CC BY
36
УДК 621.313
Диагностика теплового состояния якоря тягового электродвигателя постоянного тока
М. А. Шрайбер
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Для цитирования: Шрайбер М. А. Диагностика теплового состояния якоря тягового электродвигателя постоянного тока // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2019. - Т. 16, вып. 3. - С. 469-477. Б01: 10.20295/1815-588Х-2019-3-469-477
Аннотация
Цель: Рассмотреть вопрос о повышении надежности тяговых электрических машин постоянного тока. Изучить тепловое состояние коллектора тягового электродвигателя (ТЭД) тепловоза в эксплуатации на примере ТЭД типа ЭД-118А. Проанализировать полученные результаты исследования. Дать рекомендации по определению фактической температуры коллектора ТЭД. Методы: В качестве основного метода исследования и расчета температурных полей выбран метод конечных элементов, реализуемый в программном пакете ЗоШ^Огкз 2005. Результаты: Выявлена необходимость совершенствования методов диагностирования теплового состояния электрических машин тепловозов в эксплуатации. Установлено, что нужно совершенствование системы охлаждения ТЭД, а именно внедрение систем регулирования, способных изменять расход охлаждающего воздуха, подаваемого в ТЭД. Для повышения достоверности результатов расчета следует учитывать регион работы ТЭД, особенно это касается участков обращения тепловозов, в которых обнаружены тяжелые условия эксплуатации. Оценена необходимость проведения дополнительного изучения теплового состояния электрических машин. Практическая значимость: Показаны необходимость дальнейшего изучения фактического теплового состояния ТЭД, а также корректировка методов определения температуры коллектора электрической машины постоянного тока. Это позволит повысить точность определения температуры вращающихся частей ТЭД, предупредить их возможный перегрев в эксплуатации, тем самым продлив их ресурс и снизив вероятность возникновения внезапных отказов. Предложенные методики могут быть рекомендованы к практическому использованию.
Ключевые слова: Тяговый электродвигатель постоянного тока, тепловое состояние коллектора тягового электродвигателя, процессы нагревания электрической машины.
Введение
На современном тяговом подвижном составе наибольшее распространение в качестве тяговых электродвигателей (ТЭД) получили электрические машины постоянного тока. Однако их эксплуатация при значительных перепадах температур усугубляется резкими изменениями скоростей движения локомоти-
вов, вызывающими резкое изменение нагрузок двигателей, их частоты вращения, толчки и вибрацию. Большие нагрузки, частые пуски приводят к нагреву якорных обмоток и тепловому разрушению изоляции [1]. Неравномерность распределения охлаждающего воздуха внутри двигателя, снижение его количества, различия в нагрузках оси и диаметров бандажей колесных пар, расхождение скоростных
характеристик двигателей приводят к неравномерному перегреву коллектора, обмоток якоря и полюсных катушек.
Наиболее типичной, приводимой в литературных источниках, температурно-временной зависимостью, используемой в практических расчетах температуры перегрева обмоток электрических машин, является экспонента, формально соответствующая классической теории нагрева однородного тела при следующей дополнительной оговорке: асимптота этой зависимости представляет собой характерное (максимальное или среднее) превышение температуры тела над минимальной температурой охлаждающей среды в пределах рассматриваемой системы:
Т = Гю (1 - е^/Т* ), (1)
где Т, - установившееся значение температуры обмотки, °С; ТЯ - тепловая постоянная времени якоря, с.
Экспоненциальная зависимость широко применяется в практике тяговых расчетов и обеспечивает определение температуры перегрева с погрешностью 15-18 % для следующих элементов электрических машин: активных деталей с конечной, в том числе и сравнительно низкой, теплопроводностью (пакеты активной стали, нажимные плиты, многослойные полюсные катушки и пр.) без ограничения по условиям конвективного теплообмена на охлаждаемых поверхностях; обмоток с косвенным охлаждением при объеме изоляционного материала, не превосходящем объем проводников; обмоток с непосредственным воздушным охлаждением.
Замечено, однако, что выражение (1) можно распространить на многие объекты, далеко не удовлетворяющие классическим предпосылкам, при условии, что под величиной Тса принимается установившееся среднее или максимальное превышение температуры нагреваемого тела над наименьшей температурой охлаждающей среды.
Практические расчеты производятся с помощью кривых нагревания и остывания элект-
рических машин, которые получили широкое распространение, в частности, при выполнении тяговых расчетов.
Практика исследований и расчетов нестационарных тепловых процессов позволяет сформулировать приближенные решения для всех перечисленных случаев, основываясь на упрощенных представлениях классической теории нагрева однородного тела. Указанные модели достаточно наглядны, отражают в основном особенности физического процесса изменения температуры во времени и в то же время просты по форме и удобны для практического применения, хотя обладают низкой точностью вычислений и могут использоваться преимущественно для качественной оценки температуры отдельных элементов ТЭД.
Современное состояние науки измерений дает возможность по-новому подойти к проблеме контроля теплового состояния якоря ТЭД. Промышленность выпускает большую номенклатуру мобильных и компактных приборов для бесконтактного измерения температуры в реальном масштабе времени. На их основе можно создавать измерительно-управляющие комплексы любой степени сложности, в том числе для диагностики теплового состояния и поддержания температуры обмотки якоря ТЭД в эксплуатации [2, 3].
Для решения поставленной задачи по изучению теплового состояния и выработки рекомендаций по диагностике теплового состояния ТЭД в эксплуатации необходимо разработать математическую модель объекта диагностирования. В качестве объекта исследования был выбран фрагмент якоря ТЭД, а именно коллекторные пластины ТЭД типа ЭД-118А. Целями математического моделирования являются построение кривых нагревания при различных значениях протекающего тока, а также выработка рекомендаций по установке измерительного комплекса, позволяющего произвести диагностику ТЭД.
Для реализации поставленной задачи следует построить конечно-элементную модель пластины коллектора в программном пакете
SolidWoгks 2015. Для этого были использованы размеры и чертежи ТЭД типа ЭД-118А.
Моделирование теплового состояния коллектора ТЭД
Первым этапом исследования теплового состояния ТЭД было создание твердотельной модели, предполагающей анализ распределения тепловых полей по поверхности фрагмента якоря ТЭД [4-6].
Так как якорь ТЭД постоянного тока является составным телом, то в общем виде можно записать следующую систему дифференциальных уравнений, описывающую распределение температуры в его элементах:
дТ
1
дт ciPi
с
дх
л, —
V дх у
д + —
дг
д
, дТ л, —
dy V dy J
л, дТ
' дг
(2)
+ ■
w
c,Pi
В (2) T - температура, К; х, y, z - координаты, м; т - время, с; Xt - коэффициент теплопроводности, Вт/мК; c - удельная теплоемкость, Дж/кг'К; р - плотность твердого тела, кг/м 3; w - удельная производительность внутренних источников теплоты, Вт/м 3.
Для анализа влияния величины протекающего в проводниках тока на температуру пластин коллектора был использован программный пакет SolidWorks 2005. В нем был смоделирован фрагмент коллектора тягового двигателя ЭД-118А. В качестве исходных данных был выбран часовой режим нагревания для величин тока 872, 730, 580, 350 и 250 А. Фрагмент твердотельной модели в среде SolidWorks 2005 представлен на рис. 1.
Результаты расчета фрагмента коллектора, состоящего из одной медной пластины и двух изоляционных пластин при токах 872 и 730 А, приведены на рис. 2, а, б.
В результате расчета с использованием программного пакета SolidWorks 2005 были определены значения температуры поверхностей фрагмента коллектора. На основании этих данных были построены зависимости нагревания электрической машины (а именно поверхности коллектора) от времени, представленные на рис. 3.
Рис. 1. Пластины коллектора ТЭД типа ЭД-118А
Рис. 2. Температурная эпюра для часового тока величиной 872 (а) и 730 А (б)
Рис. 3. Кривые нагревания коллектора ТЭД типа ЭД-118А при различных величинах часового тока
а
б
Такие кривые выражают изменение температуры поверхности коллектора при условии протекания часового тока и номинального расхода охлаждающего воздуха при движении тепловоза с расчетной скоростью. Большая часть теплоты рассеивается в окружающую среду из-за того, что наличие изоляционных прокладок значительной толщины препятствует проникновению теплоты в тело якоря и корпус коллектора. По этой причине температура данных элементов больше определяется теплопередачей со стороны якорной обмотки, чем тепловым состоянием коллектора.
Рекомендации по применению бортовых систем диагностирования ТЭД
Сложностью при внедрении бортовых систем диагностирования ТЭД является необходимость расчета температуры вращающихся частей. При измерении температуры вращающихся частей электрических машин связь между датчиками температуры и измерительными устройствами осуществляется обычно через скользящие электрические контакты или бесконтактным способом. Бесконтактная передача информации с датчика температуры на измерительное устройство может проводиться с помощью методов индуктивной, емкостной,
радиотелеметрической, а также оптической связи. Такую информацию позволяет получать инфракрасный (ИК) пирометр. Сравнительные характеристики ИК-пирометров, поставляемых производителями на современный рынок, представлены в табл. 1.
Для решения поставленной задачи наиболее подходит ИК-пирометр «Кельвин». Его технические характеристики приведены в табл. 2. Данный пирометр позволяет определять температуру поверхностей объектов диагностирования, имеющих наименьшие размеры по сравнению с пирометрами других моделей. (Это видно по такой характеристике пирометра как показатель визирования.) ИК-пирометр «Кельвин» предназначен для бесконтактного измерения температуры поверхности. Он применяется для контроля теплового режима оборудования (электрораспределительных устройств, промышленных печей, двигателей, редукторов, букс железнодорожных вагонов и т. п.), а также для точного измерения температуры в технологических процессах металлургии, машиностроения, нефтехимии и т. д.
Применение бесконтактных измерителей температуры элементов якоря во время испытаний или эксплуатации ТЭД дает возможность использовать их информацию не только для оценки степени нагрева, но и для контроля качества коммутации. И в случае ее нарушения позволяет получать оперативную информацию о возникновении механических или электри-
ТАБЛИЦА 1. Сравнительный анализ характеристик ИК-пирометров
Модель пирометра Диапазон измеряемых температур, °С Оптическое соотношение Точность, %
Unit UT301C От -18 до +550 12:1 1,8
Кельвин Компакт 1000Д От -50 до +1000 100:1 1
Mastech MS6522B От -20 до +500 10:1 0,5
ADA TemPro 300 От -32 до +350 12:1 2
ADA TemPro-pocket От -30 до +250 6:1 2
ТАБЛИЦА 2. Технические данные ИК-пирометра «Кельвин»
Характеристика прибора Значение
Диапазон измеряемых температур, °С -30...-200; -30...-500; -30...-600; -10...-1100
Разрешение по температуре, °С 1
Время измерения, с 1
Показатель визирования 1:100
Диапазон установки излучательной способности 0,01-1,00
Спектральный диапазон, мкм 8-14
Выходной цифровой интерфейс, бод RS2329600
Габаритные размеры, мм 111x40x40
Степень защиты от пыли и влаги IP65
ческих неисправностей ТЭД, проявляющихся как нарушение коммутации.
Заключение
Разработанная конечно-элементная модель тепловых процессов в коллекторе ТЭД, реализованная в программном пакете моделирования SolidWoгks 2005, достаточно полно отражает физическую сущность нагревания отдельных элементов якоря при исследовании нагревания при часовом режиме работы. Для повышения надежности работы ТЭД при разработке режимных карт вождения поездов и выполнении тяговых расчетов необходимо учитывать тепловые потоки связи коллектора и обмотки якоря. Проверка теплового состояния ТЭД должна производиться по пиковым значениям температуры нагрева, которые свойственны отдельным его элементам, особенно при нестационарных режимах работы тепловоза. Также предложена к внедрению в локомотивных депо на базе существующей микропроцессорной системы управления технология бесконтактной непрерывной оценки теплового состояния ТЭД, позволяющая определять превышение температуры лимитирующей по нагреву об-
мотки якоря при изменяющемся количестве охлаждающего воздуха и отслеживать ее перегрев при нарушениях в режимах управления тепловозом и вождении поездов повышенных длины и веса, что обеспечивает увеличение надежности их работы в эксплуатации
[7-10].
Библиографический список
1. Грищенко А. В. Электрические машины и преобразователи подвижного состава : учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / А. В. Грищенко, В. В. Стрекопытов. -М. : Издат. центр «Академия», 2005. - 320 с.
2. Грищенко А. В. Экспериментальные исследования теплового состояния коллектора ТЭД / А. В. Грищенко, В. В. Грачев, Ф. Ю. Базилевский, М. А. Шрайбер // Локомотивы. Электрический транспорт. XXI век : Материалы VI Междунар. науч.-технич. конференции, посвященной 90-летию со дня рождения доктора технических наук, профессора кафедры «Электрическая тяга» ПГУПС А. В. Плакса : сб. статей. - СПб. : ПГУПС, 2018. - С. 124-129.
3. Космодамианский А. С. Автоматическое регулирование температуры обмоток тяговых электриче-
ских машин локомотивов : монография / А. С. Кос-модамианский. - М. : Маршрут, 2005. - 256 с.
4. Кручек В. А. Перспективы использования титановых сплавов для теплонапряженных деталей / В. А. Кручек, П. В. Дворкин // Бюл. результатов науч. исследований. - 2016. - Вып. 1. - С. 67-71.
5. Дворкин П. В. Методика построения температурных полей деталей цилиндро-поршневой группы // Бюл. результатов науч. исследований. - 2017. -Вып. 4. - С. 14-17.
6. Шрайбер М. А. Моделирование теплового состояния тяговых электродвигателей постоянного тока / М. А. Шрайбер // Бюл. результатов науч. исследований. - 2014. - Вып. 4 (13). - С. 36-38.
7. Грищенко А. В. Основы теории систем автоматического регулирования : учеб. пособие для студентов / А. В. Грищенко, В. В. Грачев, Ф. Ю. Ба-зилевский, М. А. Шрайбер. - СПб. : ПГУПС, 2017. -Ч. 1. - 172 с.
8. Базилевский Ф. Ю. Мультимедийный учебник «Элементы автоматических систем» // Ф. Ю. Бази-
левский, В. В. Грачев, А. В. Грищенко, Д. Н. Курил-кин, М. А. Шрайбер. - Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RUS 2015610565 30.09.2014. -СПб. : ПГУПС, 2014. - 124 с.
9. Грищенко А. В. Повышение эффективности технического обслуживания локомотивов // А. В. Гри-щенко, В. В. Грачев, В. А. Кручек, М. А. Шрай-бер // Изв. Петерб. ун-та путей сообщения. - СПб. : ПГУПС, 2012. - Вып. 4 (33). - С. 93-97.
10. Грищенко А. В. Изменение системы технического обслуживания локомотивов / А. В. Гри-щенко, В. В. Грачев, Д. Н. Курилкин, М. А. Шрай-бер // Наука и образование транспорту. - 2017. -№ 1. - С. 25-27.
Дата поступления: 04.02.2019 Решение о публикации: 13.02.2019
Контактная информация:
ШРАЙБЕР Марина Александровна - канд. техн. наук, доцент; goshapti4ka@yandex.ru
Diagnosis of the thermal state of the rotor of a direct-current electric traction motor
M. A. Schreiber
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
For citation: Schreiber M.A. Diagnosis of the thermal state of the rotor of a direct-current electric traction motor. Proceedings of Petersburg Transport University, 2019, vol. 16, iss. 3, pp. 469-477. DOI: 10.20295/1815-588X-2019-3-469-477 (In Russian)
Summary
Objective: To consider the question of improving reliability of direct-current electric traction machines, study the thermal state of a collector of an electric traction motor of a locomotive in operation on the example of ED-118A type traction electric motor, analyse results of the study, and provide recommendations for determining the actual temperature of a traction electric motor collector. Methods: The finite elements method implemented in the SolidWorks 2005 software package was chosen as the main method of research and calculation of temperature fields. Results: The necessity of improving the methods of diagnosing the thermal state of electric traction motors of locomotives in operation is indicated. It is established that it is necessary to improve the cooling system of an electric traction motors, namely the introduction of control systems that can change the flow of cooling air supplied to the electric machine. To improve the reliability of the calculation results the region where the electric traction motors is operated should
be taken into account, especially for areas of operation of locomotives where severe operating conditions were registered. The need for additional study of the thermal state of electric traction motors is evaluated. Practical importance: The need for further study of the actual thermal state of an electric traction motor and for adjustment of methods for determining the temperature of the collector of an electric DC machine is demonstrated. This will improve the accuracy of determining the temperature of the rotating parts of an electric traction motor, prevent them from overheating in operation, there by extending their life and reducing the likelihood of sudden failures. The proposed methods for determining the thermal state of an electric traction motor can be recommended for practical use.
Keywords: DC traction motor, thermal state of traction motor collector, heating processes of an electric machine.
References
1. Grishchenko A. V. & Strekopytov V. V. Elek-tricheskie mashiny i preobrazovateli podvizhnogo sosta-va. Uchebnik dlia studentov srednego professional'nogo obrazovaniia [Electric machines and converters of rolling stock. Textbook for students of secondary vocational education]. Moscow, Akademiia Publ., 2005, 320 p. (In Russian)
2. Grishchenko A. V., Grachev V. V., Bazilevskii F. Yu. & Schreiber M. A. Eksperimental'nye issledovaniia teplovogo sostoianiia kollektora TED [Experimental studies of the thermal state of an electric traction motor collector]. Lokototivy. Elektricheskii transport. XXIvek Sbornik materialov VI mezhdunarodnoi nauchno-tekh-nicheskoi konferentsii, posviashchennoi 90-letiiu so dnia rozhdeniia doktora tekhnicheskikh nauk, professora kafedry "Elektricheskaia taiga " PGUPS A. V. Plaksa [Locomotives. Electric transport. Twenty-first century. Coll. papers of the 6th International scientific and technical conference dedicated to the 90th anniversary of Dr. Sci. in Engineering, Petersburg State Transport University's Electric Traction department professor A. V. Plaks]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2018, pp. 124-129. (In Russian)
3. Kosmodamianskii A. S. Avtomaticheskoe re-gulirovanie temperatury obmotok tiagovykh elek-tricheskikh mashin lokomotivov. Monografiia [Automatic temperature regulation of windings of locomotive electric traction machines. Monograph]. Moscow, Marshrut Publ., 2005, 256 p. (In Russian)
4. Kruchek V.A. & Dvorkin P. V. Perspektivy ispol'zovaniia titanovykh splavov dlia teplonapriaz-hennykh detalei [Prospects of using titanium alloys
for heat-stressed parts]. Biulleten'rezul'tatov nauch-nykh issledovanii [Bulletin of research results], 2016, iss. 1, pp. 67-71. (In Russian)
5. Dvorkin P. V. Metodika postroeniia temperaturnykh polei detalei tsilindro-porshnevoi gruppy [Method of building temperature fields of parts of cylinder-piston group]. Biulleten'rezul'tatov nauchnykh issledovanii [Bulletin of research results], 2017, iss. 4, pp. 14-17. (In Russian)
6. Schreiber M. A. Modelirovanie teplovogo sos-toianiia tiagovykh elektrodvigatelei postoiannogo toka [Simulation of thermal state of DC traction motors].
Biulleten'rezul'tatov nauchnykh issledovanii [Bulletin of research results], 2014, iss. 4 (13), pp. 36-38. (In Russian)
7. Grishchenko A. V., Grachev V. V., Bazilevskii F. Yu. & Schreiber M. A. Osnovy teorii sistem avtomaticheskogog regulirovaniia. Uchebnoe posobie dlia studentov [Basics of the theory of automatic control systems. Textbook for students]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2017, pt 1, 172 p. (In Russian)
8. Bazilevskii F. Yu., Grachev V. V., Grishchenko A. V., Kurilkin D. N. & Schreiber M. A. Mul'ti-mediinyi uchebnik "Elementy avtomaticheskikh system" [Elements of automatic systems. Multimedia textbook]. Registration certificate of software RUS 2015610565 30.09.2014. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2014, 124 p. (In Russian)
9. Grishchenko A. V., Grachev V. V., Kruchek V. A. & Schreiber M. A. Povyshenie effektivnosti tekh-nicheskogo obsluzivaniia lokomotivov [Increasing efficiency of locomotive maintenance]. Izvestiia Peter-burgskogo universiteta putei soobshcheniia [Procee-
dings of Petersburg Transport University]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2012, iss. 4 (33), pp. 93-97. (In Russian)
10. Grishchenko A. V., Grachev V. V., Kurilkin D. N. & Schreiber M. A. Izmenenie sistemy tekhnicheskogo obsluzhivaniia lokomotivov [Change in the system of locomotive maintenance]. Nauka i obrazovanie trans-
portu [Science and education for transport], 2017, no. 1, pp. 25-27. (In Russian)
Received: February 04, 2019 Accepted: February 13, 2019
Author's information:
Marina A. SCHREIBER - Cand. Sci. in Engineering, Associate Professor; goshapti4ka@yandex.ru
