Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса надёжности и долговечности изоляции асинхронных вспомогательных машин 14
1.1 Состояние надёжности асинхронных вспомогательных машин электровозов переменного тока на ВСЖД 14
1.2 Эксплуатационные особенности работы асинхронных вспомогательных машин электровозов переменного тока на ВСЖД 22
1.3 Анализ методов мониторинга надёжности и долговечности асинхронных электродвигателей и прогнозирования остаточного ресурса изоляции как лимитирующего элемента в конструкции АВМ 32
1.4 Выводы 43
2 Теоретическое обоснование старения изоляции от различных деградационных факторов 45
2.1 Теоретическое обоснование уравнения регрессии старения изоляции от действия комплекса факторов 45
2.2 Классическая теория нагревания асинхронного электродвигателя 54
2.3 Теоретическое обоснование механизма локального перегрева изоляции обмотки статора в режиме пуска АВМ 61
2.4 Выводы 68
3 Математические модели деградационных факторов, влияющих на старение изоляции АВМ 69
3.1 Математическое моделирование пуска двигателя в среде Mathcad 69
3.2 Токо-интеграционный метод определения перегрева изоляции АВМ 78
3.3 Математическая модель процесса нагревания с учётом конструктивных особенностей обмотки 87
3.4 Конечно-элементное моделирование нагрева изоляции от действия пусковых токов из различных состояний в среде MSC Patran и Mark
3.5 Расчёт количества испытуемых двигателей при планировании эксперимента по выявлению законов старения изоляции в лабораторных условиях 102
3.6 Математическая модель выбора закона вибрационного старения по хронологии вибронагружения 106
3.7 Выводы 111
4 Методика, техника и результаты экспериментальных исследований 113
4.1 Физическое моделирование обмотки собственных нужд тягового трансформатора магистральных электровозов переменного тока 113
4.2 Экспериментальная установка моделирования работы АВМ 119
4.3 Выбор и создание технических средств для проведения эксперимента. 128
4.4 Программно-технический комплекс системы мониторинга состояния изоляции 135
4.5 Алгоритм функционирования системы мониторинга 144
4.6 Результаты экспериментальных исследований 154
4.7 Проверка сходимости математического и физического моделирования нагревания тела от действия тока при изменяющейся нагрузке 161
4.7 Выводы 164
5 Экономическое обоснование эффекта от внедрения системы мониторинга состояния изоляции АВМ наВСЖД 165
5.1 Определение сметной стоимости оборудования 165
5.2 Определение дополнительных эксплуатационных расходов 168
5.3 Определение экономической эффективности от перехода на систему ремонта по фактическому состоянию 169
5.4 Определение экономической эффективности внедрения 173
Заключение 178
Список литературы 180
- Эксплуатационные особенности работы асинхронных вспомогательных машин электровозов переменного тока на ВСЖД
- Классическая теория нагревания асинхронного электродвигателя
- Математическая модель процесса нагревания с учётом конструктивных особенностей обмотки
- Экспериментальная установка моделирования работы АВМ
Эксплуатационные особенности работы асинхронных вспомогательных машин электровозов переменного тока на ВСЖД
Апробация результатов работы. Основные положения, результаты, выводы и рекомендации диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительные отзывы на всероссийских и международных научно-технических конференциях: 3-й ежегодной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы транспорта Восточной Сибири», ИрГУПС (г. Иркутск 2012 г.); 3-й Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» ИрГУПС, (г. Иркутск 2012 г.); 72-й ежегодной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Транспорт: проблемы, идеи, перспективы - Неделя науки 2012» ПГУПС (г. Санкт-Петербург, 2012 г.), 73-й ежегодной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Транспорт: проблемы, идеи, перспективы - Неделя науки 2012» ПГУПС (г. Санкт-Петербург, 2013 г.); Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных ИрГУПС с международным участием «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (г. Иркутск, 2012-2013 гг.); 9-й международной научно-технической конференции «Повышение эффективности эксплуатации коллекторных электромеханических преобразователей энергии», посвященной 110-летию со дня рождения М.Ф. Карасёва и 70-летию со дня образования кафедры «Электрические машины и общая электротехника» ОмГУПС (г. Омск, 2013 г.); заседании кафедры «Электрическая тяга» ПГУПС (г. Санкт-Петербург, 2013 г.); расширенном заседании кафедры «Электроподвижной состав» ИрГУПС (г. Иркутск, 2014 г.); расширенном заседании кафедры «Электрические машины и общая электротехника» ОмГУПС (г. Омск, 2014 г.). Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, включая три статьи в периодических журналах, рекомендованных ВАК, патент РФ на изобретение.
Личный вклад соискателя. Автор непосредственно участвовал в качестве исполнителя на всех этапах проведения исследований, включая формулировку цели и постановку задач диссертации, математическое моделирование, создание представленных в работе методик, конечно-элементное моделирование, создание экспериментальных установок, проектирование и создание системы мониторинга, получение и обработку экспериментальных данных.
Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Объём диссертации составляет 179 страниц основного текста, включая 80 рисунков и список использованных источников из 134 наименований. 1 Состояние вопроса надёжности и долговечности изоляции асинхронных вспомогательных машин 1.1 Состояние надёжности асинхронных вспомогательных машин электровозов переменного тока на ВСЖД
Надёжность электровозов во многом зависит от стабильной работы тяговых электрических двигателей (ТЭД), силового трансформатора, вы-прямительно-инверторного преобразователя, пневматических тормозов поезда [23, 51, 118]. Исправная работа всех вышеупомянутых узлов, агрегатов и машин обеспечивает реализацию максимальной производительности локомотива и позволяет осуществлять перевозку грузов с наибольшей участковой скоростью. Можно также отметить важную роль рекуперативного тормоза, позволяющего поддерживать стабильную максимально допустимую скорость при торможении на спусках благодаря постоянной тормозной силе, создаваемой на ТЭД. Работа всего вышеупомянутого силового оборудования невозможна без стабильной безотказной работы асинхронных вспомогательных машин (АВМ) [114].
Надёжность асинхронных машин, в свою очередь, зависит от электрической прочности изоляции и качества эксплуатации [11, 20, 24, 43, 64]. Долговечность изоляции зависит от температурного режима, вибрационных нагрузок и увлажнения. Качество эксплуатации зависит от симметрии, формы кривой токов и напряжений питающих АВМ, а также системы ремонта и технического обслуживания. Среди факторов, влияющих на качество эксплуатации, часто отмечают сложные условия работы и недостаточно высокое качество ремонта [9, 27, 40, 116], по причине чего наблюдается множественные выходы из строя АВМ.
Из анализа статистики отказов можно увидеть, что 20% двигателей от общего количества АВМ эксплуатируемых на электровозах серии «ЕРМАК» выходили из строя в течении 5 лет, причём более 73% двигателей не доработали до 300000 километров пробега электровозов в первые два года эксплуатации. Распределение отказов по пробегам приведено в таблице 1.1.
Отмечено, что наименьшей надёжностью обладает двигатель мотор-компрессора (МК), поскольку 50% всех двигателей данного механизма вышли из строя и были заменены или прошли капитальный ремонт [123, 125]. Подобная ситуация сложилась и с двигателями привода первого мотор-вентилятора (МВ1). Распределение отказов по типу приводимых механизмов представлено в таблице 1.2 и на рисунке 1.1.
Самой низкой надёжностью обладает мотор-компрессор, его отказы происходят по трём основным причинам: выплавление ротора, пробой изоляции статора, неисправность подшипников. Статистические данные приведены в таблице 1.4. Практически такой же надёжностью обладает и первый мотор-вентилятор (MB). За период эксплуатации МК переносит значительно большее количество пусков, однако пуски происходят легче, так как компрессор в пути следования запускается при уже работающих других вспомогательных машинах, что создаёт лучшие условия с точки зрения качества питающей энергии. Условия пуска МВ1 сложнее, чем у МК по причине более сильных деструктивных воздействий пусковых токов на АВМ.
Классическая теория нагревания асинхронного электродвигателя
В настоящее время актуальна стратегия осуществления эффективного обслуживания и ремонта - бережливой эксплуатации АВМ ЭПС, которая заключается в максимальной выработке ресурса машины путём предотвращения не актуального вмешательства в исправно работающее оборудование во время планового ремонта и постановке на обслуживание до события отказа машины, практически выработавшей свой ресурс [55]. Для реализации данной стратегии необходимо иметь глубокое представление о надёжности всех эксплуатируемых машин, которое требует вложения определённых средств, однако в дальнейшем в силу существенной экономии ресурса окупится; данная стратегия формулируется как переход к системе ремонта по фактическому состоянию.
В настоящее время для определения состояния изоляции применяются методы контроля и диагностики электрических машин, не создающие представления о её надёжности. Однако в силу актуальности данного вопроса многочисленные учёные вели разработки в этом направлении, поэтому существуют методы прогнозирования остаточного ресурса, позволяющие определять математическое ожидание наработки на отказ каждой конкретной машины. Часто подобные устройства называют системами мониторинга [32]. Мониторинг содержит в себе три элемента: контроль за объектом, диагностику его состояния и прогнозирование динамики развития его параметров, в нашем случае надёжности, а точнее остаточного ресурса изоляции.
Существуют разработки методик, систем и устройств, позволяющих осуществлять мониторинг состояния изоляции асинхронных двигателей в различных отраслях. Важно заметить, что эксплуатационные условия машин, работающих в различных технологических установках на разных предприятиях могут резко отличаться, а условия эксплуатации АВМ ЭПС, которые представлены в п. 1.2 отличаются особой сложностью.
Один из способов мониторинга предложен А.В. Ведяшкиным [13] для прогнозирования ресурса - осуществление моделирования эксплуатационной надежности крановых асинхронных двигателей. Условия эксплуатации данных крановых асинхронных двигателей обладают достаточной стабильностью, режим работы в среднем равномерный на протяжении всей эксплуатации и зависит от температуры окружающей среды, напряжения сети, нагрузки на двигатель - момента сопротивления на валу. Перечисленные факторы в среднем демонстрируют стабильность, хотя и приводят к ухудшению численных показателей надёжности. Данная ситуация даёт возможность корректировать периоды их обслуживания и ремонта, основываясь на статистической обработке данных отказов групп машин. Т.е. группы машин работают в условиях стабильных разрушающих воздействий, а их наработки на отказ подчиняются конкретным законам распределения.
Таким образом, было предложено определить фактические численные значения показателей эксплуатационной надёжности крановых асинхронных двигателей по статистическим данным наработок, поступающим в процессе эксплуатации мостовых кранов, и по результатам оценки показателей эксплуатационной надежности определять стратегию совершенствования системы технического обслуживания и ремонта.
Данный метод мониторинга прост в реализации относительно других, однако его применение к надёжности АВМ электровозов переменного тока невозможно в силу причин указанных выше.
Для эффективного корректирования системы обслуживания и ремонта АВМ электровозов необходим более детальный подход к надёжности двигателей. Анализ статистических данных отказов групп эксплуатируемых машин не может создать объективного представления о надёжности машин в силу многофакторности и различных степеней влияния разрушающих воздействий на АВМ ЭПС; подтверждением этому служат исследования, представленные в п. 1.1.
Существует альтернативный метод повышения эксплуатационной надёжности за счёт коррекции стратегии облуживания и ремонта. Он заключатся в прогнозировании остаточного ресурса изоляции асинхронной машины на основе известных законов старения. Самыми последними исследованиями, посвященными определению остаточного ресурса изоляции электрических машин, являются работы [4, 26, 27, 51, 64, 72, 76, 94].
Методика, предложенная С.К. Пустохайловым, [94], заключается в прогнозировании остаточного ресурса изоляции через функциональное увязывание времени пуска двигателя и его срока службы. Отрицательной стороной является необходимость обеспечения на всём протяжении работы двигателя постоянного значения напряжения, температуры окружающей среды, коэффициента несимметрии, влажности, т.е. для реализации данного метода необходимо исключить из условий эксплуатации разрушающие воздействия от флуктуации перечисленных факторов. Также не учитывается влияние вибрации. В основе метода лежит замер времени пуска двигателя и определение срока службы двигателя по номограмме графоаналитическим методом (рисунок 1.12). В ходе диссертации получен патент на устройство по определению времени пуска двигателя, которое не может быть применено на электровозе.
В методике, предложенной Т.Е. Минаковой [76], предлагается вести учёт следующих факторов: питающего напряжения, теплового старения, несимметрии питающего напряжения, влажности и вибрации. При этом в работе представлены экспериментальные исследования и аппроксимация зависимостей срока службы от совместного воздействия температуры при различных напряжениях, от влажности при различных напряжениях. Однако не была приведена функциональная зависимость износа изоляции в процессе увлажнения и осушения, т.е. полного цикла стандартных для АВМ электровоза процессов тепломассообмена.
Математическая модель процесса нагревания с учётом конструктивных особенностей обмотки
Целесообразность в использовании классической теории нагревания и охлаждения изоляции асинхронных вспомогательных машин электровозов на основе анализа дифференциального уравнения энергетического баланса была обусловлена целесообразностью исследования скорости нагревания изоляции в процессе износа, как критерия ресурса изоляции.
Как уже говорилось ранее, основным элементом, лимитирующим перегрев электродвигателя, является изоляция обмоток статора [112, 119]. Очень часто в учебной литературе термины «изоляция» и «диэлектрик» отождествляют. В этой связи необходимо привести определение этих терминов из справочных пособий, содержащих отечественные и зарубежные стандартизированные и рекомендованные термины в области электротехники. В соответствии с этими документами «диэлектрик» определяется как вещество, основным свойством которого является способность поляризоваться в электрическом поле. «Изоляция» - материал, обычно диэлектрик, препятствующий прохождению тока проводимости. Термин «диэлектрик» относится к области теоретических основ курса «Физика диэлектрика». Термин «изоляция» отражает основные характеристики электрической изоляции и несёт в себе прежде всего практическую значимость. Физика диэлектрика и электроизоляционные материалы являются предметами отдельных курсов.
Основы теории нагревания и охлаждения электродвигателя наиболее эффективно представлять на базе анализа дифференциального уравнения энергетического баланса для идеального однородного тела.
При составлении дифференциального уравнения энергетического баланса применительно Левая часть уравнения (2.7) отражает приход теплоты в результате потерь. Правая часть уравнения (2.7) отражает расход теплоты. Причём первый член правой части Axdt отражает количество теплоты, переданное с поверхности электродвигателя в охлаждающую среду, а второй член правой части Cdx отражает количество теплоты, израсходованное на нагревание электродвигателя на величину dx за одно и то же время dt.
Механические потери/? состоят из: потерь в подшипниках; вентиляционных потерь, включающих потери на трение частей машины о воздух и другие потери, связанные с вентиляцией машины (мощность кинетической энергии отходящего воздуха и потери в вентиляторе). В ряде случаев электрические машины охлаждаются не воздухом, а водородом или водой, и соответствующие потери также относят к вентиляционным.
Магнитные потери рмг включают в себя потери на гистерезис и вихревые токи, вызванные перемагничиванием сердечников активной стали.
Электрические потери рэл в каждой обмотке вычисляют по формуле рэл = l2r. Сопротивление обмотки зависит от ее температуры. Поэтому ГОСТ предусматривает определение потерь в обмотках при расчётной температуре 75 С для классов изоляции обмоток А, Е и В и 115 С для классов FHH[48].
К группе добавочных потерь / относят потери, вызванные различными вторичными явлениями при нагрузке машины. Поэтому указанные потери, зависящие от тока нагрузки, называют иногда также добавочными потерями при нагрузке.
Согласно [31] Т - время, в течение которого превышение температуры вращающейся электрической машины при её нагревании с отдачей теплоты в окружающую среду, изменяясь от нуля по экспоненциальному закону, достигает значения равного 0,632 установившегося.
Графически изменение температуры электродвигателя во времени представляет собой экспонентную кривую.
Постоянной времени охлаждения электродвигателя называют время Т0, в течение которого превышение температуры вращающейся электрической машины при её охлаждении изменяясь по экспоненциальному закону, достигает значения равного 0,368 первоначального.
Постоянные времени нагревания и охлаждения электродвигателя есть величины постоянные для каждого двигателя; для различных электродвигателей эти величины зависят от размеров и конструктивного исполнения электродвигателя и растут от нескольких минут до нескольких часов с ростом мощности двигателей.
Постоянная времени нагревания электродвигателя может быть определена как аналитически, так и графически. Пользуясь выражением и зная вес отдельных частей электродвигателя и потери энергии, соответствующие его номинальной мощности, можно аналитически опреде 60 лить величину постоянной времени нагревания всего электродвигателя или его части. Если С - весовая теплоемкость, то C = cG, где с - удельная теплоёмкость, a G - вес электродвигателя или отдельной его части. Тогда
Многочисленными исследования установлено, что на срок службы изоляции электродвигателя оказывает значительное влияние не только её нагрев выше предельно допустимых значений температуры, но и в большей степени превышение предельно допустимой скорости нагревания для данного класса нагревостойкости. Чтобы определить скорость нагрева для данного класса изоляции, необходимо продифференцировать уравнение нагрева по времени t и исследовать его на экстремум т.е. предельно допустимая скорость нагревания изоляции двигателя в процессе его эксплуатации не должна превышать значений, получаемых путем деления предельно допустимого превышения температуры для данного класса нагревостойкости на постоянную времени нагревания изоляции электродвигателя.
Экспериментальная установка моделирования работы АВМ
Процесс старения изоляции неразрывно связан с её перегревом. По этой причине при реализации контроля остаточного ресурса изоляции очень важна точность отслеживания уровня и величины перегрева изоляции. Существующее выражение экспоненциального закона нагревания двигателя не может учитывать кратковременных флуктуации температуры, вызывающих перегревы различной степени и ведущих к сокращению срока службы АВМ; по этой причине необходимо произвести математическое моделирование процесса нагревания при кратковременных температурных отклонениях [5]. По причине того, что расчёты будут производиться посредством микроконтроллерного блока, возможности которого позволяют легко производить циклические вычисления [74, 126], в математическом моделировании были применены методы численного интегрирования [38], наряду с этим опре де 79 ление температуры производилось по значению тока. Основываясь на этом, изложенный ниже метод предложено назвать токо-интеграционным.
В реальных условиях эксплуатации АВМ значение тока каждой фазы двигателя непостоянно, что вызывает изменение формы кривой нагревания. Коммутационные режимы также характеризуются резким ростом потерь в двигателе, так как им свойственно высокое значение пусковых токов, низкий к.п.д. и высокий коэффициент несимметрии. Если допустить, что условия охлаждения стабильны, то в выражении (3.21) с ростом тока меняется только Q, поскольку постоянная времени нагрева неизменна. Таким образом, при увеличении тока в обмотках статора скорость нагревания увеличивается, однако время нагрева двигателя до температуры То, остаётся неизменным. Пользуясь выражением (3.21) построим семейство кривых нагрева двигателя для различных значений тока статора.
Приведённые на рисунке 3.8 кривые построены в соответствии с законом нагревания полученного из дифференциального уравнения температурного баланса. В качестве тела нагревания была рассмотрена обмотка одной фазы статора АВМ, кривые нагревания рассчитаны при протекании в ней токов различной величины по выражению (3.21). Для каждой кривой графически найдена постоянная времени нагрева. Она находится следующим образом. Касательная линия к графику функции, проходящая через ноль при пересечении с уровнем Too образует точку, а отрезок на оси времени ограниченный нулевым значением времени и полученной точкой и есть постоянная времени нагрева. Наглядно показано, что постоянная времени нагрева неизменна для всех зависимостей. Каждую из кривых мы можем легко описать функционально, если нам известен ток, протекающий в обмотках, однако все кривые построены при условии постоянства действующего тока и джоулевых потерь, но значение тока в реальности нестабильно, так как зависит от напряжения на обмотке собственных нужд и количества параллельно работающих машин, которое постоянно изменяется.
Вопрос контроля температуры в условиях нестабильности тока можно решить посредством интегрирования токовой кривой [62]. Вычислив интеграл, мы получим значение энергии, затраченной на нагревание обмоток, т.е. потери, что позволит определить температуру обмоток. Однако вычисление интеграла функции токовой кривой сложная операция, которая требует накопления массива данных, его аппроксимации в функции токовой кривой и других сложных математических расчётов, требующих больших вычислительных ресурсов микроконтроллера. Данные расчёты необходимо производить для трёх фаз, что ещё более усложняет процесс.
Решением задачи быстрого и достаточно точного интегрирования токовой кривой является применение численных методов [7, 38]. Микроконтроллерный блок может производить расчёты циклически, с достаточно высокой тактовой частотой [72], однако каждой дополнительной расчётной операции требуется место в оперативной памяти, что занимает определённое количество тактов, увеличивает длительность итерации цикла и соответственно ведёт к увеличению шага интегрирования. Для определения энергии, действующей на обмотки АВМ от протекания в них тока, т.е. потерь в меди, при условии того, что действующее значение тока постоянно изменяется, например, в коммутационных режимах или в моменты колебаний напряжения в КС, предложено использовать методы численного интегрирования, а именно метод средних прямоугольников [38, 106]. Графически интегрирование токовой кривой можно изобразить так, как показано на рисунке 3.9. Шаг интегрирования предполагается выбрать равным At = 0,01... 0,02с. Данный интервал выбран по производительности микроконтроллера и скорости работы интерфейса, которые должны за длительность итерации произвести весь цикл алгоритма операций от опроса входных каналов - датчиков до сохранения рассчитанных величин в память.
В силу инерционности и относительной плавности механических процессов в двигателе такая длительность шага при интегрировании по времени действующего значения тока позволит снизить погрешность практически до нуля. В режимах изменения напряжения в течение 2...3 секунд в рамках одной итерации функция тока будет практически линейной (рисунок 3.9 (б)), а погрешность стремиться к нулю. Резкие переходные процессы, такие как пусковые броски тока, просчитываются данным методом с некоторой незначительной погрешностью. Это происходит лишь тогда, когда скорость нарастания тока изменяется очень быстро, и функция в рамках одной итерации имеет нелинейный характер (рисунок 3.9(a)).
