автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Влияние местной электрической асимметрии и асиммерии скользящего контакта на рабочие свойства машины постоянного тока

Введение.

1. Обзор существующих работ.

IЛ .Классификация различных видов асимметрии.

1.2.Магнитная асимметрия.

1.3.Электрическая асимметрия обмотки якоря.

1.4.Местная электрическая асимметрия.

1.5.Асимметрия скользящего контакта.

1.6.Постановка задачи исследования.

2. Разработка методики теоретического исследования работы машины постоянного тока при наличии местной электрической асимметрии якорной обмотки и асимметрии скользя щего контакта.

2.1.Постановка задачи.

2.2.Варьируемые параметры продольно-поперечной схемы замещения.

2.3.Математическая модель, описывающая явления в обмотке якоря при местной электрической асимметрии.

2.3.1.Расчет растекания токов в элементах обмотки якоря при изменении дополнительного сопротивления одной из секций.

2.3.2.Влияние числа уравнительных соединений на растекание токов.

2.3.3.Влияние сопротивления уравнительных соединений на растекание токов.•••••.

2.4.Исследование влияния скользящего контакта на растекание токов в элементах обмотки якоря.

2.5.Особенности расчета растекания токов при учете числа параллельных ветвей обмотки якоря.

2.5.1.Сравнение расчетных и экспериментальных данных растекания токов для машины П 101.

2.6.Выводы.

3. хМестная электрическая асимметрия и асимметрия скользящего контакта.

3.1.Возможные случаи местной электрической асимметрии.

3.2.Местная асимметрия, обусловленная нарушением контакта петушок-коллектор.

3.3.Местная асимметрия, обусловленная распайкой секции.

3.4.Возможные случаи асимметрии скользящего контакта.

3.5.Явление селективности.

3.6.Возможное влияние селективности растекания токов на работу машины.

3.7.Выбор числа уравнительных соединений для снижения влияния местной электрической асимметрии и асимметрии скользящего контакта на селективность растека ния токов.

3.8. Выводы.

4. Методика проведения экспериментов по асимметрии.

4.1.Описание экспериментальной установки.

4.2.Принятый в работе метод осциллографирования тока в отдельных элементах обмотки якоря.

4.3.Влияние экранирования проводов на точность полученных экспериментальных данных.

4.4.Особенности определения области безыскровой работы.

5. Экспериментальное исследование различных видов асим метрии.

5.1.Цели и задачи исследования.

5.2.Исследование нарушения контакта петушок-коллектор.

5.3.Исследование местной асимметрии, обусловленной распайкой секции.

5.4.Исследование уравнительного тока, протекающего через однополярные щетки.

5.5.Влияние числа уравнительных соединений и асимметрии скользящего контакта на работу машины постоянного тока.

В Основных направлениях экономического и социального развития страны на I98I-I985 годы и на период до 1990 года / I / предусматривается значительное повышение качества и надежности всех видов выпускаемой продукции. Естественно,что это в первую очередь касается и электродвигателей, как основных преобразователей электрической энергии в механическую. В настоящее время более 60 процентов всей вырабатываемой электроэнергии используется электрическим приводом. Причем, приводом наиболее ответственных и уникальных машин является электропривод постоянного тока, составляя 4 - 5 процентов по мощности от всех электрических машин. Высокий уровень использования в качестве электропривода двигателей постоянного тока будет сохраняться и в будущем, Это связано с дальнейшей автоматизацией производствен ных процессов и внедрением тиристорного управления.Обмотка якоря машины постоянного тока является ее важнейшим элементом, так как при ее ближайшем участии происходит образование вращающего момента, а также преобразование механической энергии в электрическую. В процессе коммутации основным коммутирующим звеном являются секции якорной обмотки и от правильного выбора параметров этой обмотки во многом зависит коммутационная надежность машины. Кроме того, анализ статистических данных / 53 / отказов машин постоянного тока свидетельствует о том, что 65 процентов их выходит из строя из-за повре адений в обмотке якоря.Как показывает практика эксплуатации, основными повреждениями обмоток якорей являются витковые замыкания, замыкания на корпус, распайка петушков, секций в петушках, полусекций в лобовых частях, противоположных коллектору, а также преждевременный выход из строя изоляции из-за ее перегрева. Выход из строя обмотки якоря, как правило, влечет большие затраты, связанные с ремонтом и простоем машины. Ремонт обмотки якоря сложен и требует высокой квалификации обслуживающего персонала.Не менее сложным является и определение места повреждения, поскольку строгой диагностики возможных неисправностей машины по внешним признакам их проявлений не существует. Авторами Гемке Р.Г.,Тун А.Я., Шпизер Р., Грюттер Ф. в / 25, 26, 27 / приводятся причины вызывающие искрение на коллекторе машины, но теоретического объяснения происходящих в обмотке якоря явлений при том или ином повреждении не дается.Как известно, петлевые обмотки снабжаются уравнительными соединениями первого рода для борьбы с уравнительными токами, обусловленными наличием магнитной асимметрии. Принято считать, что обмотки якоря крупных машин постоянного тока должны снабжаться полным числом уравнительных соединений первого рода.Однако, в / 7, 30 / показано, что различные повреящения, имеющие место в обмотке якоря в процессе эксплуатации, обусловливают протекание дополнительных токов по контурам, образованным секциями и уравнительными соединениями. Однако разработанной методики расчета дополнительных токов не существует. Дополнительные токи в обмотке якоря создают неравномерное распределение токов по отдельным участкам параллельных ветвей, а это вблизи щеточного контакта усложняет условия коммутации машины.Таким образом, исследование влияния параметров элементов обмотки якоря,числа уравнительных соединений на величину дополнительных в них токов, обусловленных поврезвдениями, возникающими неизбежно в процессе эксплуатации машины является актуальной задачей.С учетом изложенного, в настоящей работе поставлена задача разработки диагностики различных видов повреждений, имеющих место в якорной цепи, анализа феисторов, качественно влияющих на степень ухудшения работы машины постоянного тока при наличии того или иного вида асимметрии, вьщачи соответствующих рекомендаций, имеюпщх цель наиболее рациональным образом ослабить влияние на стадии проектирования или устранить в процессе эксплуатации имеющие место повреждения, связанные с различными видами местной электрической асимметрии обмотки якоря, Диссертационная работа вьшолнена в Украинском заочном политехническом институте имени И.З. Соколова в соответствии с программой, разработанной совместно кафедрой "Электрические машины и аппараты" и п/я А-7376. Программа включала в себя теоретические и экспериментальные исследования. Результаты исследований в виде отчетов переданы на п/я А-7376, докладывались на научно-технической конференции "Актуальные прикладные проблемы электротехники и энергетики в трудах молодых ученых г.Харькова" (г.Харьков, 1982 г. ), на Республиканской научно-технической конференции "Перспективы развития электромашиностроения на Украине" (г.Харьков, 1983 г.), а также опубликованы в работах автора / 33, 43, 44, 52 /. I. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ РАБОТ 1,1. Классификация различных видов асимметрии Анализ работы машины постоянного тока (МПТ), как правило, проводится при допущении, что в ней отсзгтствует различного рода асимметрия. На практике почти всегда имеет место тот или иной вид асимметрии, который нарушает нормальную работу машины.Отсутствие четкой классификации различных видов асимметрии машины постоянного тока затрудняет анализ связанных с нею явлений. Поэтому является целесообразным классифицировать возйожную асимметрию по различным ее видам. При этом вьщелим в МПТ две цепи: магнитную (система главных полюсов) и электрическую (обмотка якоря), которые состоят из параллельных участков. В маг нитной цепи параллельные участки обусловлены полюсностью машины, а в электрической - наличием в обмотке якоря параллельных вет вей. Эти цепи можно считать симметричными, если в них все параллельные участки идентшюы, в противном случае имеет место несимметрия, влияние которой на рабочие свойства машины и подле жит рассмотрению.Предлагается следующая классификация разновидностей асимметрии машины постоянного тока. I.I.I.Магнитная асимметрия, при которой величина магнитных потоков Ф под различными полюсами неодинакова, что обусловлено различной магнитодвижущей силой (ЩС) этих полюсов или различными магнитными сопротивлениями участков их магнитопроводов. I.1.2.Электрическая асимметрия обмотки якоря,при которой в различных параллельных ветвях обмотки наводятся различные величины электродвижущей силы (ЭДС). I.1.3.Местная электрическая асимметрия,которая обусловлена ВИДЫ АСИММЕТРИИ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА МАГНИТНАЯ АСИММЕТРИЯ МЕСТНАЯ ЭЛЕКГР ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АСИММЕТРИЯ ОБМОТКИ ЯКОРЯ АСИММЕТРИ К Рис.!Л.Классификация различных видов асимметрии машин пост наличием повреждений отдельных секций или петушков обмотки якоря, а также изменением сопротивлений указанных элементов по другим причинам, что приводит к неравномерноьог растеканию токов по параллельным ветвям.1.1.4.Асимметрия скользящего контакта, которая вызвана неодинаковым сопротивлением участка щетка-коллектор или неравномерным распределением щеток по окружности коллектора.Все вышеперечисленные виды асимметрии оказывают ощутимое, как правило, отрицательное влияние на работу МПТ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В итоге проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены следующие результаты.

1. Разработана методика теоретического исследования растекания токов, обусловленных местной электрической асимметрией,по элементам якорной обмотки.

2. Для ЦВМ типа ЕС 1022 разработана программа, позволяющая определять ток в любом элементе продольно-поперечной схемы замещения при заданном сочетании ее параметров.

3. Произведен анализ влияния параметров схемы на растекание токов, При этом, под параметрами схемы понимались активные сопротивления продольных и поперечных элементов (секций и уравнительных соединений), число параллельных ветвей обмотки.

4. Осуществлен переход от идеализированной продольно-поперечной схемы замещения, представляющей бесконечную сетку в по< перечном и продольном направлениях, к реальной схеме, в которой имеется ограниченное число продольных элементов ( параллельных ветвей), а также учитывается наличие скользящего контакта.

5. Выполнен анализ влияния скользящего контакта на расте -кание токов, при этом исследовались не только изменения относительной величины сопротивлений скользящего контакта, но и случаи асимметрии этих сопротивлений. По этому вопросу сделаны соответствующие выводы.

6. Исследован случай нарушения контакта петушок-коллектор. Установлено, что это повреждение очень мало влияет на работу машины в двигательном режиме, в генераторном режиме, вследствие небаланса ЭДС, имеющем место в замкнутом контуре под сбегающим краем щетки, коммутация машины ощутимо ухудшается.

7. Проанализирован случай плохой пайки или обрыва секции.

Обнаружено, что, вопреки общепринятому мнению, значительное ухудшение коммутации имеет место только для пары коллекторных пластин, к которым подсоединена поврежденная секция. Подгар коллекторных пластин носит специфический характер. Все это позволило установить точную диагностику рассматриваемого явления.

8. Исследовано явление селективности растекания токов по параллельным ветвям обмотки якоря. Показано,что при работе МПТ могут иметь место два вида селективности:

- селективность, обусловленная явлением местной электри -ческой асимметрии;

- селективность, обусловленная асимметрией скользящего контакта.

9. Выявлены факторы, ухудшающие работу МПТ при наличии селективности растекания токов, приведена формула для определения допустимых пределов селективности.

10. При исследовании всех вышеперечисленных вопросов выявлено отрицательное влияние уравнительных соединений,количество которых вследствие этого желательно уменьшить.Дана формула для расчета минимально допустимого числа уравнительных соединений.

11. Проведены обширные экспериментальные исследования, в целом подтвердившие все сделанные выводы.

12. В процессе проведения экспериментальных исследований выяснилось, что, при использовании манганиновых шунтов для отведения токов от элементов обмотки якоря, имеют место весьма ощутимые наводки ЭДС в измерительном контуре. Для исключения наводок измерительный контур необходимо тщательно экранировать.

13. Все вышеизложенные результаты исследований включены в виде рекомендаций в отчеты, переданные п/я А-7376, производственному объединению "Электровозостроитель" и заводу "Электромашина" .

14. В результате данных рекомендаций получен экономический эффект в сумме 102 тыс.рублей.

173

1. ОСНОВНЫЕ направления экономического и социального развития СССР на 1.8I-I985 годы и на период до 1990 года. - В кн.: Материалы ХХУ1 съезда КПСС. М., Политиздат, 1981, с.97.

2. K0CTEHK0 М.П., ПИОТРОВСКИЙ Л.М. Электрические машины. Л.: Энергия, 1973, ч.1, 544 с.

3. АРШЛЬД Е., ЛА-КУР И. Машины постоянного тока. Теория и исследование. М.: Госэнергоиздат, 1931. - 496 с.

4. ЛУЛОФС В. Реакция токов, протекающих в обмотках якоря машин постоянного тока. The EfccbticLan,, 1912.

5. ДРЕЙФУС Л. Коммутация больших машин постоянного тока,- Берлин : Изд.Ширингера, 1929.6. fudms G. к. rwur aspect of commutatm. A5EA-lowmol VastncLs, 1Ш №

6. ТОЛКУНОВ В.П. Исследование обмоток якоря машин постоянного тока с целью повышения качества их работы. Автореферат дис. на соиск.уч.степени доктора технических наук. Харьков, 1968 (ХПИ).

7. ТОЛКУНОВ В.П. и др. Одностороннее магнитное притяжение в прокатных машинах постоянного тока большой и предельной мощности. Электротехника, 1977, $7, с.П-13.

8. АЛЬТШУЛЕР И.Б.,КАЛИНИЧЕНКО С.П.,ПЕРЕГУРОВ И.Н.,ТОЛКУНОВ В.П, ЧЕРНЯВСКАЯ Г.В.Уравнительные токи в крупных прокатных машинах постоянного тока при магнитной асимметрии. Электротехника, 1976, W 6, с.12-15.

9. Ю.СЕКВЕНЦ Г. Условия симметрии обмотки якоря машины постоянного тока. ETZ , 1928, № 33 и W 45.1..РИХТЕР Р. Обмотки якорей машин переменного и постоянного тока. Пер. с нем., ОКГИ, Энергоиздат, 1933, 264 с.

10. ДОДОЕВ Д.С. Теоретическое и экспериментальное исследование коммутационных параметров петлевых и ля1тшечьих обмоток якоря машин постоянного тока. Автореф. дис. на соиск. уч. степени кандидата технических наук. Харьков, 1966 (ХПИ).

11. КАСЬЯНОВ В.Т. Машины постоянного тока предельной и большой мощности, особенности их расчета. Вестник электропромышленности, 1939, № 5, с.II-16.

12. РАБИНОВИЧ И.Н. О допустимой асимметрии двухходовой петлевой обмотки машины постоянного тока. В кн.: Электросила, Сборник, 1957, № 15, с.47-50.

13. ЛЕМБЕРГ А.Я. Точный метод расчета величины небалансной ЭДС двухходовых петлевых обмоток машин постоянного тока. Вестник электропромышленности, 1963, с.69-71.

14. ИПАТОВ П.М.Многоходовые обмотки якорей электрических машин постоянного тока. М.-Л.: Наука, 1965. - 62 с.

15. ГРИГОРЬЕВ В.И. Особенности условий коммутации машин постоянного тока со сложными обмотками якорей.- Изв. вузов.Электромеханика, 1962, № 9, с.1083-1088.

16. ИПАТОВ П.М. Асимметрия петлевых двухходовых однократнозам-кнутых обмоток якорей машин постоянного тока. Вестник Электропромышленности, 1969, № 3, с.54-57.

17. ИПАТОВ П.М. Асимметрия трехходовой петлевой обмотки якоря машины постоянного тока. Вестник электропромышленности, 1959, № 12, с.31-35.

18. ФЕТИСОВ В.В. 0 напряжении между смежными коллекторными пластинами в машине постоянного тока с двухходовыми петлевыми обмотками. Изв.вузов электромеханика, I960, № б,с.48-65.

19. ФЕТИСОВ В.В. 0 напряжении между смежными коллекторными пластинами в машинах постоянного тока с трехходовыми обмотка -ми. Изв.вузов. Электромеханика, I960, № 9, с.118-137.

20. ЛЕМБЕРГ А.Я. Метод подавления пульсаций в кривой межламель-ных ЭДС. Электротехника, 1965, № 6, с.54-56.

21. ТОЛКУНОВ В.П.,РАДЗИШЕВСКИЙ Ю.А.ШЕВЧЕНКО В.В., КИРЕЕВА Ж.А. Особенности коммутации многоходовых несимметричных обмоток якоря машин постоянного тока. Электромеханика, 1982, № 4, с.428-434.

22. ТОЛКУНОВ В.П.,ШЕВЧЕНКО В.В. Влияние высших гармонических в кривой тока двухходовых несимметричных обмоток якоря машин постоянного тока на коммутацию.- Электротехника, 1982,№ II, с.38-40.

23. ГЕМКЕ Р.Г. Неисправности электрических машин.- Л.: Энергия, 1975. 296 с.

24. ТУН А.Я. Наладка электрических машин электроприводов. М.: Энергия, 1970. - 192 с.

25. ШПИЗЕР Р.,ГШГТЕР Ф. Неисправности электрических машин, аппаратов и способы их устранения. Пер. с нем., Судостроение, 1964, 372 с.

26. ТОЛКУШВ В.П. Теория и практика коммутации машин постоянного тока, М.: Энергия, 1979. - 224 с.

27. ЛЮБАРЕВ Е.А. Наладка электродвигателей постоянного тока.-М.: Энергия, 1970. 80 с.

28. ШЕВЧЕНКО В.В. О пределе мощности машин постоянного тока и способах его увеличения. Автореф. дисс. на соиск.уч.степени кандидата технических наук. Ленинград, 1981 (ЛПИ).

29. КЛЕЙМЕНОВ В.В. Расчет само- и взаимоиндуктивностей секций обмотки якоря машин постоянного тока. Электромеханика, 1964, № 2, с.47-51.

30. ЭЛКСНИС В.Я., ВОЛЧУКОВ Н.П. Коэффициенты взаимной индукции уравнительных соединений в машинах постоянного тока.-Электротехника, 1983, № 5, с.6-8.

31. ТОЛКУНОВ В.П.ШЕВЧЕНКО В.В.,СВИЛО Э.В.Анализ рабочих свойств якорных обмоток методом продольно-поперечной схемы замещения. Электромеханика, 1981, № 5, с.532-537.

32. ИВАНОВ А.А. Справочник по электротехнике. Харьков :Выща школа, 1973. - 224 с.

33. БЕССОЮВ JI.A. Теоретические основы электротехники. М. высшая школа, 1962. - 792 с.

34. КОРН Г., КОРН Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1973. - 832 с.

35. КАЛАНГАРОВ ПЛ.,НЕЙМАН Л.Р. Теоретические основы электротехники. Л.-М.: Госэнергоиздат, 1951, 464 с.

36. СИГОРСКИЙ В.Л. Математический аппарат инженера. Техника, 1977, 768 с.

37. ЗИМИН В.И. и др. Обмотки электрических машин. Л.: Энергия, 1970. - 472 с.

38. ТОЛКУНОВ В.П., АЛЬТШУЛЕР И.Б., КАЦ Е.С. Коммутационные свойства якорной обмотки с расщепленными по высоте секциями. -Электромеханика, 1967, $ 9, с.947-980.

39. ЛИВШИЦ П.С. Справочник по щеткам электрических машин. М.: Энергоиздат, 1983, - 216 с.

40. Ючгуш, L 3)и 51умпгшгпАшгд тлмег &1шкбЬи>тг табсАшп ffkwui d&t !M>ininuumunp^iorurigen.-flcta Poiyiectiruoa, Stockholm, 1Щ 176 S.

41. ТОЛКУНОВ В.П., СВИЛО Э.В., ОДНОРОБ В.М. Влияние нарушения контакта петушок-коллектор на работу машины постоянного то -ка. Электротехника, 1984, № I, с.61-63.

42. ТОЛКУЮВ В.П.,СВИЛО Э.В., ОДЮРОБ В.М. Отличительные особенности работы машины постоянного тока при нарушении электрического контакта в обмотке якоря. Электротехника, 1984,№5, с.7-9.

43. ЖЕРВЕ Г.К. Промышленные испытания электрических машин.- Л.: Энергия, 1968. 576 с.

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

45. ШЕНФЕР К.Ю. Динамомашины и двигатели постоянного тока.- М., ОНГЮ чЛ, 1937, 435 с.

46. ВЕГНЕР О.Г. Теория и практика коммутации машин постоянного тока. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961. - 272 с.

47. ИНОГОРОДСКИЙ А.В. Экспериментальное исследование токов ком -Актируемых секций машин постоянного тока. Вестник Харьковского политехнического института. Вопросы электротехники, 1976, $ 116, вып.1, с.17-21.

48. ТОЛКУНОВ В.П., РАДЗИШЕВСКИЙ Ю.А., СВИЛО Э.В., ОДШРОБ В.М. Определение границ прохождения коммутационного процесса в машинах постоянного тока. Электротехническая промышленность. Сер. Электрические машины, 1983, вып.II (153), с.7-8.

49. ЕРМОЛИН Н.П., ЖЕРИХИН И.П. Надежность электрических машин. -Л.: Энергия, 1976. 248 с.