ТРАНСВУЗ-2015.Часть 1

Ремонт и динамика подвижного состава

повышении частоты эдс значительно повышается, что приводит к увеличению погрешности определения сопротивления.

Определение сопротивления инжекцией постоянной составляющей тока пригодно для применения как на низких, так и на высоких частотах. Реакция двигателя на подобное воздействие отслеживаема (выделение постоянной составляющей из общего состава тока достаточно просто реализуется различными методами, например, преобразованием Фурье) и одинакова во всех режимах работы. Наиболее просто инжекцию постоянной составляющей можно осуществить при прямом подключении асинхронного двигателя к источнику напряжения, когда это происходит путем включения в одну из фаз управляемого полупроводникового ключа. При наличии тиристорного тягового преобразователя введение постоянной составляющей может быть выполнена дополнительным углом задержки включения тиристоров одной фазы. Аналогичного эффекта можно добиться и при транзисторных преобразователях с широтно-импульсным управлением за счет изменения формы и значения управляющих напряжений.

Появление постоянной составляющей тока неизбежно приводит к появлению неуправляемых колебаний момента и дополнительному шуму во время работы двигателя. Еще одна проблема этого метода – его реализация в электроприводах с векторным управлением, где задание на напряжение статора определяется настройками регуляторов замкнутых контуров тока. Постоянная составляющая рассматривается регуляторами как возмущение, которое они, в зависимости от настроек, стремятся минимизировать или полностью исключить.

Вданной работе авторы представят результаты решения двух последних проблем: оценка влияния постоянной составляющей тока на пульсации момента в системе векторного управления с подчиненными контурами тока статора и предложения по реализации инжекции в системе векторного управления.

Вобщем случае, при питании тягового двигателя от автономного инвертора напряжения введение постоянной составляющей целесообразно осуществлять по всем трем фазам (usa, usb, usc):

30

ТРАНСВУЗ – 2015

где Udc – величина постоянной составляющей напряжения, подаваемого на обмотку статора.

Постоянная составляющая распределяется по всем фазам в соответствии с выражением (1) и вызывает появление постоянной составляющей в составе тока. Соотношение между этими составляющими и определяет активное сопротивление обмотки статора:

где α – температурный коэффициент сопротивления, Rs,20 – сопротивление обмотки при температуре 20 Сͦ .

Выражение (2) определяет среднюю температуру обмотки статора, что, учитывая характер распределения температур по всему активному объему асинхронного двигателя [6], позволяет использовать ее для тепловой защиты и регулирования теплового состояния, а также коррекции настроек регуляторов системы векторного управления тяговым двигателем.

Оценка влияния постоянной составляющей тока статора на реализуемый тяговым двигателем электромагнитный момент выполнена для системы векторного управления с ориентацией по магнитному полю ротора [7]. Не вдаваясь в подробности математических преобразований, приведем конечное выражение для момента двигателя:

где pn – число пар полюсов обмотки статора, Lr, Lμ – собственная индуктивность рассеяния обмотки ротора и главная взаимоиндуктовность, соответственно, isd, isq – токи статора в осях dq без учета постоянной составляющей, ωk – электрическая частота вращения магнитного поля статора, Tr – электромагнитная постоянная времени обмотки ротора.

Первое слагаемое выражения (3) получено в результате применения классической системы векторного управления. Второе слагаемое – это пульсирующая составляющая, возникающая в результате взаимодействия постоянной составляющей тока статора с вращающимся магнитным полем

31

Ремонт и динамика подвижного состава

статора. Третье слагаемое обусловлено взаимодействием неподвижной составляющей магнитного поля статора и вращающимся полем ротора. Выражение (3) демонстрирует тот факт, что пульсации момента двигателя являются функцией величины постоянной составляющей тока статора и не зависят от приложенной к валу нагрузки.

Расчетная формула пульсаций момента (3) подтверждена моделированием в Matlab. Был проверен режим работы двигателя ЭД-900 на номинальной частоте вращения в диапазоне моментов сопротивления (0...200 %)Mном, где Mном – номинальный момент сопротивления. Для определения постоянной составляющей использовалось преобразование Фурье. Время определения – один период питающего напряжения. Установлено, что в результате введения постоянной составляющей на уровне 8 % от номинального тока статора амплитуда пульсаций момента составляет 17 % от номинального значения. Учитывая время определения температуры и высокую инерционность двигателя как объекта регулирования температуры, целесообразно осуществлять кратковременную (три-четыре периода питающего напряжения) инжекцию постоянного тока через достаточно длительные промежутки времени для уменьшения негативного влияния на механические и шумовые характеристики.

Для реализации системы векторного управления с рассмотренным методом определения температуры необходимо выполнить следующие условия: величина инжектируемого постоянного тока должна быть полностью управляема, введение постоянной составляющей не должно оказывать влияние не регулирование вектора полного тока статора и на работу контуров регулирования момента и потокосцепления, величина постоянной составляющей и длительность ее инжекции должны быть минимальны.

Возможность выполнения последнего условия показана выше и зависит от быстродействия и погрешности микропроцессорного устройства и датчика тока и в общем случае проблем не представляет.

Для выполнения двух первых условий необходима организация контура регулирования постоянной составляющей тока, который поддерживает заданное среднее значение Idc, полученное за период напряжения, и корректирует значение Udc, суммируемое с напряжениями фаз согласно выражению (1). Одновременно с этим среднее значение Idc за период

32

ТРАНСВУЗ – 2015

напряжение вычитается (с соответствующим знаком) из полного тока статора, подаваемого на регуляторы токов isd и isq, что исключает влияние введения постоянной составляющей на работу подчиненных контуров тока и, следовательно, всей системы векторного управления в целом.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, научный проект № 14-08-31274.

Список литературы

1.Космодамианский, А. С. Автоматическое регулирование температуры обмоток тяговых электрических машин локомотивов: монография [Текст] / А.С. Космодамианский. – М.: Маршрут, 2005. – 256 с.

2.Смирнов, В. П. Непрерывный контроль температуры предельно нагруженного оборудования электровоза [Текст] / В.П. Смирнов // дисс… докт. техн. наук. – Иркутск, 2005. – 355 с.

3.Boglietti, A. Evolution and modern approaches for thermal analysis of electrical machines [Текст] / A. Boglietti [et al.] // IEEE Trans. Ind. Electron. 2009. – vol. 56, no. 3, pp. 871 – 882.

4.Пугачев, А. А. Идентификация сопротивления и температуры обмотки ротора асинхронного двигателя [Текст] / А. А. Пугачев // Автоматизированный электропривод и промышленная электроника: Труды Шестой Всероссийской научно-практической конференции. – Новокузнецк: изд-во СибГИУ, 2014. – С. 192 – 198.

5.Zhang, Р. Active stator winding thermal protection for AC motors [Текст] / P. Zhang B. Lu T.G. Habetler // 2009 IEEE IAS pulp & paper industry conference in Birmingham, – p. 11 – 19.

6.Пугачев, А. А. Результаты экспериментальных исследований

7.Пугачев, А. А. Система управления тяговым асинхронным двигателем

сминимизацией мощности потерь [Текст] / А. А. Пугачев, В. И. Воробьев, А. С. Космодамианский // Вестник Брянского государственного технического университета. 2015. – № 2 (46). – С. 55 − 61.

33

Ремонт и динамика подвижного состава

УДК 621.313

С. В. Петроченко, А. А. Федоров

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА РЕМОНТА КОЛЛЕКТОРНО-ЩЕТОЧНОГО УЗЛА

МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

Встатье указаны недостатки существующей технологии ремонта коллекторов машин постоянного тока, на основании представленных недостатков предложены инновационные технологии повышения качества ремонта коллекторно-щеточного узла машин постоянного тока.

Всуществующей технологии ремонта машин постоянного тока (МПТ),

для достижения шероховатости коллектора Ra = 0,63 мкм применяется обтачивание токарным резцом с режущей частью из ВК8 и шлифование абразивными полотнами Р320; Р400 или брусками марки Р16, Р17Б [1].

В настоящее время обточка рабочей поверхности коллектора на установленных режимах резания инструментом из ВК8, с необоснованными значениями геометрических параметров режущей части инструмента, приводит к образованию заусенцев на кромках коллекторных пластин, снижающих коммутацию МПТ. Операция, связанная с зачисткой заусенцев, является весьма трудоемкой и реализуется исключительно вручную.

Наряду с обточкой процесс шлифования имеет ряд существенных недостатков, снижающих качество изготовления и ремонта МПТ, таких как:

–зерна абразивного инструмента шаржируют материал поверхностного слоя коллектора, что приводит к повышению интенсивности механического и электроэрозионного изнашивания коллектора и щеток [1];

–шлифование абразивным полотном приводит к возникновению завалов на краях пластин глубиной до 0,2 – 0,5 мм, уменьшающих площадь контакта коллектор-щетка и, как следствие − ухудшение коммутации МПТ;

–шлифовальные полотна и полировальные бруски быстро «засаливаются». Также достаточно остро стоит вопрос о приработки щеток на рабочей

поверхности коллектора с целью получения заданного профиля щетки,

34

ТРАНСВУЗ – 2015

соответствующего профилю коллектора, определенной шероховатости поверхности, соответствующей паре щетка-коллектор. Процесс приработки («притирки») щеток – операция трудоемкая и малопроизводительная, особенно для МПТ большой мощности ввиду того, что размеры и количество щеток, установленных на них соразмерны с мощностью МПТ. Так для того, чтобы притереть весь комплект щеток из 16 штук для тягового электродвигателя ТЛ2К1 требуется порядка 60 – 120 мин.

С учетом всех перечисленных недостатков на основании результатов, ранее проведенных исследований, авторами статьи предлагается:

– ввести предварительную упрочняющую обработку рабочей поверхности коллектора методом обкатки роликом с целью исключения возникновения заусенцев на кромках коллекторных пластин;

– обточку рабочей поверхности коллектора проводить режущим инструментом из синтетического алмаза марки АС2;

–проводить окончательную обработку рабочей поверхности коллектора методом ударно-акустической обработки (УАО) с внедрением графита с целью достижения шероховатости поверхности Ra ≤ 0,25 мкм, повышения износостойкости коллектора, создания окисной пленки до начала эксплуатации МПТ;

–ввести в технологию ремонта электроэрозионную проволочновырезную обработку комплекта щеток с целью получения готового профиля щеток, соответствующего профилю рабочей поверхности коллектора.

Для реализации технологии обработки рабочей поверхности коллектора необходимы следующие исходные данные:

–размеры обрабатываемой поверхности (диаметр, длина, мм);

–исходная твердость рабочей поверхности коллектора (HV, МПа);

–предел текучести обрабатываемого материала (σт, МПа);

–максимальная шероховатость рабочей поверхности коллектора после окончательной механической обработки (Ra, мкм);

–коэффициенты перекрытия Kпs и Kпn для проведения окончательной обработки методом УАО.

35

Ремонт и динамика подвижного состава

Для достижения твердости HV = 95 – 100 МПа ∙ 10-1 перед обточкой согласно работе [2] определены следующие режимы для обкатки коллектора роликом:

–сила прижатия ролика к коллектору P = 200 Н;

–подача накатника s = 0,09 – 0,12 мм/об;

–скорость накатки V = 26 – 30 м/мин;

Радиус кривизны поверхности качения ролика R = 6,25 мм. Рекомендуемый режим обточки коллектора алмазным инструментом [3]:

–скорость резания V = 350 – 400 м/мин;

–передний угол инструмента γ = 0 – 20°;

–величина подачи s = 0,08 – 0,09 мм/об;

–глубина резания t = 0,25 мм.

Рекомендуемый режим для проведения УАО коллектора [3]:

–статическая сила прижатия ультразвукового инструмента к коллектору

P = 17 – 20 Н;

–подача инструмента s = 0,06 – 0,07 мм/об;

–скорость обработки V = 9 – 10 м/мин.

Рекомендуемый режим электроэрозионной проволочно-вырезной обработку для комплекта из 16 щеток:

–количество проходов – 2;

–напряжение импульса Uср – 46 В (1 проход), 74 В (2 проход);

–ток импульса Iср – 2,2 А (1 проход), 0,7 А (2 проход).

Выводы: анализ существующего технологического процесса ремонта коллекторов МПТ выявил существенные недостатки, присущие существующей технологии ремонта. В связи с этим была предложены инновационные технологии повышения качества ремонта коллекторно-щеточного узла машин постоянного тока. Применение данных технологий позволило повысить коммутационную устойчивость МПТ 2ПН100 на 18 – 20 % за счет снижения размера заусенца, возникающего на кромке коллекторной пластины, при обточке коллектора; поверхностного упрочнения и образования защитной оксидной пленки на рабочей поверхности коллектора, реализованных методом УАО с внедрением графита, а также в 1,5 – 2 раза сократить время притирки щеток к коллектору.

36

ТРАНСВУЗ – 2015

Список литературы

1.Красковская, С. Н. Текущий ремонт и техническое обслуживание электровозов постоянного тока [Текст] / С. Н. Красковская, Э. Э. Ридель, Р. Г. Черепашенец. − М.: Транспорт, 1989. − 408 с.

2.Солдаткин, А. В. Влияние поверхностной пластической обработки на медные пластины коллекторов тяговых электродвигателей локомотивов при их ремонте [Текст] / А. В. Солдаткин // Труды второй междунар. отраслевой научно-технической конф. «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении», ноябрь 2000 г: / Ростовский гос. университет путей сообщения. – Ростов-на-Дону, 2000. – С 73 − 75.

3.Петроченко, С. В. Технология повышения качества рабочей поверхности коллекторов машин постоянного тока при ее механической обработке [Текст] / С. В. Петроченко, А. А. Федоров // Омский научный вестник. Серия «Приборы, машины и технологии». – № 1 (127). 2014. – С. 113 – 117.

УДК 621.313

М. Ф. Байсадыков

ИЗНОС ЩЕТОК МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

В данной статье рассматриваются вопросы износа щеток электрических машин во время возникновения нестационарных воздействий на контакте щетка-коллектор. Приведены анализы воздействия механических и электрических факторов для интенсивности износа щеток.

Одним из наиболее уязвимых узлов машин постоянного тока является коллекторно-щеточный узел, а именно электрический контакт щеткаколлектор. В процессе своей работе щетки постоянно подвержены воздействию механической и электрической нагрузок, в результате чего щетки постоянному изнашиваются. При этом стоит отметить, что износ щеток не будет обусловлен только лишь воздействием механических или электрических факторов. На него

37

Ремонт и динамика подвижного состава

влияют множество различных факторов, включая температуру, свойства материала, частоту вращения двигателя, силу нажатия на щетку, условия окружающей среды.

Механический износ щеток пропорционален величине нажатия пружины на щетку и частотой вращения двигателя, в то время как электрический износ щеток связан с величиной протекающего тока, падением напряжения в контакте и наличием искрения.

Главная цель исследования состояла в том, чтобы исследовать износ графитовых щеток в электродвигателе постоянного тока при изменении параметров работы двигателя. В ходе эксперимента изменялись условия работы щетки: с искрением и без искрения, при пониженной и повышенной плотности протекающего тока, изменяя усилие пружины в щеткодержателе и скорость движения, и вследствие изменения эти параметров изменялись и другие факторы – электрическое сопротивление контакта, падение напряжения, повышение температуры щетки, и многие другие.

Для проведения экспериментальных исследований была разработана экспериментальная установка, электрическая схема которой показана на рис. 1. Экспериментальная установка состоит из двух машин постоянного тока П31М, включенных по схеме взаимной нагрузки: машины постоянного тока соединены между собой механически и электрически и подключены к источнику питания. Одна из машин работает в режиме генератора, отдавая вырабатываемую электрическую энергию испытуемой машине, работающей в режиме двигателя и расходующей механическую энергию на вращение генератора.

В качестве метода для определения износа был применен метод гранулометрического анализа пылевидных продуктов износа щеток [1]. Данный метод был выбран ввиду того что он позволяет сократить время для проведения экспериментов, за счет измерения в нем не текущей высоты щетки, а интенсивности ее износа. Это позволяет снизить время для изучения с десятков часов для каждого режима работы машины до десятков минут.

Для определения интенсивности был проведен полный факторный эксперимент с центральным композиционным планом, построенный согласно теории планирования эксперимента [2]. Факторный эксперимент проводился согласно методике ротатабельного униформ-планирования эксперимента типа

38

ТРАНСВУЗ – 2015

2k при количестве факторов k = 4. Проведение эксперимента включало в себя проведение 31 опыта, включая «звездные» точки и «нулевые».

Рис. 1. Электрическая схема экспериментальной установки

В качестве управляемых воздействий на условия работы контакта щеткаколлектор были приняты для использования: ток якоря, уровень искрения, частота вращения двигателя и величина нажатия щеток. Уровни и интервалы варьирования факторов приведены в табл. 1.

Факторы варьировались независимо друг от друга. Уровень искрения регулировался изменением величины тока подпитки и отпитки. Частота вращения регулировалась, изменяя ток возбуждения. Давление на щетку увеличивалось и уменьшалось путем замены пружины. Ток якоря варьировался изменением нагрузки.

39