對于滑環(huán)單元多工況模擬測試系統(tǒng)的研究

文 | 李記崗，馬全超，丁嬌嬌，林然然

工作原理

此滑環(huán)單元多工況模擬測試系統(tǒng)根據(jù)其功能劃分為工況模擬系統(tǒng)和實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)兩部分。

滑環(huán)單元運(yùn)行工況的三個基本要素是碳刷部件與滑環(huán)部件之間的相對轉(zhuǎn)速、滑環(huán)單元中饋送電流、滑環(huán)單元所處的環(huán)境等。工況模擬系統(tǒng)通過調(diào)整相對轉(zhuǎn)速的大小、調(diào)節(jié)饋送電流的大小以及控制周圍環(huán)境的變化來模擬滑環(huán)單元在實(shí)際現(xiàn)場中的不同工況。

實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測軟件和多種傳感器、采集板卡、計(jì)算機(jī)等硬件組成。針對研發(fā)需求或客戶定制要求，滑環(huán)單元各目標(biāo)位置處的電流、溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)壓等物理量經(jīng)傳感器采集后傳輸給計(jì)算機(jī)以便后續(xù)分析滑環(huán)單元的運(yùn)行狀態(tài)。

繞線式轉(zhuǎn)子異步電機(jī)的滑環(huán)單元由碳刷部件、滑環(huán)部件、冷卻部件、箱體部件及其附屬組件組成，是實(shí)現(xiàn)兩個相對旋轉(zhuǎn)部件間精密信號傳輸?shù)难b置。該裝置具有運(yùn)行可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，在電機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但其工作環(huán)境較為復(fù)雜，易引起環(huán)火、振損等失效故障，且運(yùn)行狀態(tài)難以監(jiān)測和控制，維護(hù)成本較高。因此，作為繞線式轉(zhuǎn)子異步電機(jī)的關(guān)鍵部件之一，滑環(huán)單元一直是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

目前研究多集中在滑環(huán)單元結(jié)構(gòu)優(yōu)化、新型對偶（碳刷與滑環(huán)部件）材料研發(fā)、磨損機(jī)理探索等方面，這些研究從單一角度出發(fā)，能較好地解決現(xiàn)場中遇到的某些難題。但滑環(huán)單元的運(yùn)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(huán)單元的運(yùn)行特性。

為此，一套業(yè)界領(lǐng)先的滑環(huán)單元多工況模擬測試系統(tǒng)被開發(fā)出來。該系統(tǒng)既可模擬滑環(huán)單元的不同運(yùn)行工況，也可實(shí)時監(jiān)測滑環(huán)單元的運(yùn)行狀態(tài)。在進(jìn)行測試分析時，不但可分析單一因素對運(yùn)行狀態(tài)的影響，而且可分析多種因素對運(yùn)行狀態(tài)的綜合影響。該滑環(huán)單元多工況模擬測試系統(tǒng)以優(yōu)化滑環(huán)單元設(shè)計(jì)、提高其運(yùn)行可靠性和降低其維護(hù)成本為目標(biāo)，結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、通用擴(kuò)展性好。

滑環(huán)單元多工況模擬測試系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述工作原理，科研人員開發(fā)了一套滑環(huán)單元工況模擬系統(tǒng)和實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)。

一、工況模擬系統(tǒng)

工況模擬系統(tǒng)分別模擬碳刷部件與滑環(huán)部件之間的相對轉(zhuǎn)速、饋送電流以及所處的環(huán)境。

碳刷部件由碳刷、刷握、刷握支架、壓簧等組成，相對于滑環(huán)單元的基座靜止不動；滑環(huán)部件由三相滑環(huán)、導(dǎo)電桿等組成，由電動機(jī)驅(qū)動并與其同步旋轉(zhuǎn)。電動機(jī)由變頻器進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。因此，調(diào)節(jié)變頻器中有關(guān)參數(shù)控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速，可模擬不同工況下碳刷部件與滑環(huán)部件之間相對轉(zhuǎn)速的變化。

饋送電流來自普通工業(yè)用電，經(jīng)變頻器、濾波器、變壓器輸向滑環(huán)單元。設(shè)計(jì)合理的濾波器、變頻器和變壓器可實(shí)現(xiàn)饋入電流的無級平滑變化。因此，調(diào)節(jié)變頻器中有關(guān)參數(shù)可模擬不同工況下滑環(huán)單元中饋送電流的變化。

圖1 系統(tǒng)工作原理示意圖

滑環(huán)單元所處環(huán)境的變化用環(huán)境模擬箱來模擬。環(huán)境模擬箱遵循《IEC 60068-1》標(biāo)準(zhǔn)（第七版）中有關(guān)環(huán)境測試過程要求，能實(shí)時監(jiān)控和記錄與環(huán)境變化有關(guān)的各物理量以便進(jìn)行后續(xù)分析。因此，調(diào)節(jié)環(huán)境模擬箱的有關(guān)參數(shù)來控制溫度、濕度等的變化可模擬滑環(huán)單元所在的不同環(huán)境。

工況模擬系統(tǒng)在各線路的適當(dāng)位置處設(shè)置了電氣保護(hù)裝置和警示裝置以保證人員安全。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、振動小、噪聲低、通用性好，能夠模擬滑環(huán)轉(zhuǎn)速在0rpm-2000rpm之間、饋入電流在0A-1000A之間、溫度和濕度等物理量變化在所允許范圍之內(nèi)的任意工況。

二、實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)

實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)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(jì)算機(jī)等組成，運(yùn)行可靠、精度較高；軟件部分可實(shí)現(xiàn)傳感器的增加、刪減、標(biāo)定、異常報(bào)警等配置，能夠?qū)崟r記錄和顯示所采集的數(shù)據(jù)，界面友好、易于操作、具有較好的魯棒性和擴(kuò)展性。

實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)參考了《IEC 61400》測試標(biāo)準(zhǔn)中的要求，并考慮了實(shí)際測試的需要，能實(shí)時采集與運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)的各物理量如轉(zhuǎn)速、饋送電流、溫升、濕度、風(fēng)速、風(fēng)壓等。根據(jù)測試結(jié)果來分析碳刷與滑環(huán)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(yōu)化、磨損率快慢等因素的變化對滑環(huán)單元運(yùn)行特性的影響。

總體來說，實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)測量精度高、魯棒性好、適應(yīng)性強(qiáng)、擴(kuò)展能力廣，能夠完成多種工況下研發(fā)需求和客戶定制要求的運(yùn)行狀態(tài)測試。

應(yīng)用

基于這套滑環(huán)單元多工況模擬測試系統(tǒng)，科研人員針對滑環(huán)單元的運(yùn)行性能開始了多因素、深層次地研究，以優(yōu)化滑環(huán)單元的主要參數(shù)如滑環(huán)尺寸、碳刷與滑環(huán)之間的對偶材料選擇、冷卻方式、箱體結(jié)構(gòu)等等。同時，該模擬測試系統(tǒng)可以有效地驗(yàn)證相關(guān)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性，更好地幫助設(shè)計(jì)工程師在概念設(shè)計(jì)階段評估設(shè)計(jì)方案的可行性。

以某型號滑環(huán)單元為例，在這套多工況模擬測試系統(tǒng)中進(jìn)行測試以分析其運(yùn)行性能，其中測試現(xiàn)場如圖2所示。

實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)采集的部分?jǐn)?shù)據(jù)歸一化后所得的曲線，如圖3所示。

將系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行單因素、多因素分析滑環(huán)單元的運(yùn)行性能以對滑環(huán)單元開展進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

同時，對該型號滑環(huán)單元采用數(shù)值計(jì)算的方法進(jìn)行分析，之后可以將計(jì)算結(jié)果與測試結(jié)果進(jìn)行比對，通過這種計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法來分析其冷卻系統(tǒng)的性能。溫度分布的數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖2 某型號滑環(huán)單元測試現(xiàn)場圖

圖3 系統(tǒng)工作原理示意圖

圖4 某型號滑環(huán)單元冷卻方式的數(shù)值計(jì)算結(jié)果

結(jié)語

滑環(huán)單元多工況模擬測試系統(tǒng)可以準(zhǔn)確模擬滑環(huán)單元運(yùn)行的多種工況，高精度采集研發(fā)需求或客戶定制要求所需的各類數(shù)據(jù)。測試分析時，不僅可以分析單一因素對運(yùn)行狀態(tài)的影響，而且可以分析多種因素對運(yùn)行狀態(tài)的綜合影響程度。同時，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、通用性好、適應(yīng)性強(qiáng)、擴(kuò)展性好。

滑環(huán)單元經(jīng)模擬測試后，可進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化改進(jìn)，避免客戶在使用過程中出現(xiàn)不必要的停機(jī)維護(hù)，也可提高產(chǎn)品工作的可靠性并降低維護(hù)成本。