Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ проблематики коммутации машин постоянного тока 10
1.1. Область применения и технические требования, предъявляемые к машинам постоянного тока
1.2. Современные методы аналитического исследования коммутации 12
1.3. Способы повышения коммутационных качеств машин постоянного тока 17
1.4. Выводы и постановка задачи 21
Глава II. Математическое моделирование электродинамических процессов в коммутационной зоне 23
2.1. Математическая модель формирования реактивной ЭДС -
2.1.1. Аналитические основы и принятые допущения -
2.1.2. Расчет пазовой составляющей реактивной ЭДС 30
2.1.3. Расчет зубцовой составляющей реактивной ЭДС 33
2.1.4. Расчет лобовой составляющей реактивной ЭДС 35
2.2. Формирование результирующей реактивной ЭДС при тангенциаль ном расположении в пазах проводников якорной обмотки 40
2.3. Формирование результирующей реактивной ЭДС при радиальном расположении в пазах проводников якорной обмотки 44
2.4. Аналитическое исследование демпфирующего эффекта коммутационных вихревых токов 48
2.5. Расчет распределения потерь в якорной обмотке по высоте паза с учетом коммутационных вихревых токов 56
Выводы 59
Глава III. Алгоритмизация компьютерного управления коммута ционными процессами 60
3.1. Расчет картины магнитного поля коммутирующего полюса
3.1.1. Принятые допущения и выбор метода
3.1.2. Поле симметричного коммутирующего полюса 61
3.1.3. Поле коммутирующего полюса с односторонним скосом в тан генциальном направлении 64
3.2. Алгоритм формирования коммутирующего поля 66
3.2.1. Аппроксимация коммутирующего поля, адекватного сумме реактивного и основного полей -
3.2.2. Математическая реализация алгоритма 70
3.3. Численный пример компьютерного моделирования коммутационных процессов на основе предлагаемого алгоритма
3.4. Выбор рациональной геометрии наконечника коммутирующего полюса 81
Выводы 87
Глава IV. Экспериментальное исследование микропроцессорной системы управления коммутацией двигателя постоянного тока 89
4.1. Функциональная схема экспериментальной установки -
4.2. Средства контроля качества коммутации 91
4.3. Описание работы системы 92
4.4. Анализ работы микропроцессорной системы управления возбуждением коммутирующих полюсов 96
Выводы 100
Заключение 102
Библиографический список 103
- Современные методы аналитического исследования коммутации
- Формирование результирующей реактивной ЭДС при тангенциаль ном расположении в пазах проводников якорной обмотки
- Алгоритм формирования коммутирующего поля
- Средства контроля качества коммутации
Введение к работе
Актуальность темы. Коммутационная проблема сохраняется со дня изобретения щеточно-коллекторного узла до настоящего времени, о чем свидетельствуют рассмотренные в диссертации 11 отечественных монографий [1-11]. Первые десять монографий были опубликованы в течение полувека, но рассматриваемые в них подходы к расчету и анализу коммутационных процессов не претерпевали принципиальных изменений.
Основные принципы к управлению коммутацией были предложены ранее в работах И. Б. Битюцкого [11]. Предлагаемая работа является развитием этого подхода и содержит ряд дополнений и уточнений, а также некоторые результаты экспериментальной проверки.
Качество коммутации коллекторных машин постоянного тока является одним из основных факторов, определяющим допустимые режимы работы машины, ее эксплуатационную надежность, предельную мощность в одноякорном исполнении, диапазон регулирования и ряд других характеристик. В то же время именно щеточно-коллекторный узел, несмотря на известные недостатки скользящего контакта, является весьма совершенным механическим преобразователем частоты и обеспечивает высокие регулировочные свойства генераторов и двигателей постоянного тока.
Коммутационную напряженность машин постоянного тока принято характеризовать допустимым межламельным напряжением и величиной реактивной ЭДС. Ограничения, связанные с первым фактором преодолеваются применением двух- и даже трехходовых якорных обмоток [12]. При рассмотрении второго фактора озабоченность вызывает не столько величина этой ЭДС, сколько неопределенность ее методов расчета. Существующие подходы к расчету коммутации, основанные на методах теории цепей с сосредоточенными параметрами, дают либо средние значения результирующей реактивной ЭДС, либо физически нереальные ступенчатые изменения реактивного поля во времени. При таких исходных данных нельзя гарантировать правильность выбора коммутирующего поля и сорта щёток для удовлетворительной настройки коммутационного тракта, и после расчета машины требуется ее длительная наладка на испытательном стенде, не всегда приводящая к приемлемым результатам.
Бурное развитие ЭВМ не внесло в теорию и практику коммутации никаких принципиальных изменений, так как в компьютерные программы закладывались математические модели, не обеспечивающие удовлетворительной точности. В результате, математическое описание коммутационных процессов сильно отстает от современного уровня развития программного обеспечения ЭВМ.
Применение дополнительных (Г.Н. Петров) или добавочных (М.П. Костенко, Л. М. Пиотровский) полюсов по-прежнему является важнейшим способом улучшения коммутационных способностей крупных машин постоянного тока. Мы будем называть эти полюсы коммутирующими в полном соответствии с их назначением, как это принято в зарубежной литературе {commutating poles — англ., wendepolen — нем.).
В настоящее время традиционная система последовательного включения коммутирующих полюсов в цепь якоря, реагирующая лишь на произведение скорости вращения и тока якоря, свои возможности исчерпала. Важнейшие факторы (влияние поля главных полюсов, действие коммутационных вихревых токов, нелинейность магнитной цепи коммутирующих полюсов, трансформаторная ЭДС, связанная с изменением основного поля), возникающие при эксплуатации машин постоянного тока, давно побуждали к автоматическому регулированию потока коммутирующих полюсов для улучшения коммутации в рабочем диапазоне нагрузок. Однако, коммутирующий поток - величина интегральная. Поэтому оптимизация его уровня привязана лишь к средним значениям факторов, определяющих качество коммутации. В то же время небалансная ЭДС коммутируемых секций крупных машин даже в номинальных режимах достигает таких величин, что искрение становится неизбежным (иногда даже в режиме холостого хода [13]). В результате, накопилось большое количество схемных решений, стремящихся улучшить коммутационные способности машины, но, тем не менее, в них никак не отразилось стремительное развитие микропроцессорных систем управления [14-18].
Таким образом, принципиальное решение задачи удовлетворительной коммутации следует искать на пути минимизации небалансной ЭДС, управляя распределением коммутирующего поля по ширине коммутационной зоны, которая в крупных машинах составляет 5-7 см.
Тематика работы соответствует разделам «Компьютерное моделирование» и «Мехатронные технологии» Перечня критических технологий РФ (Приказ министерства промышленности, науки и техники РФ №578 от 30 марта 2002 года) и научному направлению Липецкого государственного технического университета «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы».
Объектом исследования является совокупность устройств, управляющих электродинамическими процессами в коммутационной зоне коллекторных машин постоянного тока.
Целью работы является синтез коммутирующей системы на стадии проектирования крупных машин постоянного тока, обеспечивающий оптимально ускоренный закон изменения тока в короткозамкнутых секциях, при котором облегчается работа щеточно-коллекторного узла.
Это достигается применением усовершенствованных математических моделей в компьютерном проектировании коммутации, использованием новых решений формирования очертаний коммутирующих полюсов, разработкой новых эффективных алгоритмов управления и реализацией этих алгоритмов на основе микроконтроллеров.
В ходе решения поставленных задач были применены следующие методы исследования: методы теории электрических машин; методы теории математической физики (теория электромагнитного поля, гармонический анализ и синтез, регрессионный анализ, конформные преобразования); методы теории автоматического управления; эксперименты на физической модели - для подтверждения достоверности моделей компьютерных и эффективности разработанных алгоритмов управления.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем: усовершенствованы математические модели синтеза и расчета распределения реактивного поля по ширине коммутационной зоны на основе теории электромагнитного поля и гармонического анализа с целью достижения заданного результата;
осуществлена алгоритмизация управления принципиально новой коммутирующей системой путем минимизации небалансной ЭДС методами гармонического анализа и наименьших квадратов, что позволяет ограничивать величину небалансной ЭДС короткозамкнутых секций до приемлемого уровня во всем диапазоне эксплуатационных режимов;
усовершенствована компьютерная реализация комплекса инструментальных средств оценки коммутационных качеств машин постоянного тока на этапе их проектирования;
разработана новая методика поиска рациональной геометрии наконечников коммутирующих полюсов для более эффективной компенсации суммы реактивного и основного полей по ширине коммутационной зоны;
на физической модели системы возбуждения несимметричных коммутирующих полюсов с микропроцессорным управлением впервые экспериментально доказаны преимущества новых подходов к управлению коммутационными процессами.
Перечисленные результаты исследований выносятся на защиту. Практическая значимость работы заключается в следующем
разработаны программы для ЭВМ TCoRV2002 ®, RCoRV2002 ®, позволяющие рассчитывать результирующую реактивную ЭДС на этапе проектирования машины постоянного тока для тангенциального и радиального расположения проводников обмотки в пазу якоря. В этих программах предусмотрен расчет мощности потерь в якорной обмотке с учетом коммутационных вихревых токов, на основании которого при проектировании активного слоя якоря машины можно принять решение о целесообразности расслоения проводников паза по высоте.
Создана программа для ЭВМ САЕ 2003 ®, позволяющая проводить на этапе проектирования машин постоянного тока анализ их коммутационных качеств во всем диапазоне эксплуатационных режимов;
• впервые реализован вариант управления автоматической системы независимого возбуждения несимметричных коммутирующих полюсов на базе микропроцессора, который может быть усовершенствован в реальных объектах учетом ряда факторов, определяющих качество коммутации.
Реализация и внедрение результатов работы. Разработанное программное обеспечение внедрено:
в учебный процесс кафедры «Электропривода» Липецкого государственного технического университета при курсовом и дипломном проектировании студентами специальности 180400 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов»;
в учебный процесс кафедры «Электрические машины» Санкт-Петербургского политехнического университета при курсовом и дипломном проектировании студентами специальности 180100 «Электромеханика»;
Результаты внедрения подтверждаются соответствующими актами. Апробация работы. Основные положения научной работы были доложены и обсуждены: на 9-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Москва, МЭИ, 4-5 марта 2003 г.
На 4-й международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование 2003», г. Санкт-Петербург, СПбГТУ, 24-28 июня 2003 г.
На 8-й всероссийской научно-технической конференции «Современные тенденции в развитии и конструировании коллекторных и других электромеханических преобразователей энергии», г. Омск, ОмГУПС, 28-31 октября 2003 г.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 10 печатных работах: в пяти научных статьях и в тезисах докладов на двух научных конференциях; на три компьютерные программы, предназначенные для оценки коммутационных способностей машин постоянного тока на этапе их проектирования, получены свидетельства о регистрации программ для ЭВМ (РОСПАТЕНТ).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, библиографического списка из 88 наименований и трех приложений. Общий объем работы составляет 139 страниц. Основная часть диссертации изложена на 102 страницах компьютерного текста. Работа содержит 103 рисунка и 4 таблицы.
Современные методы аналитического исследования коммутации
Анализ доступной литературы, посвященной проблемам коммутации, показывает, что к настоящему времени сформировались два параллельных пути ее расчёта, имеющие конечной целью правильный выбор коммутирующего поля и сорта щёток. Первый из них, классический, основан на определении сорта щёток. Первый из них, классический, основан на определении реактивной ЭДС er, исходящем из заданного, как правило, прямолинейного закона изменения тока в короткозамкнутых секциях, и соответствующем подборе искомой формы коммутирующего поля.
Интерес, проявляемый к численному значению ег, вызван тем обстоятельством, что при проектировании машин постоянного тока указанная величина является одним из основных факторов, определяющих их коммутационную напряженность. Принято считать, что чем больше ег, тем напряженнее в коммутационном отношении должна быть проектируемая машина. Это подтверждается в процессе многолетней практики эксплуатации машин и наладки их коммутации [8].
Несмотря на обилие методик расчета er, их результатом является либо ее среднее значение (методы К. Пихельмайера, А. Б. Иоффе), либо физически нереальное ступенчатое распределение ег по ширине коммутационной зоны (метод Р. Рихтера — М. Цорна). Сопоставляя данные методы, можно отметить, что наибольшее среднее значение дает метод К. Пихельмайера, а наименьшее среднее значение получается по методу А. Б. Иоффе. Дальнейшие попытки совершенствования математических моделей, лежащих в основе этих расчетов, шли лишь по пути учета и вариации тех или иных факторов, и, связанные с ними, усложнения систем дифференциальных уравнений.
Второй путь строится на компьютерном решении системы нелинейных дифференциальных уравнений, в которых искомыми функциями являются токи в коммутируемых секциях is, а заданными предполагаются форма коммутирующего поля и свойства скользящего контакта. В основе расчетов коммутационных процессов по второму пути лежит следующее дифференциальное уравнение [10] где L - индуктивность секции, определяемая суммой потоков рассеяния паза, по коронкам зубцов и в лобовых частях;
М - коэффициент взаимоиндукции, обусловленный одновременными процессами в магнитно-связанных соседних секциях; AMJ(J) И AU2(J) - падения напряжения на набегающем и сбегающем краях щетки, являющиеся функцией плотности тока J; isRs - падение напряжения на активном сопротивлении Rs секции; eK(t) - коммутирующая ЭДС.
При его анализе те или иные упрощения, которые касаются элементов правой части уравнения, позволяют получить конкретные аналитические решения, как это сделано в теоретических работах М. Ф. Карасева [3, 4, 6], О. Г. Вегнера [5], В. П. Толкунова [8] и др. По существу, при исследованиях влияния различных факторов на процесс коммутации производится перебор параметров, входящих в это уравнение, что стало возможным особенно после внедрения вычислительной техники - аналоговых электронных машин на первом этапе [31], а затем - цифровых [8, 10].
С применением электронных вычислительных машин (ЭВМ) математическая модель процесса коммутации совершенствовалась, вводились сложные аппроксимации нелинейных параметров, но метод исследования оставался прежним, что ограничивало как область исследования, так и ее направленность. Так, например, в [9] представлены результаты расчетов коммутационных параметров на ЭВМ, в которых фигурируют все те же ступенчатые формы реактивных ЭДС и их усредненные значения.
Поиск оптимальных решений требует одновременного использования и дальнейшего совершенствования обоих путей. Но их общим очевидным недостатком является неопределённость в выборе исходных данных, что делает спорными преимущества любого из них и исключает возможность их раздельного применения. Другой общий недостаток - допущение постоянства коэффи циентов само- и взаимоиндукции коммутируемых секций и связанное с ним математическое описание электромагнитных процессов на уровне дискретных изменений индуктивных связей. Это допущение было прогрессивным при первых попытках построения математических моделей коммутации и на стадии изучения возможностей ЭВМ. Но в настоящее время эти возможности позволяют отказаться от физически нереальной ступенчатой формы изменения во времени (по ширине коммутационной зоны) реактивного поля, создаваемого токами короткозамкнутых секций. С тех же позиций, не выдерживает критики и учёт демпфирующего действия коммутационных вихревых токов введением постоянных коэффициентов демпфирования. Недопустимо велик разброс и в оценке усредненной проводимости через коронки зубцов для расчета зубцовой составляющей реактивной ЭДС. В результате, прогноз качества коммутации на стадии проектирования ведется по средним значениям реактивной ЭДС или с некоторыми уточнениями вычислений по М. Цорну или по К. Пихельмайеру.
Таким образом, подход, основанный целиком на методах теории цепей с сосредоточенными параметрами, позволяет оценивать лишь тенденции и повысить достоверность анализа коммутации уже не может.
В 80-х годах появился ряд статей [32, 33, 34], а позже и монография [11], в которых предлагается перевод расчетов реактивной ЭДС на методы теории электромагнитного поля и гармонического анализа. Эти расчеты исходят из заданного оптимально ускоренного закона изменения тока в короткозамкнутых секциях, и соответствующего подбора искомой формы коммутирующего поля.
На рис. 1.1 показана разница между кривыми распределения реактивного поля в масштабе ЭДС для разных законов изменения тока в коммутируемых секциях, рассчитанных по новой методике, и их средними значениями. Для сравнения заметим, что в примере расчета этого двигателя [35] величина реактивной ЭДС, вычисленная по средней удельной проводимости рассеяния паза, составляет 6,91 В. Нетрудно представить, как велики отклонения реактивной
ЭДС от средних значений, например, при допустимой 2,5-кратной перегрузке по току [11].
Формирование результирующей реактивной ЭДС при тангенциаль ном расположении в пазах проводников якорной обмотки
В случае прямолинейной коммутации под влиянием вихревых токов в проводниках якорной обмотки максимум пазовой составляющей реактив ной ЭДС (рис. 2.9 - кривая 1) смещен от середины коммутационной зоны в сторону запаздывания, а ее затухание замедлено. Демпфирующий эффект имеет место и при ускоренной коммутации (рис. 2.9 - кривая 2), но решающую роль здесь играет более высокая скорость изменения суммарного тока паза.
Как видно из рис. 2.10, разность потенциалов между верхним и нижним элементарными проводниками верхней активной стороны секции достаточно велика. Поэтому необходимо дополнительное исследование возникающего при этом контурного тока. Может оказаться, что деление эффективного проводника на два элементарных без транспонирования нецелесообразно, а с транспонированием - неоправданно дорого.
Совершенно неприемлемо допущение постоянства ЭДС, индуктируемой потоками рассеяния через коронки зубцов якоря (рис. 2.11). Именно эта составляющая делает результирующий график реактивной ЭДС (рис. 2.13) пикооб-разным и более узким по сравнению с расчетной шириной коммутационной зоны. Предлагаемый расчет зубцовой ЭДС наиболее полно отражает характер электромагнитных процессов в коммутационной зоне, поскольку определяется сочетанием двух изменяющихся по мере вращения якоря факторов: магнитной проводимости для потоков рассеяния через коронки зубцов и полного коммутируемого тока паза.
Можно, и даже следует, в более детальном анализе учитывать роль смежных пазов в формировании ЭДС et. Можно оспаривать уравнения (2.10)-(2.12) и предлагать другие функции с теми же тенденциями. Но уравнение (2.13), устраняющее несоответствие общепринятых методов физическому содержанию процесса, принципиально. Оценка роли вихревых токов в лобовых частях у разных авторов различна. Можно принять в (2.14) kdv = const = 1 и пренебречь их демпфирующим эффектом, а можно использовать функцию kdv(v(o), полученную экспериментально, если этот эффект более значителен.
В любом случае гармонический анализ коммутационных процессов с учетом вихревых токов позволяет получать качественно новые результаты. Следующим шагом представляется решение обратной задачи, когда при известной форме коммутирующего поля необходимо определить токи в коммутируемых секциях [52].
На рис. 2.13 представлены графики результирующей реактивной ЭДС при параболической и при прямолинейной коммутации, как суммы пазовой, зубцовой и лобовой составляющих, полученные при использовании компьютерной программы TCoRV 2002 (Расчет реактивной ЭДС коммутации при тангенциальном расположении секций обмотки в пазах якоря) [53]. Очевидна принципиальная несимметрия распределения ег по ширине коммутационной
Рис. 2.13. Расчетные графики суммарной реактивной ЭДС: 1 - при параболической коммутации секций с разделенными по высоте верхними сторонами; 2 - то же для секций с массивными верхними и нижними сторонами; 3, 4 - для тех же случаев при прямолинейной коммутации, соответственно.
Вертикальное (тангенциальное) расположение проводников в пазу позволяет наиболее просто выполнить их соединение с коллектором, особенно в том случае, если ширина проводника соответствует ширине шлица в пластине коллектора. Однако большая высота проводников приводит к возникновению довольно значительных вихревых токов в них от поперечной составляющей главного поля в пазах и от потока рассеяния паза в процессе коммутации.
Вихревые токи, с одной стороны, увеличивают потери в обмотке, но с другой стороны, улучшают коммутацию, демпфируя поток рассеяния коротко-замкнутых секций, снижая при этом реактивную ЭДС. Поэтому для уменьшения этих добавочных потерь проводники делят по высоте на две или три части, изолируя их друг от друга. Рис. 2.13 иллюстрирует разницу амплитудных значений ег для массивных и расслоенных по высоте проводников, расположенных в пазу якоря.
Дальнейшие уточнения предлагаемой методики целесообразно проводить только в сочетании с учетом многофакторных и чрезвычайно сложных процессов в скользящем контакте [54].
Таким образом, имея достаточно точное описание распределения реактивного поля в коммутационной зоне, можно создавать коммутирующую систему для минимизации небалансной ЭДС в коммутируемых секциях [11].
С применением горизонтального (радиального) расположения проводников (рис. 2.14) якорной обмотки фирме ASEA [55] еще в 1952 году удалось повысить вращающий момент тяговых двигателей на 27% за счет снижения в якорной обмотке потерь на вихревые токи. Коэффициент заполнения паза медью при радиальном расположении проводников выше, чем при тангенциальном, поэтому в последнее время горизонтальное расположение наиболее часто применяют в двигателях электровозов [56]. проводников по высоте паза приводит к различным значениям ег [57] в них, что усложняет настройку коммутации двигателя.
Методы расчета пазовой, зубцовой и лобовой составляющих реактивной ЭДС при радиальном расположении активных сторон секций в пазах имеют ту же теоретическую основу, что и при тангенциальном исполнении обмотки якоря, отличаясь лишь очередностью вступления проводников в коммутацию (рис. 2.15).
Точность приближения по (2.7) тем выше, чем меньше высота проводника, и возрастает в случае применения пазовых демпферов, несмотря на усложнение задачи расчёта. При радиальном расположении активных сторон секций в пазу якоря могут быть получены наиболее точные результаты [58].
На рис. 2.16-2.18 представлены результаты компьютерного моделирования в программе RCoRV 2002 (Расчет реактивной ЭДС коммутации при радиальном расположении секций обмотки в пазах якоря) [59] на примере тягового электродвигателя мощностью 1000 кВт в продолжительном режиме работы [57].
При тангенциальном расположении проводников в пазу распределение ег по ширине коммутационной зоны, также носит несимметричный характер (рис. 2.18) и имеет те же тенденции, как и при тангенциальном расположении проводников, с той лишь особенностью, что оно имеет более пикообразную форму, связанную с порядком вступления проводников в коммутацию.
Алгоритм формирования коммутирующего поля
Для иллюстрации всех дальнейших построений также воспользуемся расчётным примером электродвигателя мощностью 6000 кВт. На рис. 3.7 в масштабе ЭДС показаны расчетные графики распределения индукции Вк (z) и В (z) под модифицированными по [34] коммутирующими полюсами с односторонним скосом наконечников (тонкие линии), а также их представления рядами Фурье.
Реактивная ЭДС er, индуктируется потоками рассеяния коммутируемых секций и является функцией времени. Но поскольку каждому мгновению, соответствует определённое положение секции в коммутационной зоне, можно отвлечься от трансформаторного принципа её наведения и полагать, что она индуктируется в результате вращения в эквивалентном, неизменном во времени, реактивном магнитном поле с индукцией Br(z). Эта ЭДС линейно зависит от тока якоря 1а и нелинейно - от скорости вращения Q, поскольку с ростом угловой скорости нарастает демпфирующий эффект коммутационных вихревых токов. Расчётный график er (z) в номинальном режиме (тонкая линия) и его представление рядом Фурье приведены на рис. 3.8.
Для электрических машин с высоким коэффициентом полюсного перекрытия (0,6-0,7), характеризующим отношение ширины коммутационной зоны к расстоянию по внешней окружности якоря между краями соседних разноименных главных полюсов, сказывается их влияние на коммутацию. Для учета этого влияния необходимо представить кривую распределения основного поля в коммутационной зоне аналитической функцией. Наиболее подходящей аппроксимирующей функцией, дающей необходимую точность и простоту расче та, является кубическая парабола с центром, совпадающим с осью коммутирующего полюса [8]:
На рис. 3.8 показан также расчётный график em(z), индуктируемой в номинальном режиме в коммутируемых секциях полем главных полюсов (тонкая линия) и его представление рядом Фурье. Очевидно, ет линейно зависит от Q и нелинейно от тока возбуждения ie, поскольку соответствующая индукция Bm(z) связана с током возбуждения кривой намагничивания цепи главных полюсов.
Сравнивая влияние главного поля на коммутацию для одной и той же машины, работающей поочередно в двигательном и генераторном режимах, необходимо отметить, что в двигательном режиме главные полюсы усиливают реактивное поле в начале коммутационной зоны, и уменьшают в конце Ьк, а в генераторном наоборот. Вследствие этого, генераторный режим работы для машины более благоприятен по коммутации.
Аппроксимация рядами Фурье всех функций, представленных в табличной форме, осуществляется известными численными методами [65, 66, 67]. Особенность лишь в том, что для исключения разрыва на границах коммутационной зоны область определения всех этих функций искусственно расширена за её пределы, как показано на рисунках пунктиром. Одинаковое для всех представлений число членов ряда выбирается на основе визуальной оценки сходимости. В нашем примере достаточное совпадение исходных и приближенных графиков достигается использованием постоянной составляющей и трех гармоник. Таким образом, усеченные ряды Фурье, аппроксимирующие ЭДС в коммутируемых секциях, имеют следующий вид:
Для упрощения дальнейших выкладок введем для п-го члена рядов Фурье следующие обозначения: Каждая из двух групп последовательно соединенных одноимённых коммутирующих полюсов получает питание от независимого управляемого источника. При равном возбуждении разноимённых групп результирующая кривая индукции пары коммутирующих полюсов BK(z) симметрична относительно оси коммутационной зоны, как и в традиционном исполнении. Рассогласование возбуждения разноимённых групп, характеризуемое соотношением коэффици-ентов регулирования (управляющих сигналов) Q и Q , обеспечивает необхо димую в конкретном режиме несимметрию кривой Вк (z) (рис. 3.9). Очевидно, коэффициенты Q и Q должны учитывать и насыщение магнитной цепи коммутирующих полюсов.
Текущей информацией для формирования этого алгоритма являются режим работы машины (относительные значения Iа, ів и Q), а также рассчитываемые для него относительные значения ег и ет. Режим номинальный принимается за базисный. Структурная схема предлагаемого [68] алгоритма работы регулятора формирования коммутирующего поля представлена на рис. 3.10.
В основу предлагаемого регулятора формирования коммутирующего поля заложен принцип обеспечения компенсации каждой гармоники реактивного и основного полей в коммутационной зоне соответствующей гармоникой коммутирующего поля в рабочем диапазоне нагрузок, т.е. Тогда, система уравнений для баланса постоянных составляющих и К гармоник полей в коммутационной зоне с учетом (2.8) примет следующий вид: Для того чтобы решение избыточной системы (3.9) было наилучшим в смысле принципа наименьших квадратов [67, 69, 70], необходимо и достаточно, Л/ чтобы коэффициенты Q и Q являлись решением системы двух линейных уравнений:
Средства контроля качества коммутации
Оценке условий коммутации объективными методами уделяется большое внимание многими исследователями. Для изучения условий протекания коммутационных процессов, непрерывного контроля и защиты коллекторных машин от превышения допустимого значения уровня искрения, а также для разработки систем автоматического регулирования уровня искрения при эксплуатации известны многие технические решения в этой области. Но все они имеют ограниченные возможности.
Датчики с применением фотодиодов [75] начинают работать лишь с появлением видимого искрения и требуют постоянного обслуживания, так как легко загрязняются. Измерение импульсов на сбегающем крае щетки с помощью контактного датчика [76] вносит изменения в коммутируемый контур, а также его установка и настройка требует определенного навыка и дополнительных затрат времени [10].
С позиций практики наиболее удачным является устройство, позволяющее измерять уровень радиопомех, сопровождающих процесс коммутации. Исследования коммутации с помощью измерителей уровня радиопомех велись Хольмом Р. [77], Лавриновичем Л. Л. [78], Е. А. Горбуновым [79]. В последнее же время ввиду бурного развития микропроцессорной техники, проблемы обеспечения и оценки электромагнитной совместимости машин постоянного тока с элементами систем автоматики на интегральных микросхемах выходят на первый план [80-84].
В настоящей работе качество коммутации оценивается по уровню радиопомех, сопутствующих процессам в скользящем контакте, с помощью устройства, предложенного в [85, 86], с некоторыми непринципиальными изменениями. В качестве датчика Д используется антенна 10, состоящая из двух катушек индуктивности, расположенных на общем ферритовом стержне (рис. 4.3). Конденсатор, соединенный параллельно с выходной катушкой, образуют резонансный контур, настроенный на частоту 30.. .40 кГц [5].
Датчик укрепляется в коллекторной камере непосредственно на щеточном бракете. Такое размещение антенны обеспечивает наибольший уровень полезного радиосигнала, сопутствующего коммутационным процессам, и хорошее экранирование от посторонних радиопомех. Сигнал с Д поступает на преобразователь П, в котором он проходит через операционный усилитель А1, а затем через блок выделения модуля А2, выполненный на активном двухполу-периодном детекторе средневыпрямленных напряжений. После такой обработки сигнал еще имеет незначительный уровень паразитной составляющей, обусловленной зубцовыми и коллекторными пульсациями. Поэтому он далее пропускается через компаратор A3, который эти пульсации отсекает. Таким образом, с фильтра низких частот (ФНЧ) А4 снимается сигнал с некоторым колеблющемся уровнем напряжения V, пропорциональный напряженности помехо-излучающих процессов в щеточно-коллекторном узле. Причем, результирующая переменная составляющая V обусловлена настройкой ФНЧ для достижения удовлетворительного соотношения между быстродействием и точностью фильтра.
Осциллографирование, расчет и вывод управляющих сигналов на УПТ осуществляется с помощью однокристальной микроЭВМ MSC-51 [87], имеющей блоки расширения для цифро-аналогового (ПАП) и аналого-цифрового (АЦП) преобразования сигналов. Для просмотра и документирования результатов измерений микроконтроллер имеет связь по последовательному порту с персональным компьютером IBM PC (рис. 4.4), на основе протокола RS-232 Преимущества предлагаемой коммутирующей системы рассматриваются в сравнении с наилучшим образом настроенной системой, адекватной традиционному последовательному включению в цепь якоря обмоток коммутирующих полюсов с симметричными сердечниками (рис. 4.5).
На оси абсцисс рис. 4.5 откладываются процентные отношения произвольного тока / к номинальному 1ном. Условный ток подпитки А/, как разность тока, протекающего по обмоткам коммутирующих полюсов 1КП и тока якоря /, и относительные размеры областей безыскровой работы в нашем примере необычно велики, что характерно для машин малой мощности.
