Мониторинг искрения тяговых электрических машин постоянного тока

На правах рукописи

Осадченко Александр Александрович

МОНИТОРИНГ ИСКРЕНИЯ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

Специальность: 05.09.01 - Электромеханика и электрические

аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Томск - 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Томский политехнический университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Рапопорт Олег Лазаревич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Беспалов Виктор Яковлевич;

кандидат технических наук, доцент

Данекер Валерий Аркадьевич

Ведущая организация: ОАО Научно-исследовательский институт

железнодорожного транспорта

(ВНИИЖТ), г. Москва.

Защита состоится “3”марта 2010 г. в 15:00 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.11 при ГОУ ВПО «Томский политехнический университет», по адресу 634034, г. Томск, ул. Усова, 7, ауд.217.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО «Томский политехнический университет» по адресу г. Томск, ул. Белинского 55.

Автореферат разослан “ 1 ” февраля 2010 г.

Ученый секретарь совета

по защите докторских

и кандидатских диссертаций Ю.Н. Дементьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Тяжелые условия эксплуатации локомотивов предъявляют высокие требования к техническому состоянию отдельных узлов и агрегатов. Особое место в них занимают тяговые электродвигатели (ТЭД), которые являются наиболее нагруженными и, одновременно, наиболее уязвимыми и неконтролируемыми узлами.

На долю ТЭД приходится до 52% возникающих неисправностей, из-за которых отрасль терпит убытки, связанные с внеплановыми ремонтами, простоями, исчисляемыми десятками часов, а также с аварийными ситуациями, нарушающими безопасность движения.

Правилами ремонта электрических машин электроподвижного состава установлена норма пробега тяговых электрических машин электровозов, которая в одном цикле от начала эксплуатации или от капитального ремонта до следующего капитального ремонта составляет 1400 тыс. км. По данным ПКБ ЦТ ОАО “РЖД” около 90% повреждений ТЭД происходят при пробеге до 800 тыс. км, а 30% ТЭД выходят из строя в период гарантийного пробега до 200 тыс. км (табл.1).

Таблица 1. – Распределение повреждений ТЭД ТЛ-2К1, НБ-418, НБ-514 по пробегам с 2004 по 2007 год

Пробег ТЭД электровоза	ТЛ-2К1	НБ-418	НБ-514
	В % от общего кол-ва	В % от общего кол-ва	В % от общего кол-ва
До 200 тыс. км	30,87	22,40	33,73
От 200 до 400 тыс. км	30,92	32,90	29,74
От 400 до 600 тыс. км	20,41	21,61	20,40
От 600 до 800 тыс. км	10,24	12,19	11,13
Свыше 800 тыс. км	7,57	10,90	5,00

В этой связи, затраты ОАО “РЖД”, связанные только с преждевременными внеплановыми ремонтами ТЭД за последние годы, составили свыше 4 млрд. рублей.

Одним из основных узлов тяговых электрических машин является коллекторно-щеточный узел (КЩУ). По официальной статистике ОАО “РЖД” в 2006 году выход из строя тяговых двигателей по причине возникновения кругового огня на коллекторе составляет 18% от общего числа отказов. Также, согласно информации об отказах ТЭД, их пробег тесно связаны с интенсивностью искрения. При искрении 1 балл по ГОСТ 183-74 двигатель проходит в составе электровоза до 2 млн. км, при искрении 1 пробег двигателя уменьшается до 1.2 млн. км, а при искрении 1 балла пробег составляет всего 300 тыс.км. Такие выходы из строя тяговых двигателей, как правило, влекут за собой внеплановые ремонты.

Большая часть неисправностей ТЭД связана с обмотками и проявляется в нарушении процесса коммутации. Увеличение искрения вызывается также многими причинами механического характера. Проявление нарушений коммутации в искрении коллекторно-щеточного узла давно рассматривается как показатель состояния машины постоянного тока и, в частности, ТЭД.

История изучения коммутации насчитывает более 150 лет. Такие известные ученые как К.И. Шенфер, О.Г. Вегнер, А.Е. Алексеев, М.Ф. Карасев, А.С. Курбасов, А.И.Скороспешкин, В.Д. Авилов, В.Я. Беспалов, Р.Ф. Бекишев, Г.Г. Константинов, В.С. Хвостов и другие внесли большой вклад в развитие теории коммутации, в понимание и описание явлений, вызывающих в машине постоянного тока нарушения коммутационных процессов.

Рассматривая вопросы оценки коммутации, следует отметить большой вклад в создание теории диагностирования коллекторных машин и приборной оценки уровня искрения коллекторно-щеточного узла, отраженный в трудах В.В. Харламова, С.И. Качина, Ш.К. Исмаилова, И.Б Битюцкого и др.

Задача мониторинга искрения коллекторно-щеточных узлов ТЭД заключается в контроле качества коммутации тяговых электродвигателей при работе на электровозе, что позволяет: исследовать состояние ТЭД в разных режимах эксплуатации, предупреждать о появлении неисправности для своевременного принятия решения и сохранения работоспособности ТЭД, а также является основой автоматизированной системы управления ТЭД.

Целью диссертационной работы является создание системы мониторинга коммутационного состояния ТЭД в период эксплуатации на основе программной обработки информации и приборной оценки искрения коллекторно-щеточного узла.

Для достижения поставленной цели определены и решены следующие задачи:

1. Обоснование выбора добавочного тока коммутации в качестве информационного сигнала для приборной оценки искрения машин постоянного тока в процессе эксплуатации.
2. Исследование влияния процесса коммутации на характер изменения добавочного тока на основе математического моделирования.
3. Разработка способа измерения добавочного тока и аппаратуры преобразования сигнала и оценка адекватности полученных результатов.
4. Разработка алгоритма и программного обеспечения для мониторинга искрения коллекторно-щеточного узла.

5. Создание опытного образца системы мониторинга искрения и экспериментальные исследования её работы в промышленных условиях

Методы исследования

При исследовании процесса коммутации машин постоянного тока с разрезными щетками в настоящей работе использовались: метод электромагнитных расчетов машин постоянного тока, методы теории коммутации электрических машин, численные методы решения систем дифференциальных уравнений, методы цифровой обработки сигналов, экспериментальные исследования работы опытных образцов разработанного устройства, а также методы математической обработки результатов эксперимента.

Все исследования проведены с применением прикладных пакетов программ MathCAD, MATLAB, LabVIEW.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Обосновано применение добавочного тока коммутации в качестве информативного сигнала для приборного определения интенсивности искрения коллекторно-щеточного узла тяговых электрических машин постоянного тока в процессе эксплуатации.
2. Разработана математическая модель коммутации машины постоянного тока с разрезными щетками, учитывающая характер изменения добавочного тока коммутации в зависимости от типа коммутационного процесса.
3. Создан способ оценки искрения коллекторно-щеточного узла машин постоянного тока с разрезными щетками.
4. Разработан алгоритм обработки информации для количественной оценки интенсивности искрения приборными методами.

Достоверность научных результатов и выводов подтверждена строгостью теоретического обоснования, корректностью применения математического аппарата и результатами экспериментальных исследований, как в лабораторных условиях, так и в условиях эксплуатации на электровозах ВЛ11К, 2ЭС5К Ермак, 2ЭС4 Дончак, 2ЭС6 Синара на разных участках Свердловской, Западно-Сибирской и Дальневосточной железных дорог ОАО «РЖД» в период 2006…2009 г.г.

Практическую ценность представляют следующие результаты исследовательской работы:

1. Создан и внедрен опытный образец системы мониторинга искрения коллекторно-щеточного узла тяговых машин постоянного тока.
2. Зарегистрирована прикладная программа цифровой и компьютерной обработки сигнала искрения коллекторно-щеточного узла тяговых электрических машин постоянного тока.
3. Испытан и введен в эксплуатацию опытный образец устройства контроля искрения для оценки интенсивности искрообразования в процессе коммутационных испытаний тяговых электродвигателей в стационарных условиях испытательной станции.
4. Разработан алгоритм определения характера изменения добавочного тока в зависимости от типа коммутационного процесса машин постоянного тока с разрезными щетками и рекомендации по настройке магнитной системы ТЭД на испытательной станции или по состоянию магнитной системы как вероятной причине повышенного искрения при мониторинге на локомотиве.

Основные положения, выносимые на защиту:

• обоснование применения добавочного тока коммутации в качестве информативного сигнала для приборной оценки искрения тяговых двигателей электровоза в процессе эксплуатации;
• алгоритм оценки интенсивности искрения ТЭД с разрезными щетками на основе математического моделирования добавочного тока коммутации машин постоянного тока с разрезными щетками;
• способ оценки искрения коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей с разрезными щетками и реализация его с помощью измерительной схемы на основе специального трансформатора тока;
• система мониторинга искрения тяговых двигателей электровоза в процессе эксплуатации.

Реализация результатов работы. В результате проведенных исследований разработано два типа устройства контроля искрения:

1. Устройство контроля искрения (УКИ-И) предназначенное для проведения коммутационных испытаний тяговых двигателей по ГОСТ 2582-81. Данное устройство прошло многочисленные производственные испытания и, в том числе, успешно прошло межведомственную комиссию, по результатам которой принято решение о серийном внедрении устройства в железнодорожную отрасль. Конструкторской документации присвоена литера О1. Устройство внедрено на испытательные станции Улан-Удэнского локомотивовагоноремонтного завода и локомотивного ремонтного депо Тайга.

2. Устройство контроля искрения (УКИ-М) предназначенное для осуществления мониторинга искрения тяговых электродвигателей электровоза в режиме эксплуатации. Данное устройство прошло многочисленные полевые испытания и успешно внедрено в проектно-конструкторском бюро центральной тяги (ПКБ ЦТ, г. Москва), во Всероссийском научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта (г. Москва) и тягово-энергетической вагон - лаборатории №09579798 Забайкальской железной дороги (г. Чита).

Апробация работы.

Результаты проведенных исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на следующих конференциях: Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых “Современные техника и технологии” (г. Томск 2004г., 2005г., 2007г., 2008г.,2009г.); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием “Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири” (г. Иркутск, 2005г); Научно-практической студенческой конференции “Электротехника, электромеханика и электротехнологии” (г. Томск 2005г., 2007г., 2008г.); Всероссийской конференции – конкурсного отбора инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению программы «Энергетика и энергосбережение», (г. Томск 2006 г.); Международной научно-технической конференции “Электромеханические преобразователи энергии”, (г. Томск 2007г., 2009г.); XII Международной конференции “Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты” МКЭЭЭ-2008, (г. Алушта 2008г.); Всероссийской научной конференции молодых ученых “Наука, технологии, инновации”, (г. Новосибирск 2008г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 патента на изобретение и 3 патента на полезную модель.

Структура и объем работы. Работа состоит из пяти разделов и заключения, содержащих 175 страниц машинописного текста, 8 таблиц, 69 рисунков, списка литературы из 101 наименования.

Автор выражает благодарность научному консультанту Цукублину А.Б. за неоценимую помощь при работе над диссертацией.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются ее цели и задачи, дается общая характеристика работы.

Во втором разделе проведен критический анализ существующих методик контроля искрения и приборов, основанных на реализации этих методик. Рассмотрены способы оценки искрения, основанные на измерении фототока, на выделении радиопомех при искрении, а также способ индикации искрения по методу дополнительной щетки. По результатам критического анализа существующих методов и приборов для оценки искрения коллекторных машин постоянного тока можно сделать вывод, что они не в полной мере подходят для решения задачи мониторинга искрения тяговых электродвигателей. Обобщив недостатки предлагаемых методов и устройств, можно выделить несколько характерных особенностей, не позволяющих их использование для поставленной задачи:

По результатам проведенного анализа можно говорить о необходимости разработки такой методики оценки интенсивности искрения коллекторных машин постоянного тока и такой аппаратной реализации предлагаемого метода, которая учитывает все недостатки рассмотренных аналогов и позволяет осуществлять мониторинг искрения КЩУ тяговых электродвигателей при работе на локомотиве.

В третьем разделе приводятся результаты разработки способа индикации искрения машин постоянного тока с разрезными щетками для решения задачи мониторинга искрения. С этой целью в разделе приведено теоретическое обоснование выбора добавочного тока коммутации в качестве информативного сигнала о наличии искрения на коллекторе и его интенсивности. Этот ток обусловлен наличием нескомпенсированной ЭДС в короткозамкнутой секции и изменением площади скользящего контакта:

,

где - нескомпенсированная ЭДС в короткозамкнутой секции, В;

– сопротивление контакта щетка – коллектор, Ом;

– активное сопротивление секции, Ом.

Для возможности перехода к количественным показателям электромагнитной энергии секции, необходимо определить значение добавочного тока в каждый момент коммутационного процесса. Для этого можно воспользоваться показателем удельной мощности искрообразования под щеткой.

,

где - индуктивность короткозамкнутой секции, Гн;

- коллекторное деление, м;

- длина щеток одного щеткодержателя, м;

- окружная скорость коллектора, м/сек.

На основании рассмотрения коммутационного процесса тяговых электродвигателей постоянного тока, в которых применяются разрезные щетки, было сделано предположение о возможности измерения интенсивности искрообразования по величине добавочного тока коммутации. Для проверки этого предположения проведено математическое моделирование коммутационного процесса.

Математическая модель добавочного тока коммутации разработана на примере тягового электродвигателя постоянного тока типа ТЛ2К1.

Формула для выражения добавочного тока коммутации выглядит следующим образом:

,

где - добавочный ток коммутации;

- ток, протекающий под одной частью разрезной щетки;

- ток, протекающий под другой частью разрезной щетки.

В свою очередь, токи под разными частями разрезной щетки определяются выражениями:

,

где - ток коммутируемой секции, при условии прямолинейной коммутации (реактивная ЭДС отсутствует);

- фактический ток коммутируемой секции, при наличии реактивной ЭДС.

Ток коммутируемой секции в общем случае определяется суммой реактивной, коммутирующей ЭДС и падением напряжения на сопротивлении скользящего контакта:

,

где – эмпирический коэффициент, учитывающий изменение сопротивления скользящего контакта в процессе коммутации.

Величина реактивной ЭДС обусловлена наличием явлений самоиндукции в коммутируемом контуре и взаимоиндукции с соседними секциями.

.

ЭДС самоиндукции в общем виде определяется:

,

где в качестве начальных условий берется значения тока секции:

.

Далее, для определения взаимоиндуктивности секций, рассмотрим случай при количестве коммутируемых секций 7 и щеточном перекрытии .

Число коммутируемых секций, расположенных в одноименном пазу, сначала увеличивается: коммутирует сначала одна секция, затем две и т.д., затем уменьшается. ЭДС взаимоиндукции равна:

.