Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ существующей системы послеремонтных испытаний ТЭД и выбор направления исследований
1.1 Обзор существующих методов диагностирования электрических машин постоянного тока 11
1.2 Общая характеристика системы послеремонтных испытаний тяговых электродвигателей электровозов 18
1.3 Анализ существующих методов контроля положения щеток тягового электродвигателя относительно нейтрали и их характеристика 23
1.3.1 Исследование точности установки щеток тягового электродвигателя на нейтрали при использовании индукционного метода 25
1.4 Анализ существующих условий в разработке методов технического диагностирования двигателей постоянного тока 35
1.5 Цели и задачи исследования 37
Глава 2. Тяговый электродвигатель - как объект диагностирования при использовании процесса пуска
2.1 Формирование множества диагностических параметров тягового электродвигателя 39
2.2 Схема причинно - следственных связей дефектов тягового электродвигателя и признаков их проявления 43
2.3 Варианты построения систем диагностирования 50
Глава 3. Разработка математической модели тягового двигателя с учетом смещения щеток с нейтрали
3.1 Постановка задачи 58
3.2 Общая характеристика процессов при пуске двигателя 60
3.3 Влияние сдвига щеток с нейтрали на электромагнитные процессы в двигателе постоянного тока 62
3.4 Определение э.д.с. обмоток двигателя 66
3.5 Переходные процессы в магнитопроводе двигателя 73
3.6 Математическая модель двигателя независимого возбуждения с учетом смещении щеток с нейтрали 78
3.7 Экспериментальное исследование пуска двигателя и оценка адекватности математической модели 84
Глава 4 Исследование и разработка метода контроля положения щеток тягового двигателя относительно нейтрали .
4.1 Влияние сдвига щеток двигателя с нейтрали на основные характеристики электромеханического переходного процесса пуска и выбор диагностического параметра определения наличия сдвига щеток 90
4.2 Определение величины смещения щеток с нейтрали методом параметрической идентификации модели пуска тягового электродвигателя 97
4.3 Алгоритм определения величины смещения щеток двигателя с нейтрали на основе идентификации модели пуска 104
4.4 Экспериментальная проверка определения величины смещения щеток при использовании разработанного метода 108
Глава 5 Предложения по реализации разработанного способа контроля положения щеток двигателя на нейтрали
5.1 Алгоритм реализации разработанного способа контроля положения щеток относительно нейтрали 114
5.2 Разработка программно-технического комплекса для реализации разработанного способа контроля положения щеток на нейтрали 117
5.2.1 Функциональная организация комплекса 117
5.2.2 Силовая схема комплекса 120
5.2.3 Измерительно - управляющая часть комплекса 123
5.3 Ожидаемые технико-экономические результаты от использования разработанного способа контроля положения щеток тягового двигателя относительно нейтрали 132
Общие выводы по результатам работы 135
Список использованной литературы 137
- Исследование точности установки щеток тягового электродвигателя на нейтрали при использовании индукционного метода
- Схема причинно - следственных связей дефектов тягового электродвигателя и признаков их проявления
- Математическая модель двигателя независимого возбуждения с учетом смещении щеток с нейтрали
- Определение величины смещения щеток с нейтрали методом параметрической идентификации модели пуска тягового электродвигателя
Введение к работе
Электроподвижной состав железных дорог (ЭПС) является важнейшей составной частью железнодорожного транспорта страны. Эффективность работы ЭПС во многом определяет и эффективность всей системы железнодорожного транспорта. Одним из показателей эффективности ЭПС является его надежность. Как следует из статистических данных МПС РФ, повреждаемость ЭПС все еще остается на достаточно высоком уровне. Число порч и неисправностей ЭПС на протяжении последних лет находится на уровне 1-2 случая на 1 млн. км пробега.
Важнейшим элементом ЭПС являются его тяговые электродвигатели (ТЭД). Как следует из многочисленных исследований различных авторов, ТЭД является одним из элементов конструкции ЭПС, ограничивающих эксплуатационную надежность последнего. И в настоящее время, на протяжении последних шести лет, число порч и неисправностей ТЭД устойчиво находится на уровне (22 - 24)% от общего числа повреждений ЭПС. Поэтому, задача повышения надежности ТЭД, во многом определяющей надежность ЭПС, и в настоящее время является актуальной.
Высокая повреждаемость ТЭД в эксплуатации порождается действием различных факторов. Основным же из них является низкое качество ремонта двигателей в локомотивных депо и на локомотиворемонтных заводах. Повреждаемость ТЭД, вызванная действием именно этого фактора, превышает 50% от общего количества отказов ТЭД.
Низкое качество ремонта ТЭД может быть связано как с несовершенством технологий ремонта, так и с нарушениями технологической дисциплины при производстве работ. Однако, в любом случае, число случаев выдачи на линию ТЭД с не выявленными дефектами должно быть сведено к минимуму. Эту задачу решает система послеремонтных испытаний ТЭД. Поэтому, высокий процент отказов ТЭД на линии, по причине низкого качества ремонта, однозначно свидетельствует о неэффективности существующей системы послеремонтного контроля технического состояния ТЭД.
Тяговые электродвигатели выходят из строя из-за проявления различных неисправностей и дефектов. Одной из наиболее часто встречающихся разновидностей повреждений ТЭД является нарушение нормальной коммутации и возникновение «кругового огня по коллектору». Как известно, среди различных причин, способных привести к данному повреждению двигателя во время эксплуатации, одной, из наиболее мощных причин возникновения «круговых огней» является неточная установка щеток тягового двигателя на нейтрали.
Помимо ухудшения условий коммутации, сдвиг щеток с нейтрали вызывает расхождение электромеханических характеристик отдельных тяговых электродвигателей электровоза. Это приводит к неравномерной токовой нагрузке отдельных двигателей, что, в конечном итоге, снижает тяговые возможности электровоза. Кроме этого, токовая перегрузка тягового двигателя является еще одним провоцирующим фактором возникновения «круговых огней». Неравномерное распределение токов тяговых электродвигателей способно, так же, вызывать неверную работу современных автоматических систем управления ЭПС.
В связи с перечисленными выше отрицательными явлениями, возникающими от сдвига щеток с нейтрали, к точности установки щеток тягового двигателя на нейтрали предъявляются повышенные требования.
Одним из направлений в повышении эффективности послеремонтного контроля ТЭД, включающего и обязательный контроль положения щеток, является внедрение в систему послеремонтных испытаний ТЭД как существующих, так и разработка новых эффективных методов и средств технического диагностирования.
Исходя из всего вышесказанного, можно сделать вывод, что разработка новых методов контроля точности установки щеток двигателя на нейтрали, обеспечивающих, по сравнению с существующими методами, повышение точности контроля является актуальной задачей.
Работы в области разработки методов и средств диагностирования тяговых электродвигателей выполнялись учеными и специалистами ВНИИЖТ и различных учебных ВУЗов железнодорожного транспорта, силами специалистов локо-
мотиворемонтных заводов и депо. Существуют различные направления в разработке методов диагностики тяговых электродвигателей, что объясняется разнообразием возможных неисправностей и дефектов ТЭД.
Двигатели постоянного тока используются в различных отраслях промышленности и транспорта. Однако, наибольшее число работ по разработке методов и средств диагностирования машин постоянного тока, проведено именно в различных отраслях транспорта и, прежде всего - в области железнодорожного транспорта. Это объясняется особой значимостью надежности двигателей, которые на транспорте используются главным образом в качестве тяговых двигателей.
В области железнодорожного транспорта разработками вопросов диагностирования ТЭД занимались: Исаев И.П., Глущенко М.Д., Феоктистов В.П., Попов Д.А., Козлов Л.Г., Матвеичев А.П., Скворцов А.В., Дурандин Г.Б., Курба-сов А.С., Курбасов Б.А., Волков В.К., Суворов А.Г., Сенкевич И.В., Протасов А.И., Осяев А.Т., Некрасов О.Н., Титов Н.А., и многие другие. В области других видов транспорта, известны исследования в разработке методов и средств диагностирования электрических машин постоянного тока таких авторов как Потапов В.Н., Васильев В.И., Шашков Д.И., Николаев Д.С., Веклич В.Ф., Буковец-кий А.И., Калошкин A.M. и др.
Объект и предмет исследования
Объектом исследования является переходной электромеханический процесс пуска тягового электродвигателя на холостом ходу при пониженном напряжении, предположительно порождающий большой объем исходной диагностической информации о техническом состоянии двигателя, которую можно использовать для постановки его диагноза.
Предметом исследования является оценка возможности использования электромеханического процесса пуска двигателя для определения положения щеток относительно нейтрали.
7 Цель работы
Теоретическое и экспериментальное исследование электромеханического переходного процесса пуска тягового электродвигателя электровоза для разработки метода определения положения щеток относительно геометрической нейтрали двигателя.
Для достижения поставленной цели, в диссертации решены следующие задачи:
проведен анализ организации существующей системы послеремонтного контроля технического состояния тяговых электродвигателей, технических средств, используемых для производства испытаний;
проведен обзор существующих методов диагностирования электрических машин постоянного тока;
рассмотрены возможные варианты построения систем диагностирования;
построена математическая модель пуска тягового двигателя, учитывающая наличие сдвига щеток с нейтрали;
исследовано влияние сдвига щеток с нейтрали на основные характеристики переходного процесса пуска и сформирован диагностический признак наличия смещения щеток с нейтрали двигателя;
разработана функциональная схема двигателя для построения идентифицируемой по результатам опыта пуска математической модели двигателя на основе чего разработан метод определения величины сдвига щеток с нейтрали;
сделаны предложения по возможному варианту реализации разработанного способа выявления наличия сдвига щеток с нейтрали и определения величины сдвига.
Источники использованных материалов
При выполнении работы были использованы материалы классических учебников по курсам электрических машин, материалы литературных источников по исследованию переходных процессов в электрических машинах постоянного тока, материалы диссертационных исследований в области диагностирования электри-
ческих машин, используемых в различных областях транспорта, материалы периодических научных и профессиональных журналов, материалы научных межвузовских трудов, а, так же, был проведен патентный поиск в области диагностирования электрических машин.
Методы исследования
теоретическое исследование влияния сдвига щеток на электромагнитные процессы в ТЭД при его пуске;
математическое моделирование процесса пуска ТЭД путем численного интегрирования системы дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитные и электромеханические процессы в двигателе;
экспериментальные исследования процесса пуска ТЭД с использованием для производства измерений и регистрации результатов измерений средств вычислительной и микропроцессорной техники
экспериментальные исследования точности контроля определения положения щеток двигателя на нейтрали применительно к существующему и разработанному способу контроля;
математические методы теории вероятности и регрессионного анализа для обработки экспериментальных данных.
Научная новизна работы
Определены численные характеристики точности установки щеток ТЭД на геометрической нейтрали при использовании существующего индукционного метода контроля.
Разработан новый метод определения наличия сдвига щеток ТЭД с геометрической нейтрали, использующий для этой цели электромеханический переходной процесс пуска двигателя.
Впервые, применительно к ТЭД, разработан метод контроля его технического состояния на основе использования параметрической идентификации модели объекта.
Разработан метод определения численного значения величины смещения щеток с нейтрали.
Разработана функциональная схема идентифицируемой модели ТЭД, используемая для определения величины сдвига щеток с нейтрали.
Практическая полезность
Проведенные исследования позволили разработать:
способ определения наличия сдвига щеток тягового электродвигателя с нейтрали;
способ определения величины сдвига щеток с нейтрали двигателя;
комплекс технических средств для реализации разработанного способа контроля положения щеток относительно геометрической нейтрали двигателя.
Реализация результатов работы
новый, более точный способ контроля положения щеток относительно нейтрали;
автором получен Патент РФ №2074479. Способ определения установки щеток двигателя постоянного тока на нейтрали / соавтор Власьевский СВ. на изобретение
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и одобрены:
- на 40-й Всероссийской научно-практической конференции кафедр Дальнево
сточного государственного университета путей сообщения с участием представи
телей железных дорог, научных организаций и предприятий транспортного
строительства и железнодорожных вузов, Хабаровск: ДВГУПС, 1997 г.;
на второй международной конференции «Проблемы транспорта Дальнего Востока», Владивосток: ДВО АТР, 1-3 октября 1997 года;
на международной научно-практической конференции «Информационные технологии на железнодорожном транспорте», Хабаровск: ДВГУПС, 18-19 июня 1998 г.;
на юбилейной Всероссийской научно-практической конференции учёных транспортных вузов, НИИ, инженерных работников и представителей академической науки, посвященной 100-летию завершения строительства Транссибирской магистрали и 150-летию открытия движения по магистрали Санкт-Петербург -Москва, Хабаровск - Владивосток 18-21 октября 2001г.
Публикации
По теме работы опубликовано 7 научных работ, получен 1 Патент на изобретение.
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов по результатам работы, списка используемой литературы.
Исследование точности установки щеток тягового электродвигателя на нейтрали при использовании индукционного метода
В настоящее время известны два основных способа контроля положения щеток относительно нейтрали. Первый из них заключается в измерении и сравнении частот вращения якоря двигателя в различных направлениях при одинаковом токе якоря [12]. При точной установке щеток на нейтрали, частоты вращения якоря для различных направлений его вращения одинаковы. Косвенно, этот способ может быть реализован в локомотивном депо при нагрузочных испытаниях ТЭД. Разновидностью данного способа является сравнение частот вращения якоря двигателя в различных направлениях при холостом ходе двигателя. Однако, и в этом случае необходимо обеспечить равенство токов якоря и напряжений питания испытуемого двигателя, что может оказаться затруднительным без использования нагрузочного устройства.
Точная установка щеток на нейтрали обеспечивает минимальное расхождение частот вращения якоря в одном и другом направлениях. В случае, если во время испытаний будет выявлено значительное расхождение частот вращения якоря, необходимо провести регулировку положения щеток. Остановка двигателя, регулировочные работы, последующий запуск двигателя и установление номинального режима работы занимают большой объем времени. В случае, если после регулировки положения щеток, частоты вращения якоря все же заметно отличаются, цикл регулировки придется повторить вновь. Поэтому, данный способ контроля положения щеток ТЭД относительно нейтрали практически не приспособлен для определения величины сдвига, а может использоваться для определения факта наличия сдвига щеток двигателя с нейтрали.
Вторым способом контроля положения щеток ТЭД относительно нейтрали двигателя, является индукционный способ, который регламентирован [52] и широко применяется во всех локомотивных депо.
Суть данного способа заключается в питании обмотки возбуждения двигателя прерывистым или переменным током и контроле величины э.д.с, снимаемой с разнополярных щеток. В случае, если щетки двигателя установлены на нейтрали, потокосцепление обмотки возбуждения с обмоткой якоря минимально а контролируемая э.д.с. имеет минимальное значение. При сдвиге щеток с нейтрали, возрастает магнитная связь обмотки возбуждения с обмоткой якоря, что ведет к увеличению э.д.с, индуцируемой в обмотке якоря, что является признаком смещения щеток с нейтрали.
После ремонта двигателя и его сборки, производят установку щеток двигателя на нейтраль. Для этого, к двигателю подключают прибор контроля, который питает обмотку возбуждения и измеряет э.д.с. якоря. Производитель работ ослабляет фиксаторы поворотной траверсы двигателя и с помощью специального ключа начинает перемещать траверсу, одновременно контролируя показания измерительного прибора. Как только прибор зафиксирует минимальную э.д.с. якоря, перемещение траверсы прекращается и принимается положительное решение о том, что щетки установлены на геометрической нейтрали двигателя.
Вместе с тем, в литературе отмечается [66], что индукционному способу контроля присущи недостатки, связанные с тем, что вблизи малых смещений щеток с нейтрали, э.д.с. якоря очень мала и при недостаточной чувствительности измерительного прибора появляется неконтролируемый участок, в пределах которого измерительный прибор не позволяет определить минимальное значение э.д.с. якоря и, тем самым, определить точное положение нейтрали. По данным, приведенным в [66], ширина этой зоны для ТЭД НБ418К6 составляет около четырех миллиметров по обе стороны от нейтрали. Здесь же отмечено, что нейтралью следует считать середину этого, неконтролируемого участка.
Одновременно с указанием на наличие неконтролируемого участка говорится, что величина наведенной э.д.с. якоря и ее минимальное значение могут отличаться в значительных пределах даже у однотипных двигателей. Природа такого расхождения не объясняется. В связи с этим, дается рекомендация, что "Единственным и необходимым условием при установке щеток на нейтрали является фиксация минимального значения э.д.с. наведенной в обмотке якоря, независимо от его положения."
Формулировка данной рекомендации косвенно говорит, что положение якоря во время контроля оказывает влияние на величину наведенной э.д.с. и ее минимальное значение. Наличие зоны нечувствительности и влияние положение якоря на процесс контроля являются недостатками используемого индукционного метода.
Таким образом, ни один из существующих методов контроля точности установки положения щеток на нейтрали двигателя, в конечном итоге, не дает возможности достаточно оперативно и точно провести установку щеток ТЭД на нейтраль.
Для получения численных оценок точности установки щеток двигателя на нейтрали с использованием индукционного метода контроля, была проведена серия опытов на тяговых двигателях НБ418К6. Контролю были подвергнуты два двигателя, прошедших ремонт в объеме ТРЗ. Опыты заключались в следующем. В коллекторном люке, на внутренней поверхности остова, в непосредственной близости от верхушек зубьев венца траверсы укреплялся измерительный лимб в виде сектора с ценой деления 1 мм. На зубчатом венце поворотной щеточной траверсы укреплялась стрелка-указатель (рис. 1), перемещающаяся по лимбу при повороте траверсы.
К двигателю подключался прибор контроля точности установки щеток, используемый в депо при проведении данной операции. Величина тока в обмотке возбуждения находилась на уровне 5,3 А. Измерителем э.д.с. якоря являлся миллиамперметр магнитоэлектрической системы с пределом измерения 1 iriA, подключаемый к якорю через диодный мост.
Схема причинно - следственных связей дефектов тягового электродвигателя и признаков их проявления
Второй уровень составляют некоторые основные дефекты, возникающие в элементах первого уровня и влияющие на протекание электромагнитных процессов в двигателе : межвитковые замыкания (МВЗ) в обмотках, неточная расстановка полюсов по окружности остова и качество сопряжения поверхностей сердечников полюсов с посадочными поверхностями остова. Помимо указанных выше характерных дефектов главных и дополнительных полюсов, в последних возможно и отклонение величины второго диамагнитного зазора от регламентированного значения.
Среди дефектов коллекторно - щеточного узла двигателя можно выделить три основные разновидности дефектов. Во-первых, - нарушение кинематического взаимодействия поверхности коллектора и контактирующими поверхностями щеток, обусловленное, например, эксцентриситетом коллектора или выступанием отдельных коллекторных пластин. Во - вторых, - дефекты обусловленные как изменением состояния щеток, например, их большим износом или плохим качеством их притирки к поверхности коллектора, так и нарушениями их регулировки -изменение нажатия щеток, перекосы щеток в щеткодержателях. Последняя, третья, разновидность дефекта данного узла двигателя - смещение щеток с геометрической нейтрали, вызванное отсутствием или недостаточной точностью контроля положения щеток относительно нейтрали.
На третьем уровне схемы размещены параметры, характеризующие процессы функционирования как отдельных элементов двигателя, так и всего двигателя в целом. К таким параметрам отнесены: абсолютные значения магнитных потоков по продольной и поперечной осях двигателя ( Фс) и Фр соответственно), скорости изменения этих потоков - d EL, ток якоря - 1а и скорость его изменения а, также, характеристики кинематического взаимодействия пары коллектор-щетка к которым относятся параметры динамики такого взаимодействия, характеризующие стабильность контакта.
В четвертый уровень включены интегральные проявления рассматриваемых дефектов при функционировании ТЭД, которые могут быть использованы при реализации существующих или, потенциально, при разработке новых способов определения дефектов элементов конструкции двигателя. Выделено три проявления рассматриваемых дефектов: нарушение нормальной коммутации ТЭД, изменение параметров и характеристик работы двигателя в установившемся режиме работы, изменение параметров и характеристик электромеханических переходных процессов в двигателе.
На последнем, пятом, уровне схемы расположены возможные диагностические параметры, соответствующие каждой из приведенных выше разновидностей проявления дефектов.
Рассмотрим межэлементные связи между элементами второго и третьего уровней схемы. Межвитковое замыкание обмотки главного полюса приводит к уменьшению м.д.с. этого полюса, следствием чего является уменьшение среднего значения общего магнитного потока по продольной оси машины. Кроме этого, короткозамкнутый виток оказывает демпфирующее действие на изменение магнитного потока под действием изменяющихся м.д.с, расположенных в продольной оси. Результатом демпфирующего действия является снижение скорости изменений этого потока. Неточная расстановка главных полюсов по окружности вызывает асимметрию общей картины пространственного распределения потоков относительно продольных осей (для случая многополюсной машины, которой является ТЭД). При значительных токовых нагрузках, когда рабочая точка двигателя на магнитной характеристике двигателя находится на участке насыщения, происходит уменьшение общего магнитного потока продольных осей. Это происходит из-за того, что уменьшение потока под одними полюсами и увеличение потока под другими (из-за асимметрии распределения потоков) происходит не на одинаковые величины. Уменьшение магнитного потока продольной оси может происходить и из-за не плотностей или перекосов между посадочными поверхностями главного полюса и остова.
Величина магнитного потока продольной оси машины во многом влияет на величину тока якоря, поскольку последняя находится в прямой зависимости от величины противо - э.д.с. обмотки якоря которая, в свою очередь, непосредственно связана с величиной магнитного потока продольной оси. Межвитковые замыкания обмотки якоря также влияют, при прочих равных условиях, на величину тока якоря, поскольку при этом уменьшается число эффективных проводников обмотки якоря, которое изменяет величину противо - э.д.с. обмотки якоря.
Межвитковые замыкания в обмотках дополнительных полюсов уменьшают м.д.с. таких полюсов. Результатом этого является уменьшение результирующего магнитного потока по поперечной оси машины. Короткозамкнутый виток, образованный МВЗ обмотки дополнительного полюса препятствует изменению магнитного потока поперечной оси, приводя к уменьшению скорости изменения этого потока под действием изменений тока дополнительных полюсов. Неточность установки дополнительных полюсов по окружности приводит к появлению пространственной асимметрии картины поля продольных осей двигателя. Это вызывает расхождение значений индукций и магнитных потоков под отдельными дополнительными полюсами. Изменение величины второго диамагнитного зазора между главным полюсом и остовом двигателя ведет к увеличению (уменьшению) магнитного сопротивления по данной поперечной оси, следствием чего является изменение магнитного потока не только данного полюса, но и смежных дополнительных полюсов.
Межвитковое замыкание компенсационной обмотки приводит к уменьшению м.д.с. такой обмотки, следствием чего является уменьшение результирующей м.д.с, действующей по поперечной оси, ведущее к уменьшению магнитного потока поперечной оси машины. Так же, как и в случае с МВЗ обмотки дополнительного полюса, короткозамкнутый виток компенсационной обмотки приводит к уменьшению скорости изменений магнитного потока поперечной оси двигателя.
Неточная установка щеток двигателя относительно геометрической нейтрали машины вызывает появление м.д.с. продольной и поперечной составляющих реакции якоря. Это, в свою очередь изменяет величины магнитных потоков по продольной и поперечной осей двигателя.
Уменьшение скоростей изменения магнитных потоков продольной и поперечной осей машины приводит к увеличению скорости изменения тока якоря двигателя. Данное обстоятельство объясняется следующим. Изменения магнитных потоков вызываются изменением м.д.с. тех или иных обмоток вследствие изменений тока обмоток. При этом, в витках обмоток возникают э.д.с. индукции или самоиндукции, пропорциональные скорости изменений магнитных потоков. Такие э.д.с, действуют в единой последовательной цепи обмоток машины и направлены таким образом, чтобы препятствовать изменению тока обмоток. Поэтому, при уменьшении скоростей изменений магнитных потоков из-за демпфирующего действия ко-роткозамкнутых витков, уменьшаются э.д.с, возникающие в обмотках и уменьшается их демпфирующее действие на изменения тока обмоток.
Математическая модель двигателя независимого возбуждения с учетом смещении щеток с нейтрали
В установившемся режиме, поток главного полюса - Фа делится в остове машины на две равные части. Поток дополнительных полюсов в остове так же делится на две равные части. В итоге, по одним и тем же участкам остова проходят части потоков и главного и дополнительного полюсов. В одних межполюсных участках остова эти потоки складываются, в других - вычитаются. Однако, поскольку рассматривается симметричная и ненасыщенная магнитная система, увеличение потока на одном участке происходит на такую же величину, что и уменьшение потока на смежном межполюсном участке. В итоге, изменения потоков главного и дополнительного полюсов не происходит. При симметричной расстановке всех полюсов магнитная связь главного полюса с дополнительным отсутствует. Происходит это из-за того, что потоки Ф а, которые могли бы такую связь образовать, взаимно компенсируют друг друга.
Для учета действия вихревых токов в магнитопроводе при переходных процессах разработаны различные методы их расчета. В данной работе использовался метод М.З. Жица, подробно изложенный в [22] и достаточно широко используемый при исследованиях переходных процессов в машинах постоянного тока. На рис. 12-6) в соответствии с этим методом изображена схема замещения магнитной цепи двигателя на пути замыкания потока главных полюсов. Магнитопровод представлен двумя параллельными ветвями. По одной из них, имеющей магнитное сопротивление l,23Rm-, замыкается первая гармоника потока Ф По второй ветви с сопротивлением 5,29Rmi протекает поток высших гармоник - Фг. Суммируясь, потоки Ф-і и Фг образуют результирующий магнитный поток машины. Величина Rmi - магнитное сопротивление всего магнитопровода на первом участке линейной аппроксимации магнитной характеристики главных полюсов. Каждый сердечник охвачен отдельным короткозамкнутым витком с собственной электрической проводимостью: g - для первой гармоники потока и 0,477g - для потока высших гармоник. Для учета нелинейности магнитной характеристики вводятся м.д.с. нелинейности FHJ1 и фиктивное сопротивление (Rmk - Rmi)- Величины Rmi и g определяются геометрическими размерами, магнитными и электрическими и свойствами элементов рассматриваемой магнитной цепи.
Каждый і -й элемент магнитопровода, по которому протекает поток и в котором возникают вихревые токи, можно представить двумя параллельно включенными RL цепями со своими численными значениями Rr=Rii и Lf= g . На рисунке 13-а) показаны элементы магнитопровода, по которым протекает поток главных полюсов.
Для упрощения, вместо двух параллельных ветвей на каждом участке, показаны их эквивалентные параметры. Индексы элементов обозначают: о - остов, гп -главный полюс, 51 - воздушный зазор под главным полюсом. На рисунке 14-а) приведена аналогичная схема для потока дополнительных полюсов. Индексы обозначают: дп - дополнительный полюс, 82 - второй диамагнитный зазор под дополнительным полюсом. Из сопоставления рис. 13-а) и рис. 13-а) видно, что оба магнитных потока имеют общий элемент магнитопровода - межполюсной фрагмент остова (Ro, g0), обладающий активной и реактивной составляющими магнитного сопротивления. Предварительные экспериментальные исследования процесса пуска двигателя НБ-418К6 показали, что при пуске от источников пониженного напряжения рабочая точка на магнитной характеристике не выходит из зоны ее линейного участка, т.е. магнитопровод машины оказывается ненасыщенным. На основании этого, дальнейший анализ процессов и построение математической модели производился для ненасыщенного магнитопровода. Поскольку предполагается, что во время опыта пуска двигателя рабочая точка на магнитной характеристике главных полюсов не выходит за пределы линейного участка, Ro и g 0 оказываются линейными. Кроме этого, учитывая, что в смежных межполюсных участках остова эффекты от взаимодействия потоков главных и дополнительных полюсов противоположны и взаимно компенсируют друг друга, было предположено, что переходные процессы в цепи главных и дополнительных полюсов машины не связаны и проводить расчет этих процессов одновременно и обособленно друг от друга. На рисунках 13-6) и 14-6) приведены расчетные схемы замещения магнитных цепей для расчета переходных процессов в главных и дополнительных полюсах соответственно. Схемы построены по методике М.З. Жица, однако, в них не используются элементы, учитывающие нелинейность магнитных характеристик. Параметры элементов схем рассчитываются по выражениям [22]. Эквивалентные магнитные сопротивления R и Rjq определяются из кривых намагничивания соответственно главных и дополнительных полюсов машины для холостого хода. Расчет значений "магнитных индуктивностей" g и gm производится следующим образом [22]: где у, угп, Удп - удельные электрические проводимости стали остова, главных и дополнительных полюсов соответственно; h0, /0, а0 - толщина остова, половина длинны магнитной линии в остове между полюсами (главными или дополнительными), активная длинна остова по его оси; агп, адп - ширина главного и дополнительного полюса соответственно; Ьгп, Ьдп - длинна главного и дополнительного полюса соответственно; /гп, /дп - высота главного и дополнительного полюса соответственно. В соответствии с методом М.З. Жица, изменения магнитных потоков в магни-топроводе определяются системой двух дифференциальных уравнений. Применительно к цепи главного магнитного потока система имеет вид.
Определение величины смещения щеток с нейтрали методом параметрической идентификации модели пуска тягового электродвигателя
В случае установления факта смещения щеток диагностируемого ТЭД с нейтрали, определение величины такого смещения может быть произведено не только расчетным путем по аналитической зависимости. Как было ранее рассмотрено (п. 2.3), система диагностирования ТЭД может быть построена с использованием идентифицируемой модели пуска двигателя. Для решения задачи определения величины смещения щеток в качестве идентифицируемой модели может быть использована построенная ранее модель пуска двигателя (33), одним из параметров которой является численное значение величины смещения щеток S.
В качестве входных переменных, как объекта (ТЭД) так и модели, рассматриваются: напряжение на выводах цепи якоря ua(t) и напряжение на выводах обмотки возбуждения- uB(t). В качестве выходных, контролируемых функций, рассматриваются изменения угловой скорости вращения якоря - со (t) и тока якоря ia (t) во время опыта пуска.
После завершения опыта пуска, в соответствии со схемой рис.9, потоки зафиксированных и запомненных значений входных функций должны поступать на математическую модель пуска двигателя (33), которая воспроизводит процесс пуска для исходных, заранее заданных значений параметров модели. На выходе модели формируются потоки мгновенных значений выходных функций модели 6j(t) и a(t). Далее, на основе сравнения U)(t) с ш (t) и L,(t) с ia (t), формируется показатель качества идентификации (6), исходя из значения которого принимается решение о необходимости итерации вектора Pv значений текущих параметров модели. В случае, если происходит итерация значений, вновь моделируется процесс пуска с новыми значениями параметров модели. Процесс идентификации заканчивается, когда значение показателя качества идентификации примет минималь ное значение. В этом случае, функции li)(t), ш (t), a(t), ia (t) оказываются наилучшим образом приближенными друг к другу. Значения вектора Pv в последней итерации принимаются в качестве оценок аналогичных параметров диагностируемого двигателя. Одной из компонент вектора Pv является и определяемое значение смещения щеток двигателя с нейтрали.
Общее число компонент вектора Pv модели (33) довольно большое. Для каждого конкретного диагностируемого ТЭД значения большинства этих компонент, в силу технологических отклонений или существующих дефектов отличаются. В связи с этим, в ходе идентификации Pv, большинство компонент этого вектора должны изменяться при итерациях. Необходимость изменения большого количества параметров модели приводит к тому, что значение показателя качества идентификации Н становится функцией большого числа переменных: H=f(n), где п число изменяемых компонент Pv. Это может привести к затруднению в определении минимума функции Н, и, как следствие, - снижению точности определения оптимальных значений компонент Pv. В конечном итоге, снижается достоверность диагностирования. Кроме этого, резко увеличивается время идентификации. Повышение точности идентификации и снижение ее времени можно попытаться добиться путем построения более оптимальной математической модели, используемой для определения величины смещения щеток на основе исходной математической модели (33). Рассмотрим возможность построения модели, более оптимальной по сравнению с (33) для определения величины смещения щеток двигателя на основе использования опытов пуска двигателя.
Конечной целью является определение оценки единственного параметра математической модели (33) - величины смещения щеток. Значения всех остальных параметров модели, для нас не должны представлять интереса. Поэтому, можно попытаться исключить ряд не интересующих нас параметров. Для определения такой возможности, рассмотрим функциональную схему ТЭД, которую отражает и исходная математическая модель (33). Такая схема приведена на рис. 23.
В этой схеме ТЭД разбит на подсистемы, объединенных различными функциональными связями. Вычленение отдельных подсистем ТЭД производилось на основе анализа процессов, происходящих в двигателе во время опыта пуска. Было выделено три типа взаимосвязанных переходных процессов в двигателе: - процесс изменения тока двигателя; - процесс изменения магнитных потоков; - процесс изменения угловой скорости вращения якоря. На основании этого, были определены три подсистемы ТЭД: электрическая, магнитная, механическая. Элементы электрической подсистемы объединены электрическими связями. Еще одним объединяющим началом элементов электрической системы является то, что на каждом из них в ходе опыта пуска создается ли 100 бо падение напряжения, либо - появляется э.д.с. Элементы магнитной системы определяют значения магнитных потоков двигателя при заданных значениях магнитодвижущих сил, воздействующих на такую подсистему. Механическая подсистема формирует величину электромагнитного момента двигателя, ускорение якоря и его угловую скорость. Выходными функциями электрической подсистемы являются: ток якоря - ia(t), м.д.с, действующая по продольной оси якоря - Fd(t), м.д.с, действующая по поперечной оси двигателя - Fq(t). На выходе магнитной подсистемы формируются магнитные потоки: Od(t) Фц{І)- Механическая подсистема формирует функцию изменения угловой скорости вращения якоря - co(t).
Рассмотрим связи отдельных подсистем, учтенные в (33). Мгновенные значения изменений магнитного потока продольной оси - Od(t) влияет на величину противо-э.д.с. двигателя. Кроме этого, производная этой функции влияет на величину э.д.с, появляющуюся в витках обмотки возбуждения WB и витках продольной реакции якоря wacj. Изменения магнитного потока поперечной оси влияет на э.д.с, возникающую в витках главных полюсов - \Л/ДП, витках компенсационной обмотки - WK0, витках поперечной реакции якоря - waq. На механическую подсистему, в рамках принятых допущений при построении модели (33), функция Oq(t) влияния не оказывает. Электромагнитный момент двигателя, формируемый механической подсистемой, определяется изменениями тока якоря ia(t) и магнитного потока продольной оси - t d(t). Угловая скорость вращения якоря оказывает влияние на величину противо - э.д.с. двигателя. Таким образом, все подсистемы двигателя охвачены действием различных связей, часть из которых является обратными связями.
