К V - Московский государственный университет путей сообщения

На правах рукописи
Ларченко Алексей Владимирович
МЕТОДЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ ДЕФЕКТОВ ЩЕТОЧНОКОЛЛЕКТОРНОГО УЗЛА И МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
МАШИН
Специальность: 05.09.01 – «Электромеханика и электрические аппараты»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2011
Работа выполнена на кафедре «Электрические машины» Государственного
образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ).
Научный руководитель –
доктор технических наук, доцент
Глущенко Михаил Дмитриевич
(МИИТ)
Официальные оппоненты –
доктор технических наук,
Захаренко Андрей Борисович
(ФГУП «НПП ВНИИЭМ»)
кандидат технических наук, доцент
Литовченко Виктор Васильевич
(МИИТ)
Ведущая организация -
ГОУВПО Дальневосточный государственный университет путей сообщения
(ДВГУПС)
Защита диссертации состоится «1» июня 2011 г. в 1315 час. на заседании диссертационного совета Д218.005.02 при Московском государственном университете
путей сообщения (МИИТ), по адресу: 127994, Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9,
ауд. 4210
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ)
Автореферат разослан « » апреля 2011 г.
Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью
учреждения, просим направлять по адресу совета университета
Ученый секретарь
диссертационного совета Д218.005.02
д.т.н., с.н.с.
Н.Н Сидорова
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Электрические машины обеспечивают эффективность
электропривода технических устройств, поэтому их надёжность определяет работоспособность устройств в целом. В особенности это актуально для электрических
машин транспортных устройств, которые имеют, как конструктивные особенности,
так и особенности условий функционирования, и поэтому к ним предъявляются
повышенные требования надёжности для обеспечения бесперебойного процесса
перевозок и безопасности движения. На железнодорожном транспорте таковыми
являются генераторы локомотивов, тяговые электродвигатели (ТЭД) электровозов,
тепловозов, моторных вагонов и дизель поездов, а также вспомогательные электрические машины подвижного состава, путевых машин и устройств верхнего
строения пути.
Однако в реальных условиях требуемый уровень надёжности электрических
машин, в том числе и ТЭД, не обеспечивается. Анализируя неисправности подвижного состава, возникающие в процессе эксплуатации, можно убедиться, что
ТЭД являются наименее надежными узлами, поэтому на ремонтных заводах и в
депо производится их демонтаж и разборка для определения степени износа и выполнения ремонтно-восстановительных работ, а также для выявления причин неисправностей. В результате ремонтно-восстановительных работ электрических
машин в некоторых случаях происходит снижение их надёжности. В особенности
это относится к магнитной цепи и щёточно-коллекторному узлу ТЭД. Так, например, у ТЭД электровозов после ремонта встречаются повреждения в виде повышенного износа щёток и коллектора из-за искрения и нарушения нормальной коммутации, а также из-за переброса электрической дуги по коллектору, или круговых
огней. Результатом этого являются остановки движения на перегоне, нарушение
безопасности движения, повышение количества неплановых ремонтов и соответственно экономических затрат. Вследствие этого существует проблема обеспечения эффективности ремонтно-восстановительных работ электрических машин, заключительным этапом которых, как правило, является испытание и диагностика.
При этом необходимые средства диагностирования не всегда используются из-за
сложностей их применения, или отсутствуют из-за их дефицита, хотя одним из
важных условий диагностирования технических устройств является избыточность
информации о техническом состоянии.
Несмотря на то, что существует множество методов диагностики электрических машин, которые позволяют выявить их неисправности, представляет интерес
задача разработки новых научно обоснованных методов, с учётом возможностей
применения современных измерительных систем и способов анализа информации.
Актуальность такой задачи также объясняется стремлением повысить вероятность
правильного и точного диагноза при различных неисправностях электрических
машин.
В этой связи тема диссертации актуальна и её заключительным этапом является разработка методики и контрольно-измерительного комплекса для определения и идентификации дефектов электрических машин.
Целью работы является научное обоснование и совершенствование методики
диагностирования коллекторных электрических машин, позволяющей определять
дефекты, влияющие на качество коммутации и токосъема. При этом за основу принята система тестового диагностирования в виде пуска электрической машины на
3
холостом ходу.
В соответствии с поставленной целью необходимо было установить физический, аппаратный и информационный аспекты диагностики, а именно:
- исследовать причины, влияющие на появление дефектов, связанных с коммутацией в электрических машинах и, в особенности, у тяговых электродвигателей;
- определить параметры электрических машин, характеристики которых содержат диагностическую информацию о наличии неисправностей или дефектов;
- установить особенности характеристик диагностической информации и методов их математической обработки;
- разработать методику по определению типа дефектов;
- произвести выбор оптимальных технические средств для определения типа
дефектов, используя диагностический тест в виде процесса пуска электрической
машины на холостом ходу.
Объект исследований: тяговые и вспомогательные электрические машины
подвижного состава, путевые электрические машины железнодорожного транспорта.
Предмет исследований: расчётные и экспериментальные переходные функции напряжения между щётками различной полярности, ток и частота вращения
якоря электрических машин, эквипотенциальные линии векторного магнитного потенциала магнитной цепи электрических машин.
Методика исследований.
Теоретические и экспериментальные исследования пусковых диаграмм электрических машин при работе на холостом ходу с использованием:
- методов численного решения нелинейных дифференциальных уравнений переходных процессов и дифференциальных уравнений в частных производных для
анализа магнитного поля электрических машин;
- методов статистического анализа стационарных и случайных процессов;
- методов гармонического анализа;
- вейвлет-анализа;
- метода планирования эксперимента и многофакторного анализа;
- современного программного обеспечения.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- научно обоснован тестовый метод диагностирования электрических машин в
виде их пуска на холостом ходу;
- разработаны математические модели функционирования электрической машины при проведении диагностического теста, как объекта с сосредоточенными и
распределёнными параметрами;
- установлена взаимосвязь конструктивных особенностей электрических машин с технологическими факторами и дефектами, которая в итоге определяет диагностическую информацию, получаемую при тестовых испытаниях;
- исследованы особенности статистических, спектральных и корреляционных
характеристик диагностической информации исправных и неисправных электрических машин;
- научно обоснован метод применения вейвлет-анализа для оценки параметров
переходных функций и пусковых диаграмм при тестовом диагностировании электрических машин;
- определены качественные и количественные характеристики пульсаций не4
балансной электродвижущей силы в зоне коммутации, а также пульсации магнитного поля, обусловленные наличием дефектов;
- установлено, что дефекты механического и электромагнитного характера в
различной степени влияют на пусковые диаграммы электрических машин;
- предложен диагностический параметр, позволяющий при проведении тестовых испытаний установить разновидности дефектов электрических машин и, в том
числе, разделить их на дефекты механического или электромагнитного характера.
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 локомотивного депо на электрических машинах МСП-0,25, ДМК1 и ТЭД НБ-418К6 в период 2005-2010 гг.
Практическую ценность представляют следующие результаты работы:
1. Создан и внедрен опытный образец контрольно-измерительного комплекса по
определению типа дефекта тяговых электрических машин НБ-418К6.
2. Разработана прикладная программа цифровой и компьютерной обработки осциллограмм пульсаций напряжения между щётками различной полярности и
тока якоря электрических машин постоянного и пульсирующего тока с использованием вейвлет-анализа.
3. Разработано приложение, предназначенное для целей исследования электромагнитных полей применительно к электрическим машинам в процессе тестовых испытаний.
Публикации.
По результатам проведенных исследований опубликовано 15 печатных работ,
из них 3 - в журналах, рецензируемых ВАК.
Апробация работы.
Основные положения работы и результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на IX международной молодежной научно-практической конференции «Молодежь Забайкалья: дорога в будущее» (Чита, ЗабИЖТ, 2005 г.), X международной молодежной научно-практической конференции «Молодежь Забайкалья:
культура здоровья – здоровое общество» (Чита, ЧГМА, 2006 г.), «Всероссийской
научно-практической конференции ученых транспорта, вузов, НИИ, инженерных
работников и представителей академической науки, Чита, 22-24 ноября 2006 г.»,
Пятой международной научной конференции творческой молодежи «Научнотехническое и экономическое сотрудничество стран АТР в ХХI веке.», Хабаровск,
ДВГУПС 17-19 апреля 2007 г. «45-й Международной научно-практической конференции ученых транспорта вузов, инженерных работников и представителей академической науки» 7-9 ноября 2007 г. ДВГУПС, Хабаровск, XII международной
молодежной научно-практической конференции «Молодежь Забайкалья: перспектива развития края», г. Чита, 10-11 апреля 2008 г., Международной научнопрактической конференции «Развитие транспортной инфраструктуры – основа роста экономики Забайкальского края», г. Чита, 1-4 октября 2008 г., на заседаниях
кафедры «Электроподвижной состав» ЗабИЖТ (ИрГУПС), (2005 - 2010) г., на заседании Научно-технического совета ЗабИЖТ (ИрГУПС), на заседаниях кафедры
«Электрические машины» МИИТа, (2009-2010 г.), на совместном заседании кафедр
«Электрические машины» и «Электрическая тяга» МИИТа 20.11.2008 г.
Структура и объем диссертационной работы.
Диссертационная работа состоит из 189 страниц, 83 рисунков, 25 таблиц и
5
имеет следующие разделы: введение, 5 глав, заключение, список литературы из 175
наименования и 5 приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследований, обозначены пути решения
главных задач.
В первой главе представлены результаты анализа отказов и основных показателей надёжности электрических машин на примере тягового электродвигателя
НБ-418К6. При этом определены наименее надежные элементы конструкции ТЭД,
из-за которых происходит наибольшее количество отказов. Значительная часть неисправностей вызвана нарушениями процессов коммутации и потенциальных
условий на коллекторе из-за электромагнитных или механических факторов, которые обусловлены, как недостаточным качеством ремонта, так и отсутствием доступных и эффективных методов диагностирования.
Приведен обзор работ учёных по исследованиям свойств электрических машин постоянного тока и, в том числе, по методам оценки их технического состояния и методам диагностирования, таких как: Исаев И.П., Карасев М.Ф, Авилов В.Д.
Дурандин Г.Б., Серебряков А.С., Гордеев И.П., Глущенко М.Д., Феоктистов В.П.,
Попов Д.А., Козлов Л.Г., Матвеевичев А.П., Курбасов А.С., Курбасов Б.А., Волков В.К. Суворов А.Г., Скворцов А.В., Сенкевич И.В., Протасов А.И., Осяев А.Т.,
Овсейчик С.З., Некрасов О.Н., Титов Н.А., Харламов В.В., Худоногов А.М., Смирнов В.П. и других учёных.
На основании проведенного анализа сделан вывод о том, что задача совершенствования методов диагностики электрических машин представляет интерес.
Во- первых, это вызвано актуальностью, во-вторых - стремлением повысить вероятность правильного и точного определения диагноза при различных неисправностях двигателя, а также усовершенствовать методы диагностики за счет применения современной микропроцессорной техники и программного обеспечения. При
этом за основу предложена система тестового диагностирования в виде пуска
электрической машины на холостом ходу. Такая система диагностирования является общедоступной и не требует значительных капиталовложений на её внедрение,
однако теоретическое обоснование предложенной системы отсутствует.
Во второй главе проведены теоретические исследования, процессов пуска
электрических машин на холостом ходу, как диагностического теста (рисунок 1).
Диагностический тест заключается в формировании воздействия 𝑋, которое вызывает переходной процесс пуска электрической машины и который характеризуется
множеством нестационарных выходных функций 𝑍(𝑡). В качестве множества 𝑍(𝑡)
наиболее эффективно использовать графики изменения тока якоря 𝐼(𝑡 ), напряжения между разнополярными щёткодержателями 𝑈(𝑡 ) и частоты вращения якоря
𝑛(𝑡 ). Множество 𝑍(𝑡) определяется путём регистрации его мгновенных значений в
устройстве памяти измерительного комплекса с шагом квантования 𝑑𝑡. Заключение
о техническом состоянии электрической машины определяется по соотношению
̅̅̅̅̅̅ − 𝑍(𝑡 ) ∈ 𝐷𝑔,
𝑍(𝑡)
(1)
̅̅̅̅̅̅ – эталон сравнения; 𝐷𝑔 –критерии сравнения.
где 𝑍(𝑡)
Эксперименты показали, что особенность пусковых характеристик – наличие
пульсаций тока и напряжения между щетками различной полярности (рисунок 2).
Вследствие этого зависимости 𝑍(𝑡 ) могут быть представлены в виде двух составляющих, например, 𝑈(𝑡 ) имеет вид:
6
𝑈(𝑡 ) = 𝑈∞ (𝑡 ) + 𝑈~ (𝑡)
(2)
(
)
Первая из них - U∞ t характеризует переходную функцию в электрической
цепи от источника напряжения к напряжению между разнополярными щётками.
Эта составляющая низкочастотная и, как правило, монотонная функция. Вторая составляющая 𝑈~ (𝑡), собственно пульсации, высокочастотная определяется техническим состоянием и особенностями электрической машины и поэтому является источником диагностической информации.
Источник
воздействия
Х(t)
Электрическая
машина
Z (t )
Измерительный
комплекс
Модели технических
состояний электрических
машин
Z (t )
Оценка
параметров Z (t )
Постановка диагноза
Результаты
диагноза
Рисунок 1 - Функциональная схема системы тестового диагностирования электрических машин, реализующая процесс пуска на холостом ходу
Iа, А
500
I Область-разгон
II Область -переход к стационарному режиму
400
U, В ω, рад/с
80
40
60
30
40
20
20
10
Ia
I(t)
U(t)
Uщ
300
200
(t) ω
100
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
t, с
Рисунок 2 – Характерный вид пусковых диаграмм, получаемых при реализации диагностического теста в виде пуска электрической машины
Эксперименты также показали, что характер пульсаций или их интенсивность
различны у исправных и неисправных электрических машин. Это вызвало необходимость классифицировать дефекты электрических машин в соответствии с диаграммой, представленной на рисунке 3. При этом учитывались литературные источники и мнения специалистов по обслуживанию и ремонту ТЭД.
7
Дефекты электромагнитного
характера
Главные полюса
Компенсационная
обмотка
Якорная обмотка
Разный состав
щеток
Биение
коллектора
Неправильный
диамагнитный
зазор между
остовом и дп
Неравномерная
расстановка
щеткодержателей
по окружности
Неровности
коллектора
Несоответствие
давления на
щетки
Загрязненность
коллектора
Неточная
расстановка
по окружности
МВЗ
Изменение индукции
в воздушном зазоре
Увеличенное
неравномерное
распределение
Uмл
Коллектор
Неточная
расстановка
по окружности
МВЗ
Несоответствие
регулировки
щеткодержателей
Щетки
Распайка
петушков
коллектора
МВЗ
Сколы и трещины
щетки
Дополнительные
полюса
Сдвиг щеток с
нейтрали
МВЗ
Несоответствие
величины
воздушного
зазора норме
Дефекты механического
характера
Боковой износ
щетки или
выработка окна
щеткодержателя
Недо- или
перекомпенсация
реактивной ЭДС
Повышенная плотность тока,
нестабильность щеточного контакта
f=6n, f=12n, Неравномерное
распределение Uмл
Неравномерное
распределение
Uмл + ЭДС
f=6n;
2*Iкзсекции
f=4*n
Неравномерное
распределение
Uмл
f=12n
f=6n
Рисунок 3 – Дефекты ТЭД
ны:
Источники пульсаций 𝑍~ (𝑡) (для тока и напряжения) могут быть обусловле-
 пульсациями магнитного потока;
 переменными индуктивными сопротивлениями обмоток;
 изменяющейся проводимостью параллельных цепей обмотки якоря;
 временной и пространственной несимметрией электрических и магнитных
цепей.
Пульсации магнитного потока возникают из-за искажений электромагнитного
поля, неравномерности воздушного зазора между якорем и главными полюсами,
наличия пазов (зубцов), колебания якоря в подшипниках и т.д.
Дефекты узла токосъема, также вызывают пульсации напряжения между щетками и тока якоря. Так, например, выступающие коллекторные пластины или миканит вызывают появление пульсаций при прохождении каждого щеткодержателя.
Частота появления пульсаций при неровности коллектора f нк составит:
(3)
f нк  Kщ  n  N н , Гц.
где n – частота вращения двигателя, об/с, K щ – количество щеткодержателей,
Nн – количество неровностей коллектора.
8
Биение коллектора может вызывать появление пульсаций напряжения с частотой равной:
(4)
f бк  2n  К щ , Гц.
Распайка петушков коллектора может приводить
напряжения с частотой
f рп  n К щ , Гц.
к появлению пульсаций
(5)
Формулы (3-5) не в полной мере отражают физический аспект диагностического теста, поэтому были разработаны необходимые математические модели, позволяющие установить причины появления пульсаций. Поскольку пуск электрической машины, как диагностический тест, является переходным процессом, следовательно, исходным положением для определения его математической модели являются методы исследования переходных процессов, в электрических машинах
предложенные в работах Тостина К., Иоффе А.Б., Ермолина Н.П., Жица М.З., Шапиро О.Н., Захарченко Д.Д, Некрасова О.Н., Овсейчик С.З. и других учёных. При
этом электрическая машина рассматривалась, прежде всего, как электромеханический преобразователь и поэтому не в полной мере учитывалось влияние дефектов и
неисправностей. Поэтому в работе предложена уточнённая математическая модель
пуска электрической машины, позволяющая учитывать, как наличие неисправностей, так и вихревых токов, обусловленных продольной и поперечной реакцией
якоря, пульсациями магнитного потока, обусловленные основной и высшими гармониками. Итоговое влияние дефектов на пульсации напряжения оценивалось по
величине небалансной (нескомпенсированной) ЭДС в коммутируемых секциях
Δе = ек + еt - e р ,
(6)
где ек- коммутирующая ЭДС, обусловленная магнитным полем дополнительных
полюсов; еt - трансформаторная ЭДС, наводимая вследствие нестационарного магнитного поля главных полюсов; ер - реактивная ЭДС, обусловленная индуктивностью и взаимной индуктивностью коммутируемых секции, которая вычислялась
согласно формуле Рихтера-Цорна.
Математическая модель представляет собой систему дифференциальных
уравнений. При её решении методом Рунге-Кутта 4-го порядка производилось моделирование неисправностей, что позволило анализировать графики изменения во
времени тока и угловой скорости вращения якоря, магнитных потоков по поперечной и продольной осям, а также значения реактивной, коммутационной, трансформаторной и нескомпенсированной ЭДС электрической машины.
Характерный вид графиков, характеризующих динамику изменения небалансной ЭДС в процессе диагностического теста, представлен на рисунке 4. Как
следует из графиков, в начальный момент времени реактивная и коммутационная
ЭДС практически равны, а небалансная ЭДС обусловлена в основном трансформаторной ЭДС. При разгоне двигателя (переходе в стационарный режим) трансформаторная ЭДС уменьшается, но расхождение между реактивной и коммутирующей
ЭДС возрастают, что приводит к наличию небалансной ЭДС. При этом даже незначительный сдвиг щёток с нейтрали (6 мм) приводит к тому, что нескомпенсированная ЭДС возрастает почти вдвое выше по отношению к этой же ЭДС исправного двигателя.
9
еr, ek,
et, ∆е, В
er
ek
А)
et
∆e
0,1
0,2
0,3
еr, ek,
et, ∆е, В
0,4
0,5
0,7
0,8
0,9
t, с
0,6
0,7
0,8
0,9
t, с
0,6
0,7
0,8
0,9
t, с
0,6
er
ek
Б)
∆e
et
0,1
0,2
еr, ek,
et, ∆е, В
0,3
0,4
0,5
er
ek
В)
∆e
et
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Рисунок 4 – Графики изменения значений реактивной, коммутационной, трансформаторной и нескомпенсированной ЭДС при пуске исправного ТЭД А), ТЭД со
сдвигом щеток относительно нейтрали на 5 мм Б), ТЭД со сдвигом щеток относительно нейтрали на 10 мм В)
10
Кроме этого, в данном разделе проводилось исследование особенностей магнитного поля в электрических машинах, пульсации которого, в итоге, приводят к
пульсациям напряжения между разнополярными щёткодержателями. Исследования выполнены путём численного решения уравнения Пуассона применительно к
векторному магнитному потенциалу - A. В элементах конструкции электрической
машины магнитное поле создаётся, как за счёт токов, протекающих в обмотках, так
и вихревыми токами, поэтому окончательное уравнение магнитного поля в активном сечении электрической машины было представлено в виде
2 А 
2 А 2 А
А


 2   ( x, y )  ( x, y )
 j ( x, y )  ,
2
t
х
у


(7)
где – 𝜇(𝑥, 𝑦), 𝛾(𝑥, 𝑦), 𝑗(𝑥, 𝑦) – магнитная проницаемость, электропроводность,
плотность тока в обмотках полюсов и якоря, как распределённые функции.
Для решения уравнения (7) автор принимал участие в разработке приложения
“FIELD” (поле), работающего на основе модифицированного метода конечных
разностей, позволяющего учитывать нестационарность процессов коммутации, т.е.
изменения плотностей тока в коммутируемых секциях, изменения взаимного положения якоря относительно неподвижных частей. Кроме этого, приложение позволяет моделировать неисправности, такие как, смещения зоны коммутации относительно нейтрали, асимметрия воздушных зазоров между якорем и полюсами, и
даёт возможность определить параметры магнитного поля в любой точке электрической машины. Приложение используется на кафедре «Электрические машины»
МИИТ. Выборки полученных результатов представлены на рисунках 5, 6.
Оценки пульсаций магнитного поля производились путем анализа распределений индукции в воздушном зазоре. При этом учитывалась нормальное значение
индукции – перпендикулярное дуге, проведённой в центре воздушного зазора.
Ввиду наличия зубцов и пазов на вращающемся якоре, а также из-за зубцов и
пазов компенсационной обмотки магнитная индукция в каждой точке электрической машины пульсирует (рисунок 7).
Дефекты и неисправности также приводят к искажениям магнитного поля,
что представлено на рисунке 8.
Коммутационный процесс во многом определяется значением индукции в
воздушном зазоре под дополнительными полюсам. Для определения типа дефектов, наиболее значимых для этого параметра, производились расчёты магнитного
поля, в ходе которых производилось моделирование неисправностей согласно плану полного факторного эксперимента, представленному в таблице 1.
Таблица 1
Кодирование параметров дефектов ТЭД при полном факторном эксперименте
Факторы
Хmin (-1)
Xmax (+1)
Воздушный зазор
под главным полюсом, мм.
Воздушный зазор под дополнительным полюсом, мм.
Сдвиг щеток
относительно
нейтрали, мм.
Х1
2
6
Х2
6
14
Х3
-6
6
Неравномерное
расположение
главных полюсов
по окружности,
мм.
Х4
-5
5
Выполненные расчеты показали, что наиболее значимым фактором, влияющим на пульсации индукции в воздушном зазоре под дополнительными полюса11
ми, является фактор Х1. Например, при уменьшении воздушного зазора под главным полюсом до 2 мм происходит снижение индукции в воздушном зазоре под дополнительным полюсом до величины, составляющей 71,2 % от соответствующего
значения при исправном состоянии, поскольку в этом случае магнитная цепь главного полюса «шунтирует» магнитную цепь дополнительного полюса. Влияние других дефектов значительно ниже и составляет 5-6%.
Сердечник дополнительного полюса
Обмотка дополнительного полюса
Главный полюс
Распределение индукции в воздушном зазоре
Компенсационная обмотка
Обмотка главного полюса
Обмотка якоря
Остов
Якорь
Вентиляционные каналы
Рисунок 5 – Магнитное поле исправного ТЭД
12
Сердечник дополнительного полюса
Обмотка дополнительного полюса
Главный полюс
Распределение индукции в воздушном зазоре
Компенсационная обмотка
Обмотка главного полюса
Обмотка якоря
Остов
Якорь
Вентиляционные каналы
Рисунок 6 – Магнитное поле ТЭД со сдвигом щеток относительно нейтрали
Ось ДП
В, 1Тл
0,8
1
2
0,6
0,4
0,2
0
-0,2
-0,4
-0,6
-0,8
-1
Полюсное деление
Рисунок 7 - Пульсации магнитной индукции при вращении якоря (1 – нечетное число пазов якоря под главным полюсом, 2 – четное число пазов якоря под
главным полюсом)
13
B,1,2
Тл
1
4
5
0,8
0,6
2
0,4
3
0,2
0
-0,2
0
1
50
100
150
200
250
300
L,мм
Рисунок 8 - Распределение индукции в воздушном зазоре под главным полюсом
1 – Исправный ТЭД; 2 - ТЭД с неравномерным воздушным зазором под главным
полюсом; 3 - ТЭД с пониженной магнитной проницаемостью ферромагнитных
элементов конструкции; 4 - ТЭД с креплением дополнительных полюсов к остову
без второго немагнитного зазора; 5 – ТЭД при неравномерном распределении токов в параллельных ветвях обмотки якоря.
Третья глава посвящена анализу особенностей фильтрации экспериментальных данных и определения значимости их расхождений у исправных и неисправных электрических машин, используя статистические критерии (F- критерий и tкритерий) и вероятностные характеристики.
Выборки осциллограмм, характеризующих диагностические параметры, и, в
том числе, пульсации напряжения между щётками у исправных и неисправных
электрических машин, представлен на рисунках 9-13. Установлено, что мгновенные значения пульсаций напряжения между щётками распределены по нормальному закону, а дисперсии могут существенно различаться в зависимости от наличия и
характера неисправностей.
Так, у исправных и неисправных электрических машин малой мощности
(ДМК1) различие осциллограмм пульсаций напряжения между щётками на 95%
носит неслучайный характер, а зависит от дефекта двигателя. У тягового электродвигателя НБ-418К6 аналогичная вероятность меньше и составила 76%.
На основании этого можно утверждать, что наличие неисправностей можно
определять путем вероятностного и статистического анализа результатов диагностического теста. В особенности это приемлемо для электрических машин малой
мощности. Применительно к тяговым электрическим машинам статистический
анализ результатов теста также необходим, но этого недостаточно, поскольку процесс пульсаций не является стационарным эргодическим процессом. Тем не менее,
результаты статистического анализа можно охарактеризовать в виде избыточной
информации результатов диагностического теста, а это является одним из необходимых условий диагностирования технических объектов, поэтому результаты его
анализа представляют практический интерес.
14
19
U, B
I, A
14
14
9
9
4
4
-1 0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
t, c
-6
Рисунок 9 - Осциллограммы переменной составляющей напряжения на щетках разной полярности и тока исправного двигателя ДМК – 1, полученные при его пуске
Рисунок 10 - Осциллограммы переменной составляющей напряжения на щетках
разной полярности и тока двигателя ДМК– 1 со сдвигом щеток относительно
нейтрали, полученные при его пуске
Uщ,
1,5В
0,5
-0,5 0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
t, c
-1,5
Рисунок 11 - Осциллограмма переменной составляющей напряжения, полученной
со щеток различной полярности исправного ТЭД НБ-418К6
4В
Uщ,
2
0
-2 0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
t, c
-4
Рисунок 12 - Осциллограмма переменной составляющей напряжения, полученной
со щеток различной полярности неисправного ТЭД НБ-418К6 (сдвиг щеток с
нейтрали на 9 мм.)
Uщ,
1,5В
0,5
-0,5 0
0,01
0,02
0,03
0,04
-1,5
0,05
0,06
t, c
Рисунок 13 - Осциллограмма переменной составляющей напряжения, полученной
со щеток различной полярности неисправного ТЭД НБ-418К6 (неровность коллектора)
15
Четвертая глава посвящена методам идентификации дефектов электрических машин на основе спектрального, корреляционного анализа и вейвлетпреобразования.
Применение преобразования Фурье применительно к осциллограммам пульсации напряжения между щётками у исправных и неисправных электрических машин показало на их очевидное различие, в особенности по амплитудам пульсаций
(рисунок 14, 15) . Частота пульсаций, на которых наблюдаются максимальные значения, зависит и от типа электрической машины.
0,18
А,
В
0,16
0,14
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
4846
4626
4405
4185
3965
3744
3524
3304
3084
2863
2643
2423
2203
1982
1762
1542
1322
1101
881
661
441
220
0
0
f, Гц
Рисунок 14 - Спектрограмма переменной составляющей напряжения на щетках различной полярности исправного ТЭД НБ-418К6
А,0,4
В
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
4846
4626
4405
4185
3965
3744
3524
3304
3084
2863
2643
2423
2203
1982
1762
1542
1322
1101
881
661
441
220
0
0
f, Гц
Рисунок 15 - Спектрограмма переменной составляющей напряжения на щетках различной полярности неисправного ТЭД НБ-418К6
Например, для ТЭД НБ-418К6 на спектрах выделяются частоты кратные
fкп=646 Гц. Эта частота соответствует частоте коммутации проводников паза якоря.
fкп=
N
n , Гц,
2p
16
(12)
где N=696 количество проводников якоря, 2p=6 количество полюсов (количество одновременно коммутируемых проводников якоря), n=5,57 об/с – частота
вращения якоря.
Для характеристики динамики изменения диагностических сигналов во
времени проведен автокорреляционный анализ. Автокорреляционные функции
сигналов напряжения исправных и неисправных тяговых электродвигателей при
работе в стационарном режиме периодичны, но во всех случаях наличие
неисправностей снижает автокорреляцию при 𝑡 → ∞.
Однако попытка идентифицировать дефекты по спектрограммам или по автокорреляционным функциям может оказаться затруднительной, поскольку рассматриваемые в работе диагностические функции не являются стационарными, и не обладают эргодичностью. Этот факт неоднократно подтверждался на осциллограммах пульсаций напряжения определённого между разнополярными щетками ТЭД
НБ-418К6, полученных при проведении диагностического теста (рисунки 16, 17).
Из рисунка 16 («механический» дефект) следует, что амплитуда пульсаций напряжения, полученного со щеток различной полярности больше в зоне высокой скорости вращения (II область) и меньше при низкой скорости вращения двигателя (I область). Из рисунка 17 (электромагнитный дефект) видна обратная картина: амплитуда пульсаций напряжения на коллекторе меньше в зоне высокой скорости вращения и больше при низкой скорости вращения двигателя. Применение дисперсионного анализа для сравнения дисперсий пульсаций I и II области показывает на их
значимое различие с вероятностью более 95 %.
I область
1,5В
U,
II область
1
0,5
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
t, c
1,4
-0,5
-1
Рисунок
16 - Переменная составляющая напряжения, полученного со щеток различной полярности U~ при пуске неисправного тягового электродвигателя
НБ-418К6 («механический» дефект) на холостом ходу
U,
2,5В
2
1,5
1
0,5
0
-0,5 0
-1
-1,5
-2
-2,5
-3
I область
0,2
II область
0,4
0,6
0,8
1
1,2
t, c
1,4
Рисунок 17 - Переменная составляющая напряжения, полученного со щеток различной полярности U~ при пуске неисправного тягового электродвигателя
НБ-418К6 (сдвиг щеток относительно нейтрали) на холостом ходу
Данный факт позволяет проводить разделение дефектов тягового электродвигателя на «механические» и «электромагнитные» используя методы вейвлет преобразований. В работе использован вейвлет «мексиканская шляпа», формула
которого имеет вид:
17
𝑊 (𝑎, 𝑏, 𝑡 ) =
Т
∫0 {𝑈~ (𝑡)|𝑎|−1⁄2
[𝑒
1 𝑡−𝑏 2
)
2 𝑎
− (
− 0,5𝑒
1 𝑡−𝑏 2
)
8 𝑎
− (
]} 𝑑𝑡
(13)
где: t – время; b – величина смещения вейвлета по оси времени; a – масштаб
(величина растяжения вейвлета); Т-длительность теста; 𝑈~ (𝑡) – исследуемый сигнал.
На рисунках 18, 19 показаны вейвлет-преобразования пульсаций напряжения
между щётками. По горизонтальной оси отложена величина смещения, а по вертикальной – масштаб (частота). Серая шкала имеет 256 уровней. Черный цвет соответствует минимальному значению, которое принимают вейвлет-коэффициенты,
белый - максимальному. Промежуточные значения соответствуют оттенкам серого
различной интенсивности. На спектре отчетливо различаются несколько компонентов сигнала. В верхней части видны колебания интенсивности, вызванные высокочастотной составляющей сигнала, в то время как низкочастотная компонента
образует различимую структуру в средней части спектра. Визуальная оценка состояния электрической машины по виду вейвлет-преобразования субъективна, поэтому для количественной оценки результатов предложено использовать диагностические коэффициенты
𝐾𝐼 = ∑𝑁
0 𝐼 (𝑡 )𝑊 (𝑎, 𝑏, 𝑡 ),
(14)
𝐾𝑉 = ∑𝑁
0 𝜔 (𝑡 )𝑊 (𝑎, 𝑏, 𝑡 ),
(15)
где 𝐼(𝑡 ), 𝜔(𝑡 ) – мгновенные значения тока и частоты вращения якоря, соответственно; N-количество отсчётов сигнала за период Т.
Первый из них - КI «усиливает» значения вейвлет преобразований, определённые в первой области, т.е когда в процессе пуска ток якоря имеет наибольшие
значения, а небалансные ЭДС в коммутируемых секциях могут достигать значительной величины. Поэтому этот коэффициент характеризует наличие электромагнитных дефектов.
Второй диагностический коэффициент КV зависит от скорости. Поэтому он
характеризует в основном наличие механических дефектов, которые проявляются
во второй области, когда частота вращения якоря стремится к максимальному
установившемуся значению.
Используя результаты диагностических тестов на исправных и неисправных
тяговых электродвигателях НБ-418К6 (140 опытов) установлено, что они случайны
и распределены по нормальному закону, что подтверждает проверка их распределений по критерию согласия χ2 – рисунки 20, 21. При этом важно отметить, что чисто электромагнитные дефекты изменяют только коэффициент KI, а значения КV
при этом практически не изменяются, и наоборот при наличии только механических дефектов КV изменяется, но KI изменяется незначительно. При диагностировании электрической машины данным методом возможна ошибка в разделении дефектов, однако вероятность таких ошибок незначительна: при механическом типе
дефекта не превышает 7,5 %, при электромагнитном типе дефекта не превышает
10%.
Из этого следует, что значения диагностических коэффициентов КI и КV являются критерием, позволяющим установить наличие неисправностей электрических машин и, кроме того, произвести их идентификацию.
18
0
8
16
Масштаб
24
32
40
48
56
0
t, c
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
64
Рисунок 18 - Массив значений вейвлет-преобразования 𝑊 (𝑎, 𝑏, 𝑡 ) сигнала
напряжения на щётках исправного ТЭД НБ-418К6 (частота дискретизации 0,1 мс)
0
8
16
Масштаб
24
32
40
48
56
0
t, c
0,01
0,02
0,03
0,04
19
0,05
0,06
64
Рисунок 19 - Массив значений вейвлет-преобразования 𝑊 (𝑎, 𝑏, 𝑡 ) сигнала
напряжения на щётках неисправного ТЭД НБ-418К6 (частота дискретизации 0,1
мс)
q(КI),
1/(В·A)
исправное состояние
электромагнитный дефект
950
900
850
800
750
700
650
600
550
500
450
400
350
300
0.005
0.0045
0.004
0.0035
0.003
0.0025
0.002
0.0015
0.001
0.0005
0
КI, В·А
Рисунок 20 - Графики и гистограммы плотности вероятности распределения диагностического коэффициента КI исправных и неисправных ТЭД НБ-418К6
q(КV),
1/(В·рад/с)
исправное состояние
механические дефекты
0.006
0.005
0.004
0.003
0.002
0.001
КV, В·рад/с
1600
1550
1500
1450
1400
1350
1300
1250
1200
1150
1100
1050
1000
950
900
850
800
750
0
Рисунок 21 – Графики и гистограммы плотности вероятности распределения диагностического коэффициента КV исправных и неисправных ТЭД НБ-418К6
Пятая глава посвящена разработке функциональных схем, алгоритмов работы и описанию устройства созданных технических средств по определению вида
дефекта двигателя.
Проведенные исследования привели к созданию контрольно-измерительного
комплекса (КИК) по определению дефектов приводящих к искрению.
В измерительную часть КИК входят следующие основные элементы и блоки:
 персональный компьютер;
 плата АЦП – ЦАП Е-440;
 датчик напряжения ДНХ 600;
 датчик тока ДТХ 300;
 тахогенератор;
 блок питания ДТХ и ДНХ;
20
 соединительные провода.
Схема стенда приведена на рисунке 22.
- 75 В
+
ПК
~220 В
VD1
К1
VD2
ДТ
VD3
К
+
-
ЦАП
Блок
питания с
датчиком
напряжения
R
Т2
АЦП
┴
Выходной сигнал
~380 В
ω
ОВ
VD7
Блок
управления
тиристором
VD4
VD5
VD6
VT
Рисунок 22 - Схема контрольно-измерительного комплекса для получения осциллограмм тока, напряжения и скорости при пуске двигателя
Программное обеспечение комплекса выполнено на языке Delphi с применением объектно-ориентированного программирования.
Также в пятой главе проведен расчет экономической эффективности от внедрения контрольно-измерительной системы, по определению типа дефектов. Положительный эффект от внедрения комплекса в локомотивном депо Чита складывается из снижения случаев неплановых ремонтов и сокращения времени на поиск
причины и устранение дефектов двигателя, вызывающих неудовлетворительное
качество коммутации ТЭД во время его испытаний.
Расчетный срок окупаемости от внедрения разработанного комплекса для депо ст. Чита-1 составил 1,24 года.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
В результате анализа отказов тяговых электродвигателей в эксплуатационных
условиях, причин их появления и проведённых исследований установлено:
1. Отказы тяговых электродвигателей по причине нарушения коммутации составляют около 20%, причём наиболее вероятная причина их появления недостаточное качество ремонта и отсутствие необходимых диагностических
средств и методик.
2. Причины отказов ТЭД обусловлены в основном дефектами электромагнитного и механического характера. При этом наибольшую долю составляют
дефекты электромагнитного характера, что в основном вызвано неточностью
установки нейтрали, асимметрией магнитной цепи, неравномерностью воздушных зазоров главных и дополнительных полюсов. Дефекты механического характера обусловлены нарушением требуемых сил нажатия на щётки,
неровностями и овальностью коллектора и др.
21
3. Дефекты электромагнитного и механического характера целесообразно
идентифицировать во время проведения ремонта в условиях депо, путем диагностического теста, заключающегося в пуске тягового электродвигателя на
холостом ходу при пониженном напряжении и при независимом возбуждении.
4. У исправных и неисправных тяговых электродвигателей на разнополярных
щёткодержателях возникают пульсации напряжения. Максимумы спектра
пульсаций напряжения наблюдаются на частотах, соответствующих зубцам
якоря и компенсационной обмотки, межламельным расстояниям, овальностям и неровностям коллектора, нарушениям центровки якоря, разрушениям
якорных подшипников и др.
5. Численное моделирование магнитного поля тягового электродвигателя позволило установить, что наиболее значимым фактором, влияющим на характер распределения индукции под полюсами и в зоне коммутации, являются
неравномерности воздушного зазора, что и приводит в итоге к появлению
пульсаций напряжения на разнополярных щётках.
6. Процесс пульсации напряжений на разнополярных щётках является случайным, в особенности в условиях массового производства (ремонта). Сравнение процесса пульсаций у исправных и неисправных электрических машин,
в том числе у тяговых электродвигателей, с помощью известных статистических критериев показывает на его значимое различие. У неисправных
электрических машин дисперсия процесса пульсаций значительно выше.
7. Корреляционные и спектральные характеристики процесса пульсаций также
существенно отличаются у исправных и неисправных электрических машин
и тяговых электродвигателей.
8. Анализ осциллограмм пульсаций напряжения, полученного после проведения теста, показывает, что характеристики пульсаций напряжения во время
разгона якоря и в установившемся режиме имеют различие. При этом дефекты электромагнитного и механического характера различным образом влияют на появление пульсаций. Вследствие этого процесс пульсаций напряжения не является эргодическим и поэтому статистический, корреляционный и
спектральный анализ процесса пульсаций является необходимым, но недостаточным.
9. В качестве специального метода обработки сигналов пульсации напряжения,
как диагностической информации, целесообразно использовать методы
вейвлет-анализа. При этом достаточно использовать преобразование типа
«сомбреро». Используя указанное преобразование, определяются соответствующие диагностические коэффициенты, указывающие не только на
наличие дефектов, но и позволяющие их разделять на дефекты электромагнитного и механического характера.
10. Результатом работы также является разработка программно-технического
комплекса для проведения диагностического теста в соответствии с разработанной методикой.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
Научные публикации по теме диссертации в изданиях, рекомендованных
ВАК РФ
22
1. Ларченко А.В. Методика и контрольно-измерительный комплекс для
определения дефектов тяговых электродвигателей НБ-418К6./ Журнал «Транспорт
Урала». № 3, 2008. С. 69-72.
2. Ларченко А.В. Определение типа дефекта ТЭД, влияющего на коммутацию двигателя./ Журнал «Естественные и технические науки» №2, 2008. С. 515519.
3. Ларченко А.В. Определение типа дефектов коллекторных тяговых электродвигателей электроподвижного состава. Журнал «Электроника и электрооборудование транспорта», №2-3, 2009. С. 41-43.
Другие научные публикации по теме диссертации
1. Ларченко А.В. Применение вейвлет-анализа к обработке сигналов полученных при пуске двигателя. Молодежь Забайкалья: дорога в будущее: Материалы
IX международной молодежной научно-практической конференции, Чита, 20-21
апреля 2005 г. Ч. 2. – Тез. Докл. – Чита: ЗабИЖТ, 2005. – Ч. 2. С 242-245.
2. Шойванов Ю.Р., Луконин А.А., Ларченко А.В. Методы контроля изоляции
тяговых электродвигателей./ Проблемы модернизации инфраструктуры Транссибирской магистрали: Сборник научных трудов. – Чита: ЗабИЖТ, 2005. С. 182-187.
3. Ларченко А.В. Использование пульсаций кривых тока и напряжения, полученных при пуске двигателя для его диагностики. Молодежь Забайкалья: культура здоровья – здоровое общество: Материалы X международной молодежной
научно-практической конференции, Чита, 13-14 апреля 2006 г. Ч. 2. – Тез. Докл. –
Чита: ИИЦ ЧГМА, 2006. С. 116-119.
4. Ларченко А.В., Кучеров С.В. Алгоритм реализации снятия кривых I, U, V
с помощью контрольно-измерительной системы. Проблемы и перспективы развития Транссибирской магистрали в XXI веке: труды всероссийской научнопрактической конференции ученых транспорта, вузов, НИИ, инженерных работников и представителей академической науки, Чита, 22-24 ноября 2006 г. Ч. 1. – Чита:
ЗабИЖТ, 2006. – Ч.1. – С. 267-270.
5. Ларченко А.В., Шойванов Ю.Р. Контрольно-измерительная система для
получения кривых тока, напряжения и скорости. Проблемы и перспективы развития Транссибирской магистрали в XXI веке: труды всероссийской научнопрактической конференции ученых транспорта, вузов, НИИ, инженерных работников и представителей академической науки, Чита, 22-24 ноября 2006 г. Ч. 1. – Чита:
ЗабИЖТ, 2006. – Ч.1. – С. 270-275.
6. Ларченко А.В. О результатах экспериментов с двигателями ДМК-1 имеющих неудовлетворительную коммутацию./ Научно-техническое и экономическое
сотрудничество стран АТР в XXI веке. Труды Пятой международной научной конференции творческой молодежи 17-19 апреля 2007. Том 2. Хабаровск: Изд-во
ДВГУПС, 2007. С 67-69.
7. Ларченко А.В., Овсейчик С.З. Методика определения причин неудовлетворительной коммутации./ Научно-техническое и экономическое сотрудничество
стран АТР в XXI веке. Труды Пятой международной научной конференции творческой молодежи 17-19 апреля 2007. Том 2. Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2007. С 6972.
8. Ларченко А.В. Влияние дефектов электродвигателей на пульсации напряжения./ Вестник института тяги и подвижного состава: труды 45-й Международной
научно-практической конференции ученых транспорта вузов, инженерных работ23
ников и представителей академической науки 7-9 ноября 2007 г. – Хабаровск: Издво ДВГУПС, 2007. С 205-207.
9. Ларченко А.В. Алгоритм выполнения вейвлет-преобразования осциллограмм напряжения полученных с разнополярных щеток при пуске ТЭД./ Ресурсосберегающие технологии на транспорте и в промышленности: сборник научных
трудов, ЗабИЖТ, г. Чита, 2007. С. 115-120.
10. Ларченко А.В. Математическая модель ТЭД для определения нескомпенсированной ЭДС в коммутируемых секциях./ Молодежь Забайкалья: перспектива
развития края: материалы XII международной молодежной научно-практической
конференции, г. Чита, 10-11 апреля 2008 г. – Ч. II. – тез. докл. – Чита: ЗабИЖТ,
2008. С. 232-236.
11. Ларченко А.В. О диагностировании тяговых электродвигателей электровозов./ Развитие транспортной инфраструктуры – основа роста экономики Забайкальского края. Материалы международной научно-практической конференции, г.
Чита, 1-4 октября 2008 г. Т. I. – Чита: ЗабИЖТ, 2008. С. 170-174.
12. Ларченко А.В. Определение значимости влияния дефектов тягового электрического двигателя на значение коммутационной ЭДС. Управление, эксплуатация и ремонт железнодорожных агрегатов: межвузовский сборник научных трудов/
под. ред. Д.В. Железнова; сост. С.З. Овсейчик. – Чита: ЗабИЖТ, 2009. С. 112-119.
Личный вклад автора. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат: в работе [2] - обоснование целесообразности диагностики тяговых электрических машин; в работе [4]-разработка алгоритма; в работе [5]-обоснование принципиальных электрических схем; в работе [7]- обоснование способов обработки
диагностических сигналов.
Ларченко
Алексей Владимирович
МЕТОДЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ ДЕФЕКТОВ ЩЕТОЧНОКОЛЛЕКТОРНОГО УЗЛА И МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
МАШИН
Специальность 05.09.01 –
«Электромеханика и электрические аппараты»
____________________________________________________________________
Подписано к печати ___________________
Формат бумаги 60х84/16
Объем 1,5 п.л.
Заказ №______ Тираж 80 экз.
____________________________________________________________________
24
УПЦ ГИ МИИТ 127994, Москва, ул. Образцова, д.9, стр. 9.
25