Ф. Карасев,

. В.Д. Авилов, A.B. Сазонов и др. // Электротехн. пром-сть. Сер. Электрические машины. - 1979. - Вып.6(100). - С.16-17.

20. Перспективы разработки устройств по измерению энергии коммутационного искрения / В.Д. Авилов, Л.В. Юденко, A.A. Ряб-цун и др. // Тез. докл. Республиканской науч.-техн. конф. -Харьков, 1984. - 4.1. - С.32-33.

21. Применение первичного преобразователя емкостного типа в устройствах для оценки интенсивности искрения щеток коллекторных электрических мшин / В.Д. Авилов, Ю.Я. Безбородов,

В.Н. Козлов, В.К. Тимошина / Омский кн-т инж. ж.-д. трансп. -

46

Омск, 1961. - 27 с. - Деп. в ЦНШГЭИ МПС 06.07.81, № 1592.

22. A.c. 532921 СССР, МКИ HOR 39/56. Устройство для диагностики и определения уровня искрения щеток электрических машин постоянного тока / В.Д. Авилов, М.Ф. Карасев, В.Ф. Клятчен-ко и др. // Открытия. Изобретения. - 1976. - У» 39. - С. 130.

23. A.c. 752636 СССР, МКИ Е02К 13/14. Устройство для анализа коммутации коллекторных электрических машин постоянного тока / В.Д, Авилов, В.Я. Безбородое, М.Ф. Карасев к др. // Открытия. Изобретения. - 1980. - № 26. - С.299.

24. A.c. 752637 СССР, МКИ Н02К 13/14. Устройство для анализа коммутации коллекторных электрических машин постоянного тока / В.Д, Авилов, Ю.Я. Безбородов, В.И. Тимошина // Открытия. Изобретения. - 1980. № 28. - С.299.

25. A.c. 879522 СССР, МКИ GOIi? 33/12. Способ определения кривой магнитного поля электрических машин постоянного тока и устройство для его осуществления / В.Д. Авилов, Н.Ф. Коцарев, В.И. Тимошина и др. // Открытия. Изобретения. - 1981. - № 41. - С.218.

26. A.c. 898560 СССР, МКИ Н02К 13/10. Шетка для электрических мащин / Л.В. йценко, В.Д. Авилов // Открытия. Изобретения. - 1982. - № 2. - С.248.

27. A.c. 909765 СССР, МКИ Н02К 23/40. Электрическая машина постоянного тока с несимметричной обмоткой якоря / В.«. Шкре-ба, В.Д. Авилов // Открытия. Изобретения. 1982. - J 8. - С.254.

28. A.c. 1067567 СССР, МКИ К02К 13/10. Устройство для ис-

слечопр.нир коммутации / Л.В. Юценко, В.Д. Авилов /J Открытия.

Кзобр(=те«и?. - 1984. - » 2. - С.205. lfK г

47

« п /л ¿V /?& •

Подписано к печати /с/ а у Формат 60x84 - 16. Бумага Олсратиугаи т;чгть. Усл. печ. л. 0 Уч.-и-чд. л. У<Й5". Тираж /00 экз. Заказ К»

М<чжаузоРСкяя типография ОмПИ.