Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ вопросов, связанных с процессом токосъема в электрических вращающихся машинах 9
1.1 Особенности работы вращающихся электрических машин 9
1.1.1 Особенности токосъема в коллекторных машинах 9
1.1.2 Особенности токосъема в машинах с контактными кольцами 11
1.2 Теоретический аспект коммутационного процесса 13
1.2.1 Сущность проблемы коммутации 13
1.2.2 Основополагающие теории коммутации 15
1.3 Степень неидентичности коммутационного процесса как критерий коммутационной устойчивости работы электрической машины 21
1.4 Влияние щеточного контакта на процесс токосъема 24
1.5 Классификация и технические параметры щеток электрических машин 29
1.6 Особые условия исследования свойств вольт-амперных характеристик щеточного контакта 33
1.7 Выводы 38
2. Технология получения вольт-амперной характеристики скользящего щеточного контакта и ее аппроксимация 39
2.1 Вольт-амперные характеристики 39
2.2 Технология получения вольт-амперных характеристик щеток 44
2.2.1 Описание существующей технологии получения вольт-амперных характеристик щеток 44
2.2.2 Новая технология получения вольт-амперных характеристик щеток 45
2.2.3 Программное обеспечение 47
2.3 Аппроксимация вольт-амперных характеристик скользящего щеточного контакта 49
2.3.1 Анализ существующих способов аппроксимации вольт-амперных характеристик 49
2.3.2 Новый способ аппроксимации вольт-амперных характеристик 58
2.4 Оценка стабильности работы щеточного контакта 65
2.5 Выводы 68
3. Безыскровые зоны коммутации и их практическая настройка 69
3.1 Безыскровые зоны и зоны определенного уровня искрения 69
3.2 Обзор инструментальных методов исследования условий коммутации 71
3.3 Настройка добавочных полюсов тяговых электродвигателей 75
3.4 Практическая настройка коммутации прокатных машин 82
3.5 Новые подходы к моделированию и построению безыскровых зон...91
3.5.1 Построение расчетных безыскровых зон по методу В. В. Прусс-Жуковского 91
3.5.2 Предлагаемый алгоритм построения безыскровых зон 93
3.5.3 Экспериментальные безыскровые зоны на физической модели 99
3.6 Выводы 102
4. Особенности работы инновационного щеточного контакта 103
4.1 Исследование работы скользящего контакта с тефлоном на коллекторных машинах 105
4.2 Применение нового скользящего контакта на контактных кольцах.. 112
4.3 Анализ работы щеток на контактных кольцах синхронной машины 115
4.3.1 Износ щеток 115
4.3.2 Распределение тока по щеткам, работающим на контактных кольцах 118
4.3.3 Оценка связи между распределением тока и износом щеток 119
4.4 Расчет экономической эффективности внедрения щеток с тефлоновым покрытием 122
4.5 Выводы 124
Заключение 126
Библиографический список 127
Приложение 138
- Степень неидентичности коммутационного процесса как критерий коммутационной устойчивости работы электрической машины
- Особые условия исследования свойств вольт-амперных характеристик щеточного контакта
- Описание существующей технологии получения вольт-амперных характеристик щеток
- Построение расчетных безыскровых зон по методу В. В. Прусс-Жуковского
Введение к работе
Актуальность исследования. Электрические машины занимают основное место в общем объеме выпускаемой электротехнической промышленностью продукции. Машины со скользящим контактом широко применяются в тех областях, где требуется плавное регулирование частоты вращения в широком диапазоне и где машины эксплуатируются со значительной перегрузкой: электрифицированный транспорт, металлургия, горнодобывающая промышленность и др.
Главной проблемой, с которой приходится сталкиваться разработчикам и производителям машин постоянного тока, является проблема обеспечения коммутационной устойчивости во всех режимах работы, т. е. надежности работы коллекторно-щеточного узла. Экспериментальные и теоретические исследования коммутации машин постоянного тока ведутся уже многие десятилетия. За этот период опубликованы работы различных научных коллективов и получены важные теоретические и практические результаты. Значительный вклад в исследование коммутации внесли такие ученые как В. Д. Авилов, Р. Ф. Бекишев, О. Г. Вегнер, В. В. Ивашин, П. М. Ипатов, М. Ф. Карасев, В. Т. Касьянов, М. П. Костенко, А. С. Курбасов, В. В. Прусс-Жуковский, Б. В. Сидельников, В. Е. Скобелев, А. И. Скороспешкин, В. П. Толкунов, В. В. Фетисов, В. С. Хвостов, К. И. Шенфер, В. А. Яковенко и многие другие. И тем ни менее некоторые вопросы в области повышения коммутационной устойчивости машин постоянного тока требуют к себе дальнейшего внимания. Поэтому задача повышения коммутационной устойчивости машин постоянного тока остается актуальной по настоящее время и представляет практический и научный интерес.
Главным объектом исследования диссертационной работы являлась вольт-амперная характеристика щеточного контакта – один из активнейших элементов коммутационного процесса. Любые изменения в очертаниях или изменение параметров вольт-амперной характеристики приводят к изменениям условий токосъема как на коллекторе, так и на контактных кольцах. При проведении исследований и подготовке диссертации удалось найти некоторые решения по улучшению условий токосъема.
Цель диссертационной работы – улучшение условий токосъема в электрических машинах со щеточным контактом путем совершенствования технологии получения вольт-амперных характеристик щеточного контакта, их учета на стадии проектирования условий токосъема и применения нового материала.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
усовершенствовать методику снятия вольт-амперных характеристик щеточного контакта с использованием компьютерных технологий;
на основе анализа существующих способов аппроксимации вольт-амперных характеристик щеточного контакта разработать способ, более точно описывающий эти характеристики при повышенных плотностях тока;
разработать методику математического описания зон безыскровой работы коллекторных электрических машин на стадии проектирования с использованием предложенного способа аппроксимации вольт-амперных характеристик щеточного контакта;
провести экспериментальные исследования работы инновационного скользящего контакта (щеток с тефлоновым покрытием) на коллекторных электрических машинах и машинах с контактными кольцами;
оценить экономическую эффективность применения электрических щеток с тефлоновым покрытием.
Методы исследования. При решении поставленных задач в диссертационной работе использовались математические и экспериментальные методы исследований, основные положения электротехники и электромеханики, информационные компьютерные технологии и программные пакеты. В работе применялись методы аппроксимации, теории вероятности и математической статистики. При решении вычислительных задач использовались пакеты программ MathCAD, Microsoft Excel, LCard.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
усовершенствована технология получения вольт-амперных характеристик скользящего щеточного контакта;
разработана новая методика аппроксимации вольт-амперных характеристик скользящего щеточного контакта;
предложен коэффициент стабильности работы щеточного контакта для сопоставления свойств типов щеток или условий токосъема;
разработан алгоритм описания безыскровой зоны коммутации на стадии проектирования машины постоянного тока на основе предложенной аппроксимации вольт-амперных характеристик щеток;
получены результаты исследования работы электрических машин с новым скользящим контактом – тефлоновым покрытием.
Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена экспериментальными исследованиями. Расхождение результатов теоретических исследований с экспериментальными данными не превышает 10 %.
Практическая ценность диссертации:
разработаны измерительный комплекс для исследования свойств щеточного контакта и методика получения вольт-амперных характеристик, позволяющие создавать различные условия работы для щеток, автоматизирующие процесс получения данных для построения вольт-амперных характеристик и обеспечивающие высокую точность полученных значений;
известная методика настройки коммутации тяговых электродвигателей реализована в виде предложенного программного продукта Polus и апробирована для корректировки поперечной магнитной цепи электрической машины;
предложен алгоритм описания безыскровой зоны коммутации на основе известной математической модели и разработанной методики аппроксимации вольт-амперных характеристик щеток, позволяющий характеризовать коммутационную способность машины на стадии проектирования;
установлено, что при использовании щеток с тефлоновым покрытием на синхронных машинах износостойкость щеток повышается в 1,8 – 2 раза, уменьшается загрязнение внутренней части машины угольной пылью.
Реализация результатов работы. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований работы инновационных щеток в условиях лаборатории опытная партия щеток внедрена на синхронном генераторе ТВФ-120-2 СП ТЭЦ-5 г. Омска.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на восьмой научно-технической конференции с международным участием «Проблемы и достижения в промышленной энергетике» (Екатеринбург, 2008); на международной научно-технической конференции «Low Voltage Electrical Machines» (Брно, 2008); на научно-технической конференции «Elektrick pohony a vkonov elektronika» (Брно, 2008); на научно-технической конференции «Vybran problmy elektrickch stroj a pohon» (Брно, 2009); на четвертой международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (Томск, 2009).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе пять статей (из них три – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ), тезисы пяти докладов на международных научно-технических и научно-практических конференциях, получены патент на полезную модель и свидетельство об отраслевой регистрации разработки.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, списка литературных источников из 112 наименований и трех приложений; изложена на 117 страницах основного текста, содержит 53 рисунка и 9 таблиц.
Степень неидентичности коммутационного процесса как критерий коммутационной устойчивости работы электрической машины
Рассматривая коммутационную напряженность машин постоянного тока, которая неотрывна от понятия коммутационной устойчивости, нельзя не учитывать неидентичность коммутационных циклов. Профессор М. Ф. Карасев считал, что при работе крупных МПТ в рабочем режиме основной причиной искрения щеток является неизбежная неидентичность коммутационных циклов, которая в той или иной степени имеет место, так как при отсутствии этого фактора не существовала бы проблема коммутации. Из этого следует, что первопричина проблемы коммутации и должна быть принята за основу оценки коммутационной напряженности [23, 28].
В любой реальной МПТ при наилучших условиях работы контакта неизбежно часть секций будет заканчивать процесс коммутации с незначительной перекоммутацией, тогда как другая — с недокоммутацией. Эти отклонения вызываются совокупностью действия столь многообразных факторов, что учесть их при расчете коммутации не представляется возможным даже при установившихся режимах работы МПТ и, тем более, при различных нестационарных режимах с изменением частоты вращения, нагрузки и т. п [39]. Явление неидентичности коммутационного процесса отмечено давно и окончательное определение как причины проблемности настройки коммутации получило в работах профессора М. Ф. Карасева [16, 23, 28, 32, 37, 38, 40]. Исследования влияния различных факторов неидентичности на условия токосъема широко велись в работах В. Д. Авилова [6, 41, 42], А. М. Трушкова [43], В. Г. Черномашенцева [44], Н. Ф. Коцарева [45], В. Г. Гартмана [41, 42, 46, 47], Г.Н. Томилова [48], В.П.Толкунова [26, 27], В.В.Фетисова [13], В. В. Ивашина [24], А. И. Скороспешкина [49], Б. В. Сидельникова и др.
Неидентичность коммутационных циклов определяется не только явлениями, присущими преобразованию вида энергии в МПТ, но и определенными технологическими отклонениями и асимметрией МПТ. Этот вопрос довольно подробно рассмотрел в своей работе В. Д. Авилов [6]. Данный момент имеет весьма важное значение, так как оценка влияния тех или иных технологических отклонений или асимметрии позволит определить допустимые нормы по условиям коммутации.
В условиях конкретной работы реальной МПТ состояние коллекторно-щеточного узла зависит от множества факторов, которые разделены на две группы: заложенные заводом изготовителем и выявленные в процессе эксплуатации.
Перечислим основные требования к деталям узла токосъема электрических машин, имея в виду необходимость увеличения надежности, а, следовательно, и срока службы коллекторно-щеточного узла [3]: — электрощетки должны обеспечивать надежный контакт с вращающимися частями электрических машин и не вызывать нарушения этого контакта; — электрощетки должны надежно осуществлять коммутационный процесс машины и не вызывать искрения, связанного с переключением токов в замыкаемых секциях обмоток; — электрощетки должны обеспечивать нормальную эксплуатацию машин при перегрузочных режимах, предусмотренных для них технической документацией (ГОСТ и технические условия); — материал элементов скользящего контакта должен обладать возможно большей износоустойчивостью; — материал элементов контакта должен обеспечивать минимально возможные потери в нем; — материал элементов контакта должен обладать достаточной механической прочностью.
Такой путь решения вопроса дает возможность внести обобщенные параметры в математическую модель коммутационного процесса, оценить влияние отдельной группы факторов на условия коммутации и затем выявить значимость влияния отдельных из них внутри групп. Такие исследования проведены В. Д, Авиловым и опубликованы в [6].
Одной из важных величин, оказывающих влияние на процесс коммутации, является среднее щеточное напряжение, которое по существу представляет собой среднее значение небалансной ЭДС секции за период собственно коммутации. Чем больше допустимое значение этой ЭДС, тем шире область безыскровой работы, и, следовательно, выше коммутационная устойчивость. Это достигается применением составных щеток, элементы которых выполнены из различного материала. Таким образом, повышение степени воздействия щеточного контакта на коммутационный процесс в результате использования элементов щетки из различных материалов позволяет повысить коммутационную устойчивость МПТ, т. е. можно использовать ее резерв по условиям коммутации без значительных на это затрат [50].
Результаты исследований и опыт эксплуатации составных щеток позволяют рекомендовать соответствующей отрасли электротехнической промышленности разработку промышленных образцов для их внедрения. При этом необходимо учесть следующую технологию подбора контактных пар: подбираемые пары должны иметь близкие номинальные параметры по плотности тока, линейной скорости, давлению и характеристикам износа. Можно допускать некоторое различие элементов по характеристикам износа. Перераспределение давления между элементами щетки вследствие различного износа приведет автоматически к одинаковому износу элементов [6].
Из-за наличия неровностей на профиле коллектора всегда присутствуют радиальные колебания щетки, что приводит к изменению контактного давления, а давление между щеткой и коллектором влияет на ход коммутационного процесса. При рассмотрении влияния щеткодержателя на процесс коммутации необходимо учитывать роль параметров отдельных его элементов: жесткость и масса нажимной пружины, наличие сил сопротивления между щеткой и обоймой щеткодержателя и т. д.
Поиск оптимальных условий коммутации на практике сводится к определению минимального уровня искрения. Настройка коммутации при определенных значениях степени неидентичности а,- зависит в конкретной МПТ от конструктивных особенностей, условий эксплуатации, состояния коллек-торно-щеточного узла на момент испытания. При низкой степени неидентичности МПТ имеет область безыскровой работы, в которой последняя не проявляется в форме искрения на щетках. Машина становится напряженной в коммутационном отношении, если зона сужается или исчезает вообще. Тогда настройкой мы добиваемся минимального уровня искрения. При этом многие секции обмотки якоря могут завершать процесс коммутации без искрения, остальные же могут иметь некоторый уровень, обусловленный повышенным воздействием какого-либо из факторов.
Особые условия исследования свойств вольт-амперных характеристик щеточного контакта
Все исследования поддерживают высокую значимость свойств щеточного контакта в коммутационном процессе. Многие исследователи идут путем конструктивного усиления этих свойств [66]. К ним можно отнести слоистые щетки, составные щетки (элементы из разных материалов) и т.д. Все эти решения направлены на усиление влияния сопротивления щеточного контакта на процесс коммутации. Одна из разработок аналогичного плана предложена с участием автора [69]. Ниже предложено одно из конструктивных решений токосъемного устройства [67], удовлетворяющее предъявляемым к нему требованиям. Коллекторно-щеточный узел, состоящий из цилиндрического коллектора и установленных по его окружности электрических «щеток», имеет со-осную с коллектором изоляционную цилиндрическую обойму, установленную снаружи коллектора и имеющую разъемы под электрические «щетки».
Упругие токопроводящие кольца помещены в диэлектрический сепаратор и равномерно расположенными между изоляционной цилиндрической обоймой и коллектором, о поверхности которых они опираются. При этом «щетки» неподвижно закреплены в разъемах изоляционной цилиндрической обоймы так, что об их контактную поверхность также опираются токопроводящие кольца. Функциональная схема предлагаемого устройства представлена на рис. 1.6. На рис. 1.6 введены следующие обозначения: 1 - цилиндрический коллектор; 2 - электрические «щетки»; 3 - упругие токопроводящие кольца; 4 - сепаратор из диэлектрического материала; 5 - цилиндрическая обойма из диэлектрического материала. Устройство работает следующим образом. Коллектор 1 при вращении увлекает за собой упругие токопроводящие кольца 3, которые вращаются вместе с ним вокруг оси вала машины постоянного тока. При этом передача тока между «щетками» 2 и коллектором 1 осуществляется посредством упругих токопроводящих колец 3 только во время их прохождения в зоне расположения электрических «щеток» 2. Использование такого конструктивного решения должно обеспечить надежный электрический контакт катящихся поверхностей и не иметь проскальзывания этих поверхностей. Что касается наличия коммутирующей способности, то в приведенном виде устройство не будет ею обладать. Для создания коммутирующего эффекта приведенным устройством в нем необходимо использовать «щетки» с определенными , особенностями их вольт-амперных характеристик. При рассмотрении проекции предложенного токосъемного устройства на плоскость перпендикулярную оси вращения ротора машины можно условно сказать, что при незначительной деформации кольца поверхность его контакта как со «щеткой» так и с коллектором представляется в виде точки. С одной стороны такая - малая: площадь контакта значительно увеличивает плотность тока в нем. Но с другой стороны эта особенность катящегося токосъема позволяет заранее в конструкции «щетки» заложить характер измене- , ния сопротивления, которым будет обладать катящийся; контакт по мере его: перемещения по поверхности «щетки».; Такая конструкция «щетки» будет оказывать активное воздействие на коммутируемый контур, и, следовательно, токосъемное устройство, использующее такую «щетку» будет обладать коммутирующей способностью.
Подобное воздействие на контактное сопротивление, при скользящем токосъеме известно давно. Это воздействие обеспечивается использованием в МПТ составных щеток; Использование различных контактирующих мате риалов в составных щетках повышает их коммутирующую способность за счет получающегося нарастания контактного сопротивления от набегающего к сбегающему краю: щетки. И чем большее различие сопротивлений исполь зуемых в щетке материалов, тем больший получается коммутирующий эф фект [58-60,62] . 0днако различие сопротивлений .в составной щетке ограничивается возможностью применения в ней только тех материалов, которые используются для обеспечения-скользящего токосъема. Если же использовать идею нарастания контактного сопротивления от набегающего к сбегающему краю, в «щетке» токосъемного устройства с катящимся токосъемом, то эффективность этой идеи можно значительно повысить за счет использования любых подходящих твердых материалов с резко контрастным сопротивлением. При этом коммутирующий эффект токосъемного устройства будет заключаться в следующем. Каждый ролик,.катящийся по поверхности составной «щетки»,- по сути будет включен в цепь с переменным сопротивлением, закон изменения которого при определенной скорости вращения коллектора известен заранее.
Если под «щеткой» в некоторый момент будут находиться несколько роликові обеспечивающих ее контакт с коллектором, то ток идущий через «щетку» будет распределяться по этим роликовым контактам в зависимости от их местоположения на поверхности «щетки». Принимая во внимание рассмотренные особенности катящегося токосъема, можно сформулировать требования к вольт-амперной характеристике «щетки», обусловленные необходимостью создания коммутирующего эффекта, аналогичного тому, которым обладает традиционный щеточный узел [68]. В машине с обычным щеточным аппаратом изменение сопротивления набегающего и сбегающего края происходит следующим образом. Сопротивление контакта в начальный момент касания щетки с коллекторной пластиной имеет максимальное значение, ток — минимален. По мере увеличения площади соприкосновения сопротивление уменьшается, а ток растет. Далее при сбегании коллекторной пластины со щетки сопротивление вновь увеличивается, а ток уменьшается [69 — 71].
Описание существующей технологии получения вольт-амперных характеристик щеток
Экспериментальное определение вольт-амперных характеристик производится с помощью установки, схема включения которой представлена на рис. 2.4, где 1 - короткозамкнутыи коллектор, приводимый во вращение электродвигателем с регулируемым числом оборотов; 2, 3 — электрощетки различной полярности, армированные токоведущими проводами; 4 - регулировочный реостат; 5 — источник тока низкого напряжения; 6 — вольтметр; 7 -амперметр, и которая взята за прототип из [63].
Изменяя ток в цепи, нажатие на электрощетки, частоту вращения и температуру короткозамкнутого коллектора, материал, из которого изготовлен этот коллектор и электрощетки, можно исследовать влияние перечисленных факторов на величину переходного падения напряжения 2AU между точками а и б. Диапазон исследований еще более расширятся, если установку поместить в герметическую камеру, в этом случае можно выявить влияние на рассматриваемую характеристику степени разрежения атмосферы, изменения ее состава, различных газов и т. п.
При изменении тока от нуля до некоторого значения в цепи, при фиксации отдельных значений, измеряются соответствующие им значения падения напряжения 2А U (время выдержки на каждой ступени тока равно 3-5 мин). По полученным парным значениям / и 2AUстроится кривая 2AU =f(I), которую называют статической вольт-амперной характеристикой скользящего контакта. Если опыт видоизменить, переключив установку на питание переменным током и включив вместо амперметра и вольтметра выводы осциллографа, можно получить динамическую характеристику скользящего контакта.
Для того чтобы определить величины падения напряжения отдельно на анодной {A UU{a) и катодной (А ищк) щетках, схему, изображенную на рисунке 2.4, необходимо было видоизменить. Оставляя один конец вольтметра в точке а (или б), другой его конец подключается к вспомогательной электрощетке с малым переходным падением напряжения, скользящей по коллектору в непосредственной близости от основной электрощетки (рис. 2.5).
Для того чтобы усовершенствовать уже существующий метод снятия ВАХ, необходимо было сделать дополнения, которые удовлетворили следующим требованиям: высокая точность измерений полученных ВАХ; автоматизация процессов снятия и построения ВАХ; возможность учета влияния на очертание ВАХ наибольшего количества факторов одновременно. Это удалось осуществить при использовании компьютера (ПК) для снятия ВАХ.
На рисунке 2.6 представлена предлагаемая автором измерительная схема получения ВАХ при помощи цифровой техники и специального программного обеспечения [76].
1) собирается установка, схема которой представлена на рис. 2.5. На короткозамкнутом коллекторе устанавливаются две испытуемые щетки АЩ и КЩ по одному следу, а также вспомогательная щетка ВЩ;
2) с данной установки снимаются переменные данные, необходимые для построения ВАХ (падение напряжения на анодной и катодной щетках, ток на щетках) и значения величин, влияющих на очертание ВАХ (скорость вращения и температура коллектора). Также в компьютер заносятся данные, характеризующие испытуемые щетки (марка щетки, площадь сечения щетки SUf) номинальная плотность токау,, и т.п.);
3) полученные данные через аналогово-цифровой преобразователь в виде файла поступают в компьютер, где с помощью установленных программ эти данные обрабатываются, и строятся ВАХ;
4) полученные ВАХ можно сравнивать между собой, анализировать, делать выводы и использовать для дальнейших исследований.
Использование новой технологии автоматизирует процесс получения данных для построения вольт-амперных характеристик и обеспечивает высокую точность полученных значений. Использование цифровой техники позволяет быстро получать необходимые данные и выводить полученный результат. Время эксперимента сводится, практически, ко времени подготовки самого эксперимента.
Учитывая возможности современных компьютерных технологий, были сформулированы технические требования и разработан взамен прежней затратной по времени и трудоемкости технологии новый способ накопления и обработки информации.
Весь набор анализируемых параметров (напряжения, токи, частота вращения и т.д.) подается на контроллер ввода аналоговых сигналов, а оцифрованные параметры подаются на ПЭВМ.
Для разработки контроллера ввода аналоговых сигналов были сформулированы технические требования: полная гальваническая развязка входов контроллера по напряжению до 1000 В; наличие не менее восьми входов для одновременной регистрации сигналов; широкий частотный диапазон — от постоянного тока до 5000 Гц; непрерывная регистрация длительных процессов продолжительностью до нескольких часов; стандартный интерфейс связи с персональным компьютером.
Построение расчетных безыскровых зон по методу В. В. Прусс-Жуковского
Серьезно к данному вопросу подошел В. В. Прусс-Жуковский в статье «О приближенном описании безыскровых зон машин постоянного тока» [100], где предложил представить зону следующим выражением: где 5 = — (/п+ — /п_) — односторонняя ширина зоны, характеризующая запас коммутационной устойчивости машины при заданном режиме работы по току якоря 1а и скорости вращения п; В - — (/п+ + /п_) - отклонение средней линии зоны от оси 1П = 0 в этом ре жиме, которое характеризует качество наладки добавочных полюсов. Коммутационные качества машины в заданном режиме можно считать тем лучшими, чем больше 5 и меньше В. Это необходимо для обеспечения безыскровой работы машины при широком регулировании скорости и удовлетворительной коммутации в переходных режимах, когда могут возникать значительные небалансы ЭДС в коммутируемых секциях из-за отставания изменения коммутирующего потока Фк от тока якоря и индуктирования дополнительных составляющих ЭДС [101].
Для получения оптимальной, несколько ускоренной коммутации коммутирующая ЭДС Ек должна быть больше реактивной ЭДС Ег. При этом условия оптимальной коммутации могут быть записаны в следующей приближенной форме: С/о - дополнительная составляющая коммутирующей ЭДС, необходимая для получения в среднем оптимальной коммутации для всех секций паза в данном режиме работы машины по току якоря и скорости. Величина С/о в основном определяется параметрами щеточного контакта, щеточным перекрытием, параметрами и данными обмотки якоря, механическими условиями работы коллекторно-щеточного узла и зависит от скорости вращения. В простейшем случае В. В. Прусс-Жуковский принимает С/0 = Ко /а, что соответствует предположению линейности ВАХ щеток, и не учитывает влияние тока и скорости на Ко. При отклонении коммутации от оптимальной или при положительной и отрицательной подпитке добавочных полюсов с целью вызвать искрение, правую часть уравнения (3.4) можно считать отличной от нуля. Искрению заданной интенсивности будет соответствовать некоторое «искровое» напряжение С/и небаланса ЭДС. Если предположить, что для данной машины при положительной и отрицательной подпитке С/и одинаковы, то условия искрения запишутся в следующем виде: После подстановок и преобразований получается приближенное выражение для безыскровых зон: В простейшем случае при допущениях /„ = const и Ко = const безыскровые зоны ограничиваются прямыми линиями подпитки, как на рис. 3.1.
На самом деле неправильно принимать ВАХ щетки линейной, а величины /и и Ко должны рассматриваться как некоторые функции параметров щеточного контакта, тока якоря, скорости и т.д. В. Д. Авилов в своей работе [6] при исследовании процесса коммутации предложил свою математическую модель, что позволило решить задачи, связанные с оценкой коммутационной напряженности машин постоянного тока. Математическая модель включает обобщенные параметры, характеризующие влияние основных факторов на условия коммутации. В общем случае при (3 1 система уравнений в матричной форме имеет вид: где Y — вектор неизвестных токов сбегающего края щеток в относительных единицах; Mv{x) - матрица коэффициентов взаимных индуктивностей на интервалах интегрирования (xv.i, xv); Fv — вектор нелинейных функций, соответствующий интервалу (jCy-i, xv); х - координата времени в относительных единицах; а — вектор обобщенных параметров неидентичности коммутации; т — соотношение коммутирующей и реактивной ЭДС секции. Для оптимальной коммутации требуется, чтобы в каждой секции к моменту завершения процесса производная тока секции dijdt и ток іг в сбегающем крае щетки стремились к нулю. На практике достигнуть этого невозможно из-за неидентичности коммутационных циклов. Следовательно необходимо стремиться к тому, чтобы величины dijdt lt—т-о и I h It—т-о были минимальными. В общем случае указанные критерии не могут выполняться одновременно, и задача была сформулирована как двухкритериальная для каждой секции [6]: Используя приведенную модель (3.7), а также условие (3.8) находится средняя точка безыскровой зоны для одной нагрузки. Изменяя нагрузку машины можно найти среднюю линию зоны. Затем отклоняются условия коммутации от средней линии в пределах искрообразования. На рис. 3.9 приведен алгоритм построения безыскровой зоны.
Для математического описания зон безыскровой работы машины рассчитываются кривые токов секции по выражению (2.10). При построении безыскровых зон на основании выражения (2.6) определяются значения падения напряжения Л/щ2 на сбегающем крае щетки при относительном значении времени коммутации х, близком к единице (х = 0,9999), т. е. в момент завершения коммутации. Как было указано ранее [п. 2.3], напряжение срезки Ucp является критерием границы безыскровой зоны коммутации, так как превышение напряжения Ucp на сбегающем крае щетки приводит к появлению тока разрыва, т. е. искрения. Таким образом, при определенном значении коэффициента нагрузки подбирается такое значение соотношения коммутирующей ЭДС и ЭДС самоиндукции секции т, при котором выполняется следующее условие: Подбирая определенные значения параметра т по условию (3.7) для различных значений коэффициента нагрузки, мы получаем расчетную безыскровую зону, построенную в координатах т =Дк) [80].
