CC BY
35
8. Пат. 113839 Российская Федерация, МПК G 01 M 17/10. Устройство для имитации процесса нагружения колеса на рельс [Текст] / А. А. Ражковский, А. Г. Петракова, Т. Г. Бунькова (Россия). - № 2011131543/11; Заявлено 27.07.2011; Опубл. 27.02.2012. Бюл. № 6. - 2 с.
9. Шилер, В. В. Исследование динамических свойств колесной пары с гибкими независимо вращающимися бандажами [Текст] / В. В. Шилер, П. А. Шипилов, А. В. Шилер // Известия Транссиба/ Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2011. - № 4. - С. 69 - 75.
10. Буйносов, А. П. Универсальная модель оценки износа бандажей колесных пар локомотивов [Текст] / А. П. Буйносов, В. А. Тихонов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2012. - № 2. - С. 16 - 23.
УДК 621.313.2
В. В. Харламов, П. К. Шкодун, Д. А. Ахунов, А. С. Хлопцов
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ПРОФИЛЯ КОЛЛЕКТОРА ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ ПРИБОРА ПКП-4М
Статья посвящена разработке программного обеспечения для анализа и преобразования данных, полученных при исследовании поверхности коллектора тяговых электродвигателей с помощью прибора контроля профиля коллектора ПКП-4М. Применение данного компьютерного приложения в процессе обработки экспериментальных данных позволит повысить достоверность контроля профиля коллектора, а также рассчитать основные диагностические параметры, характеризующие влияние профиля на процесс коммутации.
Состояние коммутации тяговых электродвигателей (ТЭДов) подвижного состава является одним из определяющих факторов, характеризующих надежность работы коллекторно-щеточного узла и электрической машины в целом. Факторы, оказывающие влияние на процесс коммутации в ТЭДе, принято разделять на электромагнитные и механические. Совместное влияние факторов различной природы приводит к неидентичности коммутационных циклов, в результате чего процесс коммутации становится в некоторой степени случайным [1]. В работах ведущих специалистов в области коммутации доказано, что неидентичность коммутационных циклов, обусловленная причинами механической природы, не только не равномерна по коллектору, но и значительно изменяется во времени [2]. Даже при обеспечении необходимых электромагнитных условий коммутации нарушение надлежащего состояния коллектора и щеточного аппарата может привести к появлению интенсивного искрения щеток [3]. Поэтому совершенствование методов анализа влияния механических факторов на процесс коммутации в ТЭДе является одной из первостепенных задач.
Одним из важнейших факторов механической природы, влияющих на процесс коммутации в машинах постоянного тока, является состояние профиля коллектора [4].
В настоящее время при исследовании микрогеометрии коллектора ТЭДа наибольшее применение получил бесконтактный вихретоковый метод. Данный метод нашел свое применение в приборе ПКП-4М, разработанном на кафедре «Электрические машины и общая электротехника» ОмГУПСа, осуществляющем регистрацию состояния поверхности коллектора как в статическом, так и в динамическом режимах [5]. Высокая чувствительность и быстродействие, а также независимость результатов измерений от электрофизических свойств контролируемой поверхности позволяют использовать данный прибор при проведении приемосдаточных испытаний ТЭДов в локомотивных депо. Функциональная схема прибора приведена на рисунке 1.
42 ИЗВЕСТИЯ ТраHccriga ■—
ГВС
Схема измерения
Датчик|
ИП
КП
Д1
Д2
ДУ
УПТ
АЦП
ЦН
К осциллографу К компьютеру
Рисунок 1 - Функциональная схема прибора ПКП-4М: ГВС - генератор высокочастотного сигнала; ИП - измерительный преобразователь; КП - компенсационный преобразователь; Д1, Д2 - детекторы; ДУ - дифференциальный усилитель; УПТ - усилитель постоянного тока;
АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ЦН - цифровой накопитель
Существенный недостаток процесса преобразования исходного аналогового сигнала, поступающего от схемы измерения прибора ПКП-4М, был выявлен при обработке экспериментальных данных, полученных при контроле профиля коллектора тяговых электродвигателей ТЛ-2К1 в локомотивном депо.
При проведении приемосдаточных испытаний напряжение питания на тяговый электродвигатель (рисунок 2) подается от выпрямительных тиристорных преобразователей, наличие которых может стать причиной появления импульсных помех в сигнале прибора ПКП-4М.
Аналоговый сигнал от схемы измерения прибора ПКП-4М представляет собой последовательность импульсов колоколообразной формы, частота следования которых определяется частотой вращения якоря исследуемой машины. При питании ТЭДа от тиристорного преобразователя этот сигнал может быть искажен импульсными помехами, частота которых зависит от частоты питающей сети преобразователя. Так как при определении профиля коллектора интерес представляет не форма сигнала, а его амплитудное значение, то в случае совпадения импульса помехи с вершиной импульса полезного сигнала (рисунок 3) возникает опасность ошибочного принятия величины выброса в качестве максимального значения коллекторной пластины. Это в конечном счете может привести к появлению значительной погрешности при оценке профиля коллектора исследуемого ТЭДа [6].
450
В
350
зоо
250 200 и 150 100 50 0
/ / / / / / / / 1 / (
/ / / / /
/ ( / / ! !
1
мкс
г
Рисунок 2 - Форма питающего напряжения
Помеха
145092 145149 145211 145272 1 45224 145396 14545В 145519 1455В1 14Е643 145704 145766 145623 145339
146013
Время следования импульсов
Рисунок 3 - Фрагмент профиля коллектора тягового электродвигателя
Для исключения этой погрешности исходные данные, полученные от схемы измерения, после аналого-цифрового преобразования предлагается подвергать медианной фильтрации. Основными преимуществами медианных фильтров перед линейными фильтрами низких частот является способность сохранять резкие перепады дискретной последовательности данных, а также эффективность при сглаживании импульсного шума.
Медианная фильтрация осуществляется посредством движения некоторого окна (апертуры) вдоль массива исходных данных и замены значения в центре апертуры медианой исходных значений отчетов внутри апертуры. Выходной сигнал ук скользящего медианного фильтра шириной 2п+1 для текущего отчета к формируется из входного переменного ряда ..., хк-1, хк, хк+1,... в соответствии с формулой из работы [7]:
ук = ( хк-п , хк-и+1, • • •, хк-1 , Хк , хк+1 , • • • , хк+И-1, хк+п ) , (1)
где теё(х1,_, хт х2п+1 ) = хп+^
хт - элементы вариационного ряда, т. е. ранжированные в порядке возрастания значения хт;
х1 = тт ( х1, х2 ,..., х2 п+1 ) £ х2 £ хз £ • " £ х2 п+1 = тах ( х1, х2, • " , х2 п+1 ) .
Для повышения помехоустойчивости контроля профиля коллектора разработан алгоритм (рисунок 4) и компьютерное приложение для обработки экспериментальных данных, полученных после непрерывного аналого-цифрового преобразования сигнала с выхода измерительной схемы прибора. Данный алгоритм предусматривает выполнение двух функций: реализацию медианной фильтрации исходного аналогового сигнала, полученного от схемы измерения прибора ПКП-4М, и поиск максимальных значений сигнала после фильтрации для определения профиля коллектора. Разработка оригинального программного продукта осущест-влялась в среде Borland C++ Builder v6.
Работа программы начинается с ввода исходных данных об исследуемом электродвигателе, чтения исходного файла, содержащего массив чисел, пропорциональных аналоговому амплитудно-модулированному сигналу, полученному от измерительной схемы прибора ПКП-4М. После преобразования единиц измерения (милливольт в микрометры) с учетом чувствительности измерительного канала 10 мВ/мкм производится анализ исходных данных.
После графического представления сигнала профиля коллектора (рисунок 5) принимается решение о целесообразности использования медианного фильтра.
Важнейшей задачей при работе с медианными фильтрами является определение величины апертуры фильтра A, так как от значения этого параметра зависит не только величина нежелательной импульсной помехи, но и амплитуда импульсов от коллекторных пластин. На рисунке 5 представлено окно компьютерного приложения PKP Median Soft при осуществлении фильтрации сигнала профиля коллектора ТЭД ЭД-106. В верхней части окна представлен исходный сигнал после аналого-цифрового преобразования, имеющий в своем составе значительные импульсные помехи, величина которых может в несколько раз превышать величину перепада между соседними коллекторными пластинами. В нижней части окна представлен этот же сигнал, но после обработки медианным фильтром с величиной апертуры А = 9.
Рисунок 5 - Вид окна анализа исходных данных профиля ТЭД ЭД-106 приложения PKP Median Soft
После осуществления фильтрации переходим к нахождению локальных максимумов сигнала, подверженного фильтрации, т. е. к определению профиля коллектора исследуемой машины, а также к расчету диагностических параметров, характеризующих влияние профиля коллектора на коммутацию электрической машины.
Известен ряд параметров, по величине которых принято оценивать степень влияния микрорельефа поверхности коллектора на состояние коммутации диагностируемых ТЭД [5]: - биение поверхности коллектора An;
№ 1(13) м^ттия Транссиба 45
- среднее квадратическое отклонение высот коллекторных пластин ап;
- максимальная величина перепада соседних коллекторных пластин ДНтах;
- среднее квадратическое отклонение перепадов аДН;
- минимальное значение второй производной функции профиля коллектора Пшп-
Величина биения поверхности коллектора Дп определяется как разность между максимально выступающей и максимально западающей коллекторными пластинами. Профиль, в свою очередь, представляет собой совокупность относительных высот коллекторных пластин:
К
1 к
У] ЪТ ^ У] ■ к /=1
(2)
где / - порядковый номер ламели; у, - расстояние от ]-й пластины до произвольно выбранной базы измерения; К - количество коллекторных пластин.
При определении величины максимального перепада между соседними ламелями учтена погрешность 8^ вносимая в результаты непосредственного измерения эксцентриситетом и овальностью поверхности коллектора [5]:
^ А • РП е = 2> А бШ—СОБ
] ^ п К
П=1
2]-1)
К
(3)
где V - номер гармоники; А», фп - амплитуда и фаза у-й гармоники.
С учетом выражения (3) расчет истинного значения перепадов осуществляется по формуле:
АН = АН* - е].
(4)
где АН*] - значения перепадов между соседними коллекторными пластинами, определенные по профилограмме.
По полученной профилограмме осуществляется также приближенное представление функции профиля коллектора п(х), заданной на промежутке 0 < х < К в дискретной системе точек хк, тригонометрическим многочленом вида [8]:
а п-1г
К х) = 0°+>
п= 0
а, соб
V
' ухл 2*—
N у
V
+ Ьп Бт
2*—
V N
ап
+—п соб 2
2*пх
N
(5)
ао
где —— постоянная составляющая; п
К +1
а
2 К-1
К /=0
, соб
2 К -1
Ьп= К
К /=1
а
2 К -1
= К соб
К /=0
' 2*»)
К)
\
2*» К
2р— К
(6)
(7)
(8)
Разложение профиля коллектора по тригонометрическим функциям согласно выражению (5) позволило произвести гармонический анализ. По данным гармонического анализа произведен расчет значений К /:
2
h( x)
4p
K2
2 n—1
■ I
r
v=0
2
a,v cos
v
' vxA 2p—
v K j
+ b„v sin
2p—
K
V
2a p n2 f 2pnxл cos
j
K2
v
K
(9)
j
На рисунке 6 представлен вид окна компьютерного приложения PKP Median Soft, в котором сверху в виде ступенчатой диаграммы показан профиль коллектора тяговой электрической машины ЭД-106. Для снижения влияния вибрации на результат измерения произведено усреднение максимальных значений для каждой ламели по числу оборотов якоря электрической машины за время сбора исходных данных. В этой же системе координат отображен график изменения второй производной функции профиля коллектора по всей длине окружности коллектора. В нижней части окна отображен амплитудный спектр функции профиля коллектора.
Рисунок 6 - Вид окна расчета диагностических параметров ТЭД ЭД-106 приложения PKP Median Soft
В представленном окне (см. рисунок 6) по формулам (2) - (9) производится расчет диагностических параметров профиля коллектора исследуемого ТЭДа.
Предложенный метод непрерывного аналого-цифрового преобразования сигнала измерительного тракта прибора ПКП-4М с последующей программной обработкой данных в приложении PKP Median Soft позволяет повысить достоверность контроля профиля коллектора тяговых электродвигателей в процессе проведения приемосдаточных испытаний путем повышения помехоустойчивости метода анализа профиля при питании исследуемого электродвигателя от тиристорного преобразователя. Кроме того, разработанное программное приложение позволяет рассчитать важнейшие диагностические параметры, характеризующие степень влияния профиля коллектора на процесс коммутации электрической машины.
Список литературы
1. Харламов, В. В. Диагностирование состояния коммутации коллекторных электродвигателей с использованием прибора ПКК-5М [Текст] / В. В. Харламов, П. К. Шкодун, А. П. Афонин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2011. -№ 3 (7).
2. Авилов, В. Д. Методика нормирования качества коммутации в тяговых электрических машинах [Текст] / В. Д. Авилов, Ш. К. Исмаилов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2012. - № 2 (10).
3. Авилов, В. Д. Решение проблемы оптимизации коммутационного процесса в электрических машинах постоянного тока [Текст] / В. Д. Авилов, Ш. К. Исмаилов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2012. - № 4 (12).
4. Петроченко, С. В. Восстановление работоспособности тяговых электродвигателей путем совершенствования технологической операции обработки рабочей поверхности коллекторов [Текст] / С. В. Петроченко // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. -Омск, 2010. - № 1 (1).
5. Харламов, В. В. Методы и средства диагностирования технического состояния кол-лекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей и других коллекторных машин постоянного тока [Текст] / В. В. Харламов / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2002. -233 с.
6. Ахунов, Д. А. Повышение достоверности контроля профиля коллектора электрических машин вихретоковым методом [Текст] / Д. А. Ахунов // Омский научный вестник / Омский гос. техн. ун-т. - Омск, 2012. - № 3 (113).
7. Тутубалин, В. Н. Теория вероятностей и случайных процессов [Текст] / В. Н. Тутуба-лин / МГУ. - М., 1992. - 400 с.
8. Бронштейн, И. Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов [Текст] / И. Н. Бронштейн, К. А. Семендяев. - М.: Наука, 1986. - 544 с.
УДК 331.33
В. Д. Авилов, Е. А. Третьяков, А. В. Краузе
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ НЕТЯГОВЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
Несмотря на существенный прогресс в развитии систем учет, наблюдаются практически повсеместный рост отчетных потерь электроэнергии и снижение ее качества. Наряду с внедрением современного энергоэффективного электрооборудования проблему повышения эффективности использования электрической энергии в стационарной энергетике можно решить за счет внедрения активно-адаптивных технологий управления работой компенсирующих устройств, управляемых средств регулирования напряжений, коммутационного и силового оборудования и их диагностирования на основе цифровых технологий, в том числе для автоматического поддержания минимума потерь в сетях при изменении нагрузок. Предлагается система управления объектами электроснабжения нетяговых потребителей на базе адаптивных технологий и аппаратно-программного комплекса оптимизации параметров режима в реальном времени.
В последние годы актуализировались задачи повышения энергетической эффективности объектов ОАО «РЖД»: приняты «Энергетическая стратегия ОАО «РЖД» на период до 2010 года и на перспективу до 2030 года», «Стратегия инновационного развития ОАО «РЖД» на период до 2015 г. («Белая книга»)», определяющие основной вектор развития железнодорожной отрасли.
Применительно к распределительным сетям железнодорожного транспорта повышение эффективности использования электрической энергии связано со снижением потерь и повышением ее качества [1]. Современные технологии и технические решения также должны быть направлены на повышение эксплуатационных показателей надежности электроснабжения, качества электроэнергии (КЭ), внедрение силовых трансформаторов и другого энергоэкономичного оборудования с улучшенными характеристиками.
В соответствии с общепринятыми подходами [2] создание системы управления КЭ предусматривает выполнение ряда требований: формирование структуры управления КЭ; правовое регулирование отношений в части обеспечения КЭ; разработка технических мероприятий на этапе проектирования и ввода в эксплуатацию нового присоединения; разработка методических требований; организационные задачи; контроль КЭ; договоры.
06301360
