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滑環多工況模擬測試系統的研究

日期：2018-09-25 點擊：6274 屬于：滑環結構原理

繞線式轉子異步電機的滑環具有運行可靠、結構緊湊、安裝方便等優點在電機領域應用廣泛，但其工作環境較為復雜,易引起環火、振損等失效故障,且運行狀態難以監測和控制,維護成本較高。因此,作為繞線式轉子異步電機的關鍵部件之一,電滑環一直是當前研究的熱點。
目前研究多集中在滑環結構優化、新型對偶(碳刷與滑環部件)材料硏發、磨損機理探索等方面,這些硏究從單一角度出發,能較好地解決現場中遇到的某些難題。但滑環的運行是多種因素的綜合作用,單一角度分析難以全面評價滑環的運行特性。
為此,一套業界領先的電滑環多工況模擬測試系統被開發出來。該系統既可模擬滑環的不同運行工況,也可實時監測電滑環的運行狀態。在進行測試分析時,不但可分析單一因素對運行狀態的影響,而且可分析多種因素對運行狀態的綜合影響。該滑環多工況模擬測試系統以優化電滑環設計、提高其運行可靠性和降低其維護成本為目標,結構簡單、性能穩定、通用擴展性好。
1.工作原理
此滑環多工況模擬測試系統根據其功能劃分為工況模擬系統和實時監測系統兩部分。滑環運行工況的三個基本要素是碳刷部件與滑環部件之間的相對轉速、電滑環中饋送電流、滑環所處的環境等。工況模擬系統通過調整相對轉速的大小、調節饋送電流的大小以及控制周圍環境的變化來模擬電滑環在實際現場中的不同工況。
實時監測系統由監測軟件和多種傳感器、采集板卡、計算機等硬件組成。針對研發需求或客戶定制要求,滑環各目標位置處的電流、溫度、濕度、風速、風壓等物理量經傳感器采集后傳輸給計算機以便后續分析滑環的運行狀態。
電滑環多工況模擬測試系統的工作原理如圖1所示。

2.系統結構
根據上述工作原理,科研人員開發了一套滑環工況模擬系統和實時監測系統。
2.1工況模擬系統
工況模擬系統分別模擬碳刷部件與滑環部件之間的相對轉速、饋送電流以及所處的環境。碳刷部件由碳刷、刷握、刷握支架、壓簧等組成,相對于滑環的基座靜止不動;滑環部件由三相滑環、導電桿等組成,由電動機驅動并與其同步旋轉。電動機由變頻器進行控制,可實現無級調速。因此,調節變頻器中有關參數控制電動機轉速,可模擬不同工況下碳刷部件與滑環部件之間相對轉速的變化。
饋送電流來自普通工業用電,經變頻器、濾波器、變壓器輸向滑環。設計合理的濾波器、變頻器和變壓器可實現饋入電流的無級平滑變化。因此,調節變頻器中有關參數可模擬不同工況下電滑環中饋送電流的變化。
滑環所處環境的變化用環境模擬箱來模擬。環境模擬箱遵循《IEC60068-1》標準（第七版）中有關環境測試過程要求，能實時監控和記錄與環境變化有關的各物理量以便進行后續分析。因此，調節環境模擬箱的有關參數來控制溫度、濕度等的變化可模擬滑環所在的不同環境。
工況模擬系統在各線路的適當位置處設置了電氣保護裝置和警示裝置以保證人員安全。該系統結構簡單、工作可靠、振動小、噪聲低、通用性好，能夠模擬滑環轉速在0-2000RPM之間、饋入電流在0-100A之間、溫度和濕度等物理量變化在所允許范圍之內的任意工況。
2.2實時監測系統
實時監測系統可分為硬件部分和軟件部分。硬件由多種傳感器、高速采集板卡、計算機等組成，運行可靠、精度較高；軟件部分可實現傳感器的增加、刪減、標定、異常報警等配置，能夠實時記錄和顯示所采集的數據，界面友好、易于操作、具有較好的魯棒性和擴展性。
實時監測系統參考了《IEC61400》測試標準中的要求，并考慮了實際測試的需要，能實時采集與運行狀態有關的各物理量如轉速、饋送電流、溫升、濕度、風速、風壓等。根據測試結果來分析碳刷與滑環之間的對偶材料更換、接觸電阻大小、接觸電阻變化量、冷卻方式和除塵方式優化、磨損率快慢等因素的變化對電滑環運行特性的影響。
總體來說，實時監測系統測量精度高、魯棒性好、適應性強、擴展能力廣，能夠完成多種工況下研發需求和客戶定制要求的運行狀態測試。
應用
基于這套滑環多工況模擬測試系統，科研人員針對電滑環的運行性能開始了多因素、深層次地研究，以優化滑環的主要參數如滑環尺寸、碳刷與滑環之間的對偶材料選擇、冷卻方式、箱體結構等等。同時，該模擬測試系統可以有效地驗證相關數值計算結果的可靠性’更好地幫助設計工程師在概念設計階段評估設計方案的可行性。
以某型號導電滑環為例，在這套多工況模擬測試系統中進行測試以分析其運行性能，其中測試現場如圖2所示。

實時監測系統采集的部分數據歸一化后所得的曲線,如圖3所示。

將系統所采集的數據分別進行單因素、多因素分析滑環的運行性能以對滑環開展進一步的優化設計。
同時，對該型號電滑環采用數值計算的方法進行分析，之后可以將計算結果與測試結果進行比對，通過這種計算與實驗相結合的方法來分析其冷卻系統的性能。溫度分布的數值計算結果如圖4所示。

結語
滑環多工況模擬測試系統可以準確模擬滑環運行的多種工況，高精度采集研發需求或客戶定制要求所需的各類數據。測試分析時，不僅可以分析單一因素對運行狀態的影響，而旦可以分析多種因素對運行狀態的綜合影響程度。同時，該系統結構簡單、通用性好、適應性強、擴展性好。
導電滑環經模擬測試后，可進行進一步的優化改進，避免客戶在使用過程中出現不必要的停機維護，也可提高產品工作的可靠性并降低維護成本.

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