对于滑环单元多工况模拟测试系统的研究

文 | 李记岗，马全超，丁娇娇，林然然

工作原理

此滑环单元多工况模拟测试系统根据其功能划分为工况模拟系统和实时监测系统两部分。

滑环单元运行工况的三个基本要素是碳刷部件与滑环部件之间的相对转速、滑环单元中馈送电流、滑环单元所处的环境等。工况模拟系统通过调整相对转速的大小、调节馈送电流的大小以及控制周围环境的变化来模拟滑环单元在实际现场中的不同工况。

实时监测系统由监测软件和多种传感器、采集板卡、计算机等硬件组成。针对研发需求或客户定制要求，滑环单元各目标位置处的电流、温度、湿度、风速、风压等物理量经传感器采集后传输给计算机以便后续分析滑环单元的运行状态。

绕线式转子异步电机的滑环单元由碳刷部件、滑环部件、冷却部件、箱体部件及其附属组件组成，是实现两个相对旋转部件间精密信号传输的装置。该装置具有运行可靠、结构紧凑、安装方便等优点，在电机领域应用广泛。但其工作环境较为复杂，易引起环火、振损等失效故障，且运行状态难以监测和控制，维护成本较高。因此，作为绕线式转子异步电机的关键部件之一，滑环单元一直是当前研究的热点。

目前研究多集中在滑环单元结构优化、新型对偶（碳刷与滑环部件）材料研发、磨损机理探索等方面，这些研究从单一角度出发，能较好地解决现场中遇到的某些难题。但滑环单元的运行是多种因素的综合作用，单一角度分析难以全面评价滑环单元的运行特性。

为此，一套业界领先的滑环单元多工况模拟测试系统被开发出来。该系统既可模拟滑环单元的不同运行工况，也可实时监测滑环单元的运行状态。在进行测试分析时，不但可分析单一因素对运行状态的影响，而且可分析多种因素对运行状态的综合影响。该滑环单元多工况模拟测试系统以优化滑环单元设计、提高其运行可靠性和降低其维护成本为目标，结构简单、性能稳定、通用扩展性好。

滑环单元多工况模拟测试系统的工作原理如图1所示。

系统结构

根据上述工作原理，科研人员开发了一套滑环单元工况模拟系统和实时监测系统。

一、工况模拟系统

工况模拟系统分别模拟碳刷部件与滑环部件之间的相对转速、馈送电流以及所处的环境。

碳刷部件由碳刷、刷握、刷握支架、压簧等组成，相对于滑环单元的基座静止不动；滑环部件由三相滑环、导电杆等组成，由电动机驱动并与其同步旋转。电动机由变频器进行控制，可实现无级调速。因此，调节变频器中有关参数控制电动机转速，可模拟不同工况下碳刷部件与滑环部件之间相对转速的变化。

馈送电流来自普通工业用电，经变频器、滤波器、变压器输向滑环单元。设计合理的滤波器、变频器和变压器可实现馈入电流的无级平滑变化。因此，调节变频器中有关参数可模拟不同工况下滑环单元中馈送电流的变化。

图1 系统工作原理示意图

滑环单元所处环境的变化用环境模拟箱来模拟。环境模拟箱遵循《IEC 60068-1》标准（第七版）中有关环境测试过程要求，能实时监控和记录与环境变化有关的各物理量以便进行后续分析。因此，调节环境模拟箱的有关参数来控制温度、湿度等的变化可模拟滑环单元所在的不同环境。

工况模拟系统在各线路的适当位置处设置了电气保护装置和警示装置以保证人员安全。该系统结构简单、工作可靠、振动小、噪声低、通用性好，能够模拟滑环转速在0rpm-2000rpm之间、馈入电流在0A-1000A之间、温度和湿度等物理量变化在所允许范围之内的任意工况。

二、实时监测系统

实时监测系统可分为硬件部分和软件部分。硬件由多种传感器、高速采集板卡、计算机等组成，运行可靠、精度较高；软件部分可实现传感器的增加、删减、标定、异常报警等配置，能够实时记录和显示所采集的数据，界面友好、易于操作、具有较好的鲁棒性和扩展性。

实时监测系统参考了《IEC 61400》测试标准中的要求，并考虑了实际测试的需要，能实时采集与运行状态有关的各物理量如转速、馈送电流、温升、湿度、风速、风压等。根据测试结果来分析碳刷与滑环之间的对偶材料更换、接触电阻大小、接触电阻变化量、冷却方式和除尘方式优化、磨损率快慢等因素的变化对滑环单元运行特性的影响。

总体来说，实时监测系统测量精度高、鲁棒性好、适应性强、扩展能力广，能够完成多种工况下研发需求和客户定制要求的运行状态测试。

应用

基于这套滑环单元多工况模拟测试系统，科研人员针对滑环单元的运行性能开始了多因素、深层次地研究，以优化滑环单元的主要参数如滑环尺寸、碳刷与滑环之间的对偶材料选择、冷却方式、箱体结构等等。同时，该模拟测试系统可以有效地验证相关数值计算结果的可靠性，更好地帮助设计工程师在概念设计阶段评估设计方案的可行性。

以某型号滑环单元为例，在这套多工况模拟测试系统中进行测试以分析其运行性能，其中测试现场如图2所示。

实时监测系统采集的部分数据归一化后所得的曲线，如图3所示。

将系统所采集的数据分别进行单因素、多因素分析滑环单元的运行性能以对滑环单元开展进一步的优化设计。

同时，对该型号滑环单元采用数值计算的方法进行分析，之后可以将计算结果与测试结果进行比对，通过这种计算与实验相结合的方法来分析其冷却系统的性能。温度分布的数值计算结果如图4所示。

图2 某型号滑环单元测试现场图

图3 系统工作原理示意图

图4 某型号滑环单元冷却方式的数值计算结果

结语

滑环单元多工况模拟测试系统可以准确模拟滑环单元运行的多种工况，高精度采集研发需求或客户定制要求所需的各类数据。测试分析时，不仅可以分析单一因素对运行状态的影响，而且可以分析多种因素对运行状态的综合影响程度。同时，该系统结构简单、通用性好、适应性强、扩展性好。

滑环单元经模拟测试后，可进行进一步的优化改进，避免客户在使用过程中出现不必要的停机维护，也可提高产品工作的可靠性并降低维护成本。