Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор методов и средств контроля износа и температуры щеток электрических машин 21
1.2 Методы и средства контроля износа щеток электрических машин 28
1.2.1 Методы и средства контроля износа щеток электрических машин, основанные на использовании электрических датчиков 28
1.2.2. Методы и средства контроля износа щеток электрических машин, основанные на использовании волоконно-оптических технологий 33
1.3 Методы и средства контроля температуры щеток электрических машин... 36
1.3.2 Контактные методы и средства контроля температуры щеток электрических машин с использованием электрических датчиков 39
1.3.3 Контактные методыи средства контроля температуры щеток электрических машин с использованием волоконно-оптических световодов 41
1.5 Цель исследования и основные задачи, решаемые в диссертации 48
ГЛАВА 2 Математическое моделирование внутриволоконных брэгговских структур в задачах измерения износа щеток электрических машин 51
2.1 ВБР с гауссовым профилем отражения 51
2.1.1 Исходные данные для построения модели 51 з 53
2.2 ВБР с фазовым к - сдвигом 58
2.2.1 Исходные данные для построения модели 58
2.3 Внутриволоконный интерферометр Фабри-Перо с брэгговскими зеркалами 65
2.3.1 Исходные данные для построения модели 65
!з нГГХо гг: огоИФПвзадачах 66
2.3.3 Исследование профиля спектра отражения внутриволоконного ИФП при изменении его длины с использованием разработанной модели 7 1
2.4.1 Исходные данные для построения модели 71
2.4.3 Исследование профиля спектра отражения массива однотипных ВБР
при изменении его длины с использованием разработанной модели 73 "Z z ::z-m moB. 75
2.6 Выводы по главе 77
ГЛАВА 3 Исследование теплового режима щетки электрической машины при изготовлении и эксплуатации с использованием
3.1 Математическое моделирование внутриволоконных брэгговских структур
в задачах измерения температуры щеток электрической машины 79
3.2 Структурная схема волоконно-оптического датчика для контроля температуры щеток электрических машин во время испытаний по ГОСТ 84
3.4 Разработка методики минимизации количества используемых
3.4.2 Алгоритм для минимизации количества используемых ВОД 102
ГЛАВА 4 Разработка практических рекомендаций по построению мультипликативных волоконно-оптических датчиков контроля износа и температуры щеток электрических машин 108
4.1 Методы и средства опроса мультипликативных волоконно-оптических датчиков износа и температуры щеток электрических машин 108
4.3 Экспериментальное исследование мультипликативного Z - .m "mw. 115
4.3.2 Методика проведения экспериментального исследования 117
4.3.4 Выводы по разделу 122
4.4 Практические рекомендации по встраиванию МВОД в тело щетки 122
4.4.1 Конструкция щетки с размещенным в ней МВОД 122
4.4.3 Выбор оптического волокна 125
4.4.4 Запись волоконных брэгговских структур 129
4.4.5 Выводы по разделу 131
4.5 Единая бортовая сеть мультиплексированных МВОД карьерного самовала «БЕЛАЗ. Общие вопросы построения сенсорных сетей 132
Заключение 137
Приложение
- Методы и средства контроля температуры щеток электрических машин...
- Исходные данные для построения модели 51
- Структурная схема волоконно-оптического датчика для контроля температуры щеток электрических машин во время испытаний по ГОСТ
- Практические рекомендации по встраиванию МВОД в тело щетки
Введение к работе
Актуальность. Волоконно-оптические измерения сегодня - это бурно развивающаяся отрасль, открывающая перед собой все новые горизонты, как по расширению сфер применения, так и по перечню измеряемых с помощью волоконно-оптических средств параметров. Освоено производство точечных волоконно-оптических датчиков температуры, давления, вибрации, деформации, в том числе и мультипликативных, чувствительными элементами которых являются волоконные брэгговские решетки или структуры на их основе. Основные достоинства волоконно-оптических датчиков по сравнению с традиционными электрическими это малые габариты и вес, невосприимчивость к электрическим и магнитным полям (так как чувствительный элемент является диэлектриком), простота исполнения (чаще всего чувствительный элемент является частью волоконно-оптического световода), возможность мультиплексирования большого количества волоконно-оптических датчиков и построения измерительных сетей на их основе.
Одна из новых областей применения волоконно-оптических датчиков -мониторинг состояния электрических машин в частности, наибольший интерес представляют тяговые электродвигатели как машины предельного использования, среди которых популярны коллекторные электродвигатели постоянного тока, применяющиеся в 60% ассортимента продукции ОАО «БЕЛАЗ» (категория «карьерные самосвалы») и в 40% парка локомотивов ОАО «РЖД». Основной процент их отказов приходится на якорь (34%) и на щеточно-коллекторный узел (30%), что связано не только с высокими механическими, температурными и электрическими нагрузками, но и с недостаточным контролем рабочих параметров этих узлов (в частности, температуры щетки и ее износа) в процессе эксплуатации.
Исследованиям волоконно-оптических сенсорных технологий посвящены труды российских ученых О.Б. Витрика, С.А. Бабина, С.А. Васильева, А.С. Куркова, И.О. Медведкова, В. А. Бурдина, А.В. Бур дина, А.Х. Султанова, И. Л. Виноградовой, О.Е. Нания, О.В. Иванова, М.В. Дашкова и др., ведущих исследований в НЦВО РАН, ИРЭ РАН, ДВФУ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, УГАТУ. Известны разработки зарубежных ученых, в том числе Е. Udd, I. Bennion, X. Dong, G. Gagliardi и других. Практические разработки фирм Micron Optics, FiberSensing, Инверсия-Сенсор, Нева Технолоджи и др. применяются для построения волоконно-оптических сенсорных сетей и систем различного назначения.
В работах указанных авторов и фирм широко описаны волоконно-оптические датчики на основе волоконных брэгговских структур в задачах измерения температуры, методы и средства их опроса (как с использованием
спектрометрических, так и радиофотонных методов), однако до настоящего времени в теории волоконно-оптических датчиков для осуществления измерений не применялись зависимости спектральных характеристик контура отражения от длины волоконной брэгговской структуры. Указанные зависимости могут быть использованы для построения волоконно-оптического датчика износа, а в совокупности с существующей теорией волоконно-оптических датчиков температуры - для создания мультипликативного датчика, позволяющего осуществлять одновременное измерение как износа, так и температуры щетки электрической машины не только на этапе ее эксплуатации, но и при проектировании, изготовлении опытных образцов и их испытании по межгосударственным стандартам.
Другим немаловажным аспектом является усовершенствование систем для оперативного контроля комплексного состояния электрических машин (теплового режима работы его узлов и износа щеток как в текущий момент, так и прогнозирование, с использованием полученных за все время измерения данных). Существующие методы и средства позволяют оперировать лишь небольшим объемом информации с датчиков, что делает данные системы ограниченными по функциональности и мало точными. Расширение перечня контролируемых параметров, особенно в узлах электрических машин, работающих под высокими механическими, температурными и электрическими нагрузками, позволит повысить надежность, безопасность и экономическую эффективность их эксплуатации.
Указанные обстоятельства определяют актуальность темы и научно-технической задачи исследования, а именно, разработки методов и средств для одновременного измерения нескольких параметров (износа и температуры щеток электрических машин), в основу которых положен мультипликативный характер отклика волоконных брэгговских структур.
Представляемая диссертационная работа посвящена решению этой проблемы. Тематика и содержание работы соответствуют планам научных исследований, являющихся составной частью работ в рамках Постановления Правительства РФ №218 от 09.04.2010 г., ряда федеральных целевых и научно-технических программ, государственного задания и инициативных договоров, выполняемых кафедрой радиофотоники и микроволновых технологий и НИИ прикладной электродинамики, фотоники и живых систем КНИТУ-КАИ.
Объект исследования: методы и средства контроля износа и температуры щеток электрических машин.
Предметом исследования являются мультипликативные волоконно-оптические датчики износа и температуры щеток электрических машин.
Цель настоящей работы состоит в решении важной научно-технической задачи - улучшении метрологических и технико-экономических характеристик мультипликативных волоконно-оптических датчиков контроля износа и температуры щеток электрических машин на основе использования в них в качестве чувствительного элемента волоконных брэгговских структур.
Научная задача диссертации состоит в разработке методов анализа и принципов построения мультипликативных волоконно-оптических датчиков износа и температуры щеток электрических машин, использующих в качестве чувствительного элемента волоконные брэгговские структуры, с учетом необходимости одновременного измерения износа и температуры щетки, как функции изменения физической длины выбранной структуры и ее брэгговской длины волны соответственно.
Основные направления исследований
-
Сравнительный анализ характеристик существующих методов и средств контроля износа и температуры щеток электрических машин. Выявление путей улучшения их метрологических и технико-экономических характеристик, основанных на использовании в них мультипликативных волоконно-оптических датчиков, чувствительными элементами которых являются волоконные брэгговские структуры.
-
Разработка математической модели процесса контроля износа щетки электрической машины по изменению длины встроенной в нее волоконной брэгговской структуры. Проведение численных экспериментов и построение характеристик измерительного преобразования «износ - длина брэгговской структуры». Разработка структурных схем волоконно-оптических датчиков контроля износа щеток электрических машин для решения различных ситуационных задач.
-
Разработка математической модели процесса контроля температуры щетки электрической машины по изменению брэгговской длины волны встроенной в нее волоконной брэгговской структуры. Проведение численных экспериментов и построение характеристик измерительного преобразования «температура - брэгговская длина волны». Разработка структурных схем волоконно-оптических датчиков контроля температуры щеток электрических машин для различных ситуационных задач и методик минимизации количества используемых в них волоконных брэгговских структур
-
Разработка практических рекомендаций по построению мультипликативных волоконно-оптических датчиков контроля износа и температуры щеток электрических машин, включая вопросы их проектирования, разработки конструкции и изготовления, а также создания методов и средств для одновременной обработки информации об износе и температуре. Проведение эксперимен-
тальных исследований для подтверждения полученных теоретических результатов и разработка опытного образца щетки тягового электродвигателя мотор-колеса карьерного самосвала «БЕЛАЗ», с включением его в единую бортовую волоконно-оптическую сенсорную сеть. Внедрение результатов и определение перспектив исследований.
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов
При выполнении диссертационной работы применялись методы решения задач математической физики, оптомеханики волоконных световодов и брэг-говских структур, теории связанных мод, а также метод электротепловой аналогии для моделирования температурных полей твердого тела и метод сравнения мощностей для определения износа и температуры.
Обоснованность и достоверность результатов определяются использованием известных положений фундаментальных наук, корректностью используемых математических моделей и их адекватностью реальным физическим процессам; совпадением теоретических результатов с данными экспериментов и результатами исследований других авторов, а также с результатами экспериментального исследования созданных устройств; экспертизами ФИПС с признанием ряда технических решений изобретениями и полезными моделями, защищенными патентами РФ.
Научная новизна
-
Выявлены пути улучшения метрологических и технико-экономических характеристик мультипликативных волоконно-оптических датчиков износа и температуры щеток электрических машин. Впервые предложено для их контроля использовать волоконные брэгговские структуры, позволяющие одновременно измерять износ и температуру щетки, как функции изменения физической длины выбранной структуры и ее брэгговской длины волны соответственно.
-
Разработаны математические модели процесса контроля износа щетки электрической машины по изменению длины встроенной в нее волоконной брэгговской структуры. Получены результаты численных экспериментов и построены характеристики измерительного преобразования «износ - длина брэгговской структуры». На их основе разработаны структурные схемы волоконно-оптических датчиков контроля износа щеток электрических машин для решения различных ситуационных задач.
-
Разработаны математические модели процесса контроля температуры щетки электрической машины по изменению брэгговской длины волны встроенной в нее волоконной брэгговской структуры. Получены результаты численных экспериментов и построены характеристики измерительного преобразования «температура - брэгговская длина волны». На их основе разработаны
структурные схемы волоконно-оптических датчиков контроля температуры щеток электрических машин для различных ситуационных задач. Предложены методики минимизации количества используемых в них волоконных брэггов-ских структур.
4. Разработаны способы обработки информации с мультипликативного волоконно-оптического датчика, с учетом необходимости одновременного контроля износа и температуры щеток электрических машин, основанные на методе сравнения мощностей. Предложена структурная схема единой бортовой волоконно-оптической сенсорной сети для контроля износа и температуры щеток тяговых электродвигателей мотор-колес карьерных самосвалов «БЕЛАЗ».
Новизна полученных технических решений подтверждена патентами РФ на изобретение и полезные модели.
Практическая ценность работы заключается в разработке на основе впервые полученных технических решений модельного ряда мультипликативных волоконно-оптических датчиков износа и температуры щеток электрических машин, опытного образца щетки со встроенным волоконно-оптическим датчиком для тяговых электродвигателей мотор-колес карьерного самосвала «БЕЛАЗ», устройств для сбора и обработки информации с датчиков. Разработанные датчики позволяют в 5 раз увеличить точность определения износа, в 1,2 раза - температуры.
Реализация и внедрение результатов работы представлены в рамках выполнения НИР и НИОКР КНИТУ-КАИ, в частности в рамках работ по Постановлению Правительства РФ от 09.04.2010 №218 (договор №9932/17/07-К-12), договору №102-ПТ и №157814970001 с ДООО «ИРЗ ТЭК», проектной части государственного задания Минобрнауки РФ на выполнение НИР в КНИТУ-КАИ на 2014-2016 годы (программа «Радиофотоника», 3.1962.2014/К), а также в учебном процессе КНИТУ-КАИ по направлению «Радиотехника», что подтверждено соответствующими актами внедрения.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 48-й Всероссийской научной студенческой конференции «Россия. Культура. Наука» (г. Чебоксары, 2014 г.), IX Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике (ИТЭЭ - 2014)» (г. Чебоксары, 2014 г.), Международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Прикладная электродинамика, фотоника и живые системы» (г. Казань, 2015 г.), XIII Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Казань, 2015 г.), XVI Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» и XII Международной научно-технической
конференции «Оптические технологии в телекоммуникациях» (г. Уфа, 2015 г.), молодежной научно-технической конференции «Прикладная электродинамика, фотоника и живые системы - 2016» (г. Казань, 2016 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 23 научные работы, в том числе 3 статьи в журналах, включенных в перечень ВАК по специальности 05.11.13, 5 статей в изданиях, цитируемых в базах данных Scopus и Web of Science, 3 патента РФ, 3 статьи в журналах, включенных в перечень ВАК по смежным специальностям, 9 работ в реферируемых трудах и сборниках докладов международных конференций. Автор имеет одну единоличную публикацию в журнале, включенном в перечень ВАК по специальности 05.11.13. Кроме того, в настоящее время в ФИПС рассматриваются 4 заявки на патенты РФ, одна из которых получила положительное решение на выдачу патента РФ на полезную модель.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 136 наименований, и приложения. Работа без приложения изложена на 152 страницах машинописного текста, включая 88 рисунков и 11 таблиц.
Методы и средства контроля температуры щеток электрических машин...
Рассмотрим подробнее конструкцию и принцип работы индикатора. На рис. 1.8а изображена щетка 4 со специальной проточкой 6, а также плата индикатора 13 с выносным контактом 5, размещенная на щеткодержателе 3 электрически изолированно от него. Высота проточки и расположение выносного контакта подобраны таким образом, что в исходном состоянии, когда щетка не изношена (рис. 1.86) они не имеют электрического контакта между собой. По мере износа, щетка опускается по направляющей щеткодержателя 3 по направлению к выносному контакту и в момент достижения требуемого предельного значения износа щетки (рис. 1.8в) происходит замыкание верхнего края проточки 9 (рис. 1.8г) и выносного контакта на который поступает напряжение с щетки, что сигнализируется индикатором 2.
Описанные технические решения просты и достаточно надежны в эксплуатации, однако имеют ряд существенных недостатков: - применение электрических проводников для сигнализации величины износа связано с риском попадания на них высокого (величина может достигать порядка киловольт) напряжения ЩКУ, что может привести к выходу из строя измерительной аппаратуры (без соответствующей гальванической развязки и схем защиты); - измерения имеют пороговый характер, т.е. сигнализируется только сам момент достижения износа предельного значения; - затруднена реализация многоуровневой системы индикации, подразумевающей контроль нескольких предельных величин износа, это связано с тем, что требуется размещение в теле щетки множества (пропорционально количеству контролируемых уровней) электрических проводников, имеющих существенный диаметр, что нарушает целостность щетки, и негативно сказывается на ресурсе ее работы. - высокий уровень электромагнитных полей в ТЭД накладывает дополнительные требования по электромагнитной совместимости измерительной аппаратуры. Большинство указанных недостатков могут быть устранены путем замены электрических проводников волоконно-оптическими световодами, изготовленными из диэлектрика и имеющими малый размер (диаметр составляет величину порядка 100 мкм).
Для измерения величины износа с использованием волоконно-оптических технологий используются два основных метода: анализ проходящего по контрольному световоду излучения (сам световод в этом случае размещается в щетке петлей) и анализ отраженного от конца отрезка контрольного световода излучения.
Датчик износа щетки на основе петель из волоконно-оптических световодов (пат. США №4884434) [22]
Данный датчик осуществляет многоуровневое измерение износа и содержит в качестве встроенных контрольных проводников несколько петель из отрезков волоконно-оптических световодов, расположенных на различной глубине щетки. Каждый отрезок подключен к источнику лазерного излучения и детектору. При достижении величины износа глубины залегания первой петли отрезок волоконно-оптического световода разрывается, что приводит к формированию на выходе детектора сигнала о соответствующей величине износа. На рис. 1.9 показана щетка электрической машины со встроенным многоуровневым датчиком износа. Малый размер оптического световода позволяет расположить в щетке (например, при его изготовлении) несколько петель, существенно не нарушая его целостность.
Для уменьшения в два раза количества используемых световодов, при сохранении числа контролируемых уровней износа, можно использовать световоды с переотражающим материалом на конце, тем самым один отрезок световода, расположенный в щетке, одновременно служит для передачи прямого и обратного излучения от чувствительной области датчика. На данном принципе построено следующее устройство для измерения величины износа.
Разрешающая способность определения величины износа щетки ограничивается диаметром используемых волоконно-оптических световодов и составляет доли миллиметра.
Датчик износа щетки на основе отрезков волоконно-оптических световодов с отражающим материалом на конце (пат. США MUS 6868711 B2) [23]
Данный датчик может осуществлять многоуровневое измерение износа и состоит из набора отрезков волоконно-оптических световодов, расположенных в щетке на различных глубинах. В отличие от предыдущего устройства, где информацию о состоянии контрольного световода получают по наличию/отсутствию проходящего через него излучения, в описываемом устройстве аналогичную информацию получают по наличию/отсутствию отраженного от торца световода излучения (см рис. 1.10). Для этого на него наносят отражающий материал 11, в данном случае - слой металла. Использование отрезка световода, а не петли позволяет в два раза сократить числа размещенных в щетке световодов, сохранив количество контролируемых уровней износа. Рассмотрим принцип работы устройства на примере одного контрольного световода 10. Излучение от источника оптического излучения через светоделитель поступает в контрольный световод 10 и отражается от его торца, на который нанесен слой металла 11, выполняющий роль зеркала. Отраженное излучение распространяется в обратном направлении и через светоделитель поступает на фотоприемник. В тот момент, когда износ щетки достигнет глубины залегания контрольного световода начнется стирание металлического слоя, что в конечном счете приведет к пропаданию отраженного сигнала, что будет сигнализировать о достигнутой величине износа щетки. Разрешающая способность определения величины износа щетки определяется толщиной металлического слоя и составляет десятые доли миллиметра.
Другие технические решения для измерения величины износа с использованием волоконно-оптических технологий во многом являются модификациями описанных выше и не подлежат рассмотрению.
Исходные данные для построения модели 51
В ходе анализа поведения характерных параметров в спектре отражения ВБР с фазовым ж — сдвигом при уменьшении ее длины было выявлено, что при приближении длины первой ВБР к 0 (Li 20% от Li0 нарушается монотонность изменения параметров (спектральной ширины и амплитуды характерных участков в спектре), а также значительно уменьшается крутизна измерительной характеристики, что делает их не пригодными в качестве измерительных. Однако было установлено, что величина интеграла кривой профиля спектра отражения, взятого в границах нахождения датчика (2.11) изменяется монотонно (рис. 2.11). Данный параметр очень удобен для определения при опросе ВОД, т.к. представляет собой мощность отраженного от него сигнала, попадающего на вход фотоприемника. А2 SPS(X)= \ RPS(.X)dX, (2.11) где SPS(X) - мощность отраженного от ВБР с фазовым л; - сдвигом сигнала (интеграл функции профиля спектра отражения), Ях и Я2 _ границы нахождения датчика, т.е. область спектра, ограниченная максимально возможным смещением ВБР с фазовым я - сдвигом.
Разработана математическая модель ВОД износа щетки на основе ВБР с фазовым ж — сдвигом. Представлены виды спектров отражения исследуемой ВБС, полученные по результатам численного эксперимента с использованием разработанной математической модели. Построены расчетные измерительные характеристики для определения износа (длины исследуемой ВБС) по величине характерного параметра спектра отражения исследуемой ВБС: интеграла функции профиля спектра отражения (мощности отраженного от ВБС сигнала). ВБР с фазовым п - сдвигом позволяет в два раза увеличить длину контролируемого участка по сравнению с обычной ВБР.
По аналогии с традиционными ИФП, построенными с использованием объемных оптических элементов, можно реализовать аналогичное устройство в волоконно-оптическом световоде (рис. 2.12). В качестве зеркал в данном случае выступают две идентичные ВБР.
Зеркало-1 Зеркало Рис. 2.12 - Интерферометр Фабри-Перо на объемных оптических элементах (верхняя часть рис.) и внутриволоконный ИФП с использованием ВБР в качестве зеркал (нижняя часть рис.) Условие резонанса для внутриволоконного ИФП, по аналогии с обычным, запишется в виде [49-50]: где RFBGI и RFBGI профили спектра отражения первой и второй ВБР и определяются в соответствие с (2.5); I/J = 4тгпе 1/Л ; Z - расстояние между ВБР; Я -длина волны.
При построении исходного профиля спектра отражения ИФП были выбраны следующие основные параметры: эффективный показатель преломления основной моды -neff= 1,5, невозмущенная центральная длина волны отражения ВБР ЯВ1 = ХВ2 = 1500 нм, Li_0 = L2_o = 5мм, расстояние между решетками I = 5мм, k L=0,38. Вид профиля спектра отражения ИФП, построенного по выражению (2.14), представлен нарис. 2.13.
Профиль спектра отражения исходного внутриволоконного ИФП, построенного с использованием двух ВБР
Исследование профиля спектра отражения внутриволоконного ИФП при изменении его длины с использованием разработанной модели
Как было показано выше, характеристики профиля спектра отражения зависят от длин ВБР, являющихся зеркалами внутриволоконного ИФП.
В ходе моделирования проводилось построение профиля спектра внутриволоконного ИФП (в соответствие с выражением 2.14) при различных ее длинах и (последовательно изменялась сначала длина Li первой ВБР, затем L2 второй ВБР). Исходные параметры интерферометра: эффективный показатель преломления основной моды neff = 1,5, невозмущенная центральная длина волны отражения ВБР ЯВ1 = ЯВ2 = 1500 нм, Li о = L20 = 5мм, расстояние между решетками / = 5мм, kL=0,38 [132-135].
По результатам моделирования можно сделать вывод, что по мере истирания происходит последовательное уменьшение «глубины» узкополосных провалов в спектре отражения, а после того, как один из участков, в нашем случае, Li, сотрется полностью, ИФП превращается в обычную ВБР, спектральные характеристики которой при изменении ее длины изменяются в соответствие с (2.4) и
В ходе анализа поведения характерных параметров в спектре отражения ИФП при еГО износе было выявлено, нло при приближен длины первой ВБР к 0 (и 20%и нарушается монотонность изменения параметров, а также значительно уменьшается крутизна измерительной характеристики, что делает данные их не пригодными в качестве измерительных. Однако было установлено, что величина интеграла кривой профиля спектра отражения, взятого в границах нахождения датчика (2.15) изменяется монотонно (рис. 2.16). Данный параметр очень удобен для определения при опросе датчика, т.к. представляет собой мощность отраженного от него сигнала, попадающего на вход фотоприемника. SFP (Я) = j RFP(X)dl
Разработана математическая модель ВОД износа щетки на основе внутриволоконного ИФП с брэгговскими зеркалами. Представлены виды спектров отражения исследуемой ВБС, полученные по результатам численного эксперимента с использованием разработанной математической модели. Построены расчетные измерительные характеристики для определения износа (длины исследуемой ВБС) по величине характерного параметра спектра отражения исследуемой ВБС: интеграла функции профиля спектра отражения (мощности отра женного от ВБС сигнала).
Структурная схема волоконно-оптического датчика для контроля температуры щеток электрических машин во время испытаний по ГОСТ
В первой главе было показано, что задача определения температуры щетки на различных этапах ее жизненного цикла является крайне важной. В ходе испытаний данные о распределении температуры в щетке в различные моменты времени (кривые нагрева/охлаждения) позволяют судить о качестве изготовления ЩеТкииорежИмееерабоТЫ.МеходикаопределенияраспределенИЯТемпераТурЫ описана в ГОСТ Р МЭК 773-96 [16]. Размещенный в теле щетки датчик в ходе эксплуатации позволяет контролировать не только температуру самой щетки в точке установки датчика, но и, с использованием соответствующего математического аппарата, тепловой режим отдельных узлов ЩКУ. Существующие решения по контролю теплового состояния ЩКУ подразумевают использования электрических датчиков или бесконтактных методов, имеющих ряд описанных недостатков, а используемый математический аппарат является громоздким и требует значительных вычислительных мощностей, что сильно ограничивает распространения таких измерительных систем. Исходя из вышеизложенного, возникает потребность разработки упрощенных моделей для получения информации о распределении температуры в щетке (с использованием ВОД), как об одном из информативных показателей ее работоспособности. Вторым аспектом, рассмотренным в данной главе, является разработка оптимальной конструкции датчика температуры щетки и ЩКУ с учетом решений, полученных для контроля износа во второй главе.
При изменении температуры изменяется брэгговская длина волны Ав ре флектометрического отклика ВБР, что вызвано, как изменением ее периода в ал следствие температурного расширения материала оптического волокна —, так и dneff изменением показателя преломления под действием температуры —и. Исходя из вышеизложенного, изменение центральной длины волны ДА запишется в виде [37]: АЛ = 2[A + neff—\AT dneff дА\ _ (3.1) дТ где AT - изменение температуры. Выражение (3.1) можно записать и в другом виде: ЛЯ /АТ = ХВ (а + О, (3.2) где а = (1/Л)(5Л/57) - коэффициент термического расширения (для кварца а = 0,55 х10"6), = (\/п)(Ьп1ЬТ) - термооптический коэффициент (для волокон с добавками германия примерно равный 8,6-10"6). Видно, что изменение ГШ является доминирующим эффектом. Соотношения (3.1)-(3.2) дают типичный сдвиг Лв в зависимости от температуры АЯ /дг -0,01 нм/С [35]. Изменение Лв ВБР в зависимости от измеряемой температуры Тм можно записать в виде: ЛВ(ТМ)=Х (Tclbr) + AX (ДГ) (3.3) или, выраженное через температуру из уравнений (ЗЛ)-(З.З) и из условия: Тм = таы + [(Ав - ЛТс1Ьг)/(АЛ /AT)], (3.4) где Лв — измеренная брэгговская длина волны ВБР, XTclbr -значение длины волны при калибровочном значении температуры TcU)r. Для построения измерительной характеристики по выражению (3.4) примем, что невозмущенное значение длины волны исходной ВБР соответствует температуре 20 С, т.е. XTclbr = 1,5 мкм, Tclbr=20 С.
Зависимость величины измеряемой температуры Тм от измеренного значения брэгговской длины волны Хв Данная зависимость (3.4) справедлива и для остальных ВБС, в допущении, - ВБР с фазовым тг-сдвигом (рис. 3.2): ТМ = ТС + [(ЯР5_Р - XTclbr)/(AX /АГ)] (3.5) где ЯР5_Р - брэгговская длина волны узкополосного пика в спектре ВБР с фазовым сдвигом (когда полностью изношен участок Li, ЯР5_Р соответствует брэгговской длине волны единичной ВБР ДЛИНОЙ L,2)\ - внутриволоконный ИФП (рис. 3.3): ТМ = ТС + [(Лрр_Р - \Тс1Ьг)/(АЛ /AT)] (3.6) где Лрр_Р — брэгговская длина волны какого-либо из узкополосных пиков в спектре ИФП; - массив ВБР: ТМ = ТС + [( FBG-AR - ЛТс1Ьг)/(М /А70] (3.7) где A.FBG_AR- брэгговская длина волны результирующего спектра массива ВБР. Рис. 3.2 — Изменение характерных параметров в спектре ВБР с фазовым тс-сдвигом при воздействии температуры (круглый маркер - левый пик, треугольный - узкополосный провал, квадратный - правый пик) Рис. 3.3 - Изменение характерных параметров в спектре внутриволоконного ИФП при воздействии температуры (круглый маркер - левый пик, треугольный — центральный провал, квадратный - правый пик) При уменьшении длины внутриволоконных структур, их измерительные характеристики (3.4)-(3.7) остаются неизменными. Для подтверждения данного положения было произведено моделирование измерительных характеристик рассматриваемых ВБС во всем диапазоне температур при различных длинах (см. рис. 3.4-3.7).
Основной проблемой измерений с использованием обычных ВБР с гауссовым профилем отражения является разрешающая способность измерений, связанная с относительно большой шириной спектральной характеристики. Увеличение разрешающей способности достигается использованием для анализа характерных узкополосных особенностей профиля спектра отражения внутриволо-конных структур на основе ВБР, например, интерферометров Фабри-Перо, с узкой полосой пропускания. Следует отметить, что в датчиках практически не используется такая структура, как ВБР с фазовым я—сдвигом, отличающаяся наличием сверхузкополосной зоной пропускания, размещенной при определенных условиях на центральной длине волны решетки [38].
Реально достижимая полуширина резонансного спектра датчика в конфигурации ИФП составляет 0,025 нм, а для ВБР - 0,1 нм. Это значит, что разрешающая способность ИФП сенсора в 4 раза лучше, чем у датчика на одной ВБР. Развивая данный подход можно использовать ВБР с фазовым я-сдвигом, которая представляет собой простейший ИФП с длиной резонатора, не превышающей одной длины волны. Полуширина резонансного пика такого типа решеток может достигать 0,005 нм, что свидетельствует о возможном увеличении разрешающей способности измерений на два порядка по сравнению с ВБР [39-40].
Указанные структуры с потенциально более высокой разрешающей способностью измерения температуры могут быть использованы для высокоточных лабораторных исследований.
В дальнейшем, в качестве волоконно-оптического датчика температуры подразумевается единичная ВБР с гауссовым профилем отражения, с целью упрощения понимания и описания устройства и работы предлагаемых измерительных систем.
Практические рекомендации по встраиванию МВОД в тело щетки
В настоящее время накоплен большой опыт по построению моделей элементов ТЭД для анализа тепловых режимов его отдельных элементов и всего ТЭД в целом [74-76]. Большинство этих моделей, ввиду их сложности, реализованы в специализированных программных продуктах (ANSYS, ELCUT и т.п.). Такие модели позволяют решать комплексные задачи с высокой точностью, однако для их построения требуются значительные вычислительные мощности, которых нет на борту транспортного средства, на которое устанавливается система мониторинга. В случае, если объект исследования состоит из небольшого числа элементов, возможно использовать более простые инженерные методы расчета превышения температуры в отдельных точках (под превышением температуры по ГОСТ Р 52776-2007[77] в теории электрических машин понимают разность между температурой какой-либо части электрической машины и температурой охлаждающей среды). Среди описанных методов наибольшее распространение получил метод последовательного построения тепловой схемы замещения (по методу электротепловой аналогии) и решения системы линейных уравнений теплового баланса для каждого из источников теплоты [78-80].
Тепловые схемы составляются по аналогии с электрическими [81]. Вместо тока / здесь используется тепловой поток Р. Электрическое сопротивление аналогично тепловому сопротивлению R. Аналогия электрических и тепловых величин представлена в таблице 3.1.
Аналогия электрических и тепловых величин при построении схемы замещения Электрическая цепь Тепловая цепь Наименование Обозначение, формула Ед. измерения Наименование Обозначение, формула Ед. измерения Удельное сопротивление Р (Ом-м2)/м или Ом-м Удельная теплопроводность X 1/Хм-К/Вт (Вт-м)/(м2-К) или Вт/(м-К) Электрическое сопротивление R=(p-l)/S (Ом) Тепловое сопротивление R=h/(XS) (С/Вт) Ток I (Ампер) Тепловой поток, потери Р (Дж/сек, Вт) Напряжение V (Вольт) Перегрев в (К, С) Потенциал (Р Вольт Температура Т (К, С)
В ЩКУ можно выделить следующие источники тепла: Ры - потери на щетке, представляющие собой Джоулево тепло при протекании тока; Рсогй - потери в зоне контакта, обусловленные механическим трением в контакте, при протекании тока через контакт, а также электродуговым искрением на сбегающем крае щетки; Pcoi — потери в меди пластин коллектора. В представленной схеме на рис. 3.19 приняты обозначения тепловых сопротивлений: R1 — от графита щетки к воздуху, R2 — от графита щетки к зоне контакта «щетка-коллектор», R3 — от щеточного контакта к воздуху, R4 - от зоны контакта к пластине коллектора, R5 - от пластины коллектора к воздуху. Превышение API, АР2 и А73 соответствуют превышениям температуры на трех указанных источниках потерь. АЛ
Тепловая схема замещения ЩКУ (а), теплопроводящая площадь щетки и щеткодержателя: б - вид сверху, в - вид сбоку [9]
По полученной тепловой схеме замещения можно составить систему уравнений, связывающих между собой величины превышений температур, термосопротивлений и мощности источников тепловых потерь для стационарного режима работы ТЭД [82].
Используя закон теплопроводности Фурье, из уравнений теплового баланса для каждого источника теплоты и каждого узла можно составить систему, число уравнений в которой равно числу превышений температуры. ) где ЯЬг - удельная теплопроводность материала щетки, ЯЬЙ - удельная теплопроводность материала щеткодержателя, геометрические параметры li и hi - определяются исходя из рис. 3.19 (б)-(в).
Методы расчета температуры в контакте между угольной щеткой и медным коллектором подробно рассматривается в работе Хольма [83]. Расчет подробный, но существуют допущения: принимается, что щетка нагревается больше коллектора и температурный градиент направлен в медь; половина тепла, выделяющегося в щетке, течет через контакт в поверхность коллектора.
Для дальнейшего расчета необходимо установить мощность источников тепловых потерь Pbr, Pcont и Рсо1. Источником тепла в щетке является Джоулево тепло, вызванное протеканием тока через нее: Pbr = I2Rbr, (3.13) где I - ток, протекающий через щетку, Rbr = сопротивление щетки, pbr - удельное электрическое сопротивление материала щетки, lbr - длина щетки, S - площадь ее поперечного сечения.
Источником тепла в зоне контакта является нагрев вызванный трением в паре щетка-коллектор Pfr и прохождением тока через переходное сопротивление контакта Pcont [84-85]: Pcont = Pfr + Копо (314) 100 где Pfr = цРд 10 4, \i - коэффициент трения щетки, Р[г] - давление на щетку, д [см/сек] - скорость вращения ротора, Pcont = I2RCont Rcont - переходное сопротивление контакта щетка-коллектор. Определение значения Rcont в большинстве случаев затруднительно. Это связано с тем, что контактная поверхность щетки и коллектора состоит из дискретных точек или пятен, беспорядочно возникающих в процессе проводимости, кроме этого, указанный параметр будет варьироваться и при изменении режима работы ТЭД, например, оборотов [86-87].
Источником тепла в коллекторе является Джоулево тепло, вызванное протеканием тока через пластины коллектора: Pcoi = I2RCut (3.15) где RCu — сопротивление медной пластины коллектора. Чаще всего приведенная модель используется для расчета превышений температуры ЩКУ в указанных точках при стационарном режиме работы ТЭД (когда значение Rcont может быть определено с некоторой степенью точности). Так, например, в работах [88-89] с использованием указанной модели произведен расчет превышения температуры в контрольных точках ЩКУ для электрической машины П-3 1MB номинальном режиме работы и последующая экспериментальная проверка полученных результатов. В ходе расчетов были получены значения трех превышений температуры: А71 = 27,5 С, А72 = 30 С, А73 = 12 С. Исходя из экспериментальных данных (анализировались термограммы ЩКУ в установившемся режиме работы ТЭД), превышение температуры щетки составило А 71 = 25С, превышение температуры зоны контакта составило А72 = 29,3 С, превышение температуры коллекторных пластин составило А73 = 12,5 С. Таким образом, относительная погрешность вычисления по приведенной методике не превысила 10%.