CC BY
413Автоматизированные системы контроля
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ
УДК 656.25+681.5.08
Н. А. Богданов Д. В. Новиков
Измерение усилия перевода стрелочного электропривода с асинхронным электродвигателем
Развитие систем технического диагностирования и мониторинга (ТДМ) устройств железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ) непосредственно влияет на изменение выполнения графика технологического процесса обслуживающим персоналом дистанций сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ).
Наиболее трудозатратными работами в обслуживании устройств СЦБ являются работы по стрелочным электроприводам (СЭП) [1], [2], к тому же от них системам ТДМ трудно получить диагностическую информацию, так как большая часть аппаратуры СЭП удалена от поста электрической централизации (ЭЦ). Кроме контроля наличия крайнего положения стрелки («плюсового» или «минусового»), времени перевода, замыкания стрелки в маршруте и тока фрикции (для СЭП с электродвигателями постоянного тока) отечественные системы ТДМ обслуживающему персоналу дистанции не предоставляют никакой информации. В настоящее время ведется опытная эксплуатация устройств ТДМ, позволяющих определять усилие перевода СЭП с электродвигателями переменного тока путем измерения фазовых соотношений [3], но пока никакой информации об этом не предоставлялось.
Работы по измерению усилия перевода в дистанциях СЦБ выполняются обслуживающим персоналом при помощи механического устройства УКРУП-1 в соответствии с технологической картой № 22 [4].
Данная статья посвящена проблеме измерения усилия перевода СЭП с асинхронными электродвигателями и применению данного метода для удаленного контроля технического состояния СЭП.
При поиске путей решения указанной выше проблемы интерес представляет опыт зарубежных разработчиков различных диагностических комплексов. К примеру, разработчики системы POSS (StruktonRailinfra, Нидерланды), применяемой на железных дорогах Нидерландов и Германии, для диагностирования стрелочных переводов подключают устройства
71
Автоматизированные системы контроля
измерения в цепи питания электродвигателей [5], [6]. При каждом переводе стрелки происходит сравнение графика перевода в данный момент с графиком перевода при исправной работе стрелки. При отклонении измеренных параметров от эталонных обслуживающему персоналу подается сигнал тревоги о необходимости технического обслуживания данной стрелки.
Несколько иной подход избрали разработчики системы SidisW (Sie-mensTranspirationSystems (TS), Германия). В данной системе [7] состояние стрелочных переводов диагностируется на основе пропорциональности между усилием перевода стрелки и активной мощностью электродвигателя. Контролируемые параметры регистрируются во время перевода стрелки. По установленным значениям строится кривая активной мощности как функция от времени, по которой оценивается техническое состояние стрелочного перевода. Система SidisW позволяет выявлять следующие виды нарушений в работе: замедленный перевод стрелки, деформацию остряка, увеличенный или уменьшенный люфт замыкателя стрелки, дефекты устройств электропитания, электродвигателя, контактов и кабельных линий. Данная система применяется для анализа работы устройств СЦБ на железных дорогах Германии.
В задачу электродвигателя (ЭД) СЭП входит преобразование электрической энергии в механическую, которая приводит в действие элементы СЭП и переводит стрелку.
При преобразовании электрической энергии в механическую в асинхронном ЭД возникают потери. Ввиду этого полезная мощность Р2 на валу ЭД всегда меньше мощности на входе (потребляемой мощности) Pi на величину потерь ЕРпот [8]:
Рг = Pi-Z Рпот. (1)
Потери ЕРпот расходуются на нагрев ЭД и делятся на основные и добавочные. Основные включают в себя следующие виды потерь:
■ магнитные Рм (потери на гистерезис и вихревые токи при перемаг-ничивании сердечника);
■ электрические Рэ (нагрев обмоток статора проходящими по ним токами);
■ механические Рмех (потери на трение в подшипниках и вентиляцию);
■ добавочные потери Рдоб (включают в себя все виды трудноучитываемых потерь, вызванных действием высших гармоник магнитодвижущих сил, пульсацией магнитной индукции в зубцах и другими причинами).
Таким образом, суммарная мощность потерь определяется по следующей формуле:
72
Автоматизированные системы контроля
X Рпот - Рм + Рэ + Рмех + Рдоб • (2)
Из всех видов потерь ЭД переменными (зависящими от нагрузки на валу) являются только электрические и добавочные потери. Величина электрических потерь определяется значением нагрузки на валу ЭД, т. е. зависит от значений токов в обмотках статора. Величину добавочных потерь можно не учитывать ввиду того, что их значение пренебрежимо мало (в соответствии с ГОСТом добавочные потери асинхронных двигателей принимаются равными 0,5 % от подводимой к двигателю мощности).
Величина электрических потерь пропорциональна квадрату тока в обмотке статора:
Рэ - т1 • Iо2бм • Гобм , (3)
где т1 - количество фаз ЭД;
1обм - ток в одной из обмоток ЭД, А;
гобм - активное сопротивление обмотки ЭД, Ом.
Величина потерь ЕРпот в ЭД учитывается его коэффициентом полезного действия (КПД) р. Через р полезная мощность на валу электродвигателя связана с потребляемой ЭД мощностью следующим соотношением:
Р2 - Pi -Л. (4)
КПД является величиной, которая зависит от нагрузки на валу. С достаточной для практических расчетов точностью его значение для различных степеней нагрузки, которые определяются отношением мощности на валу электродвигателя к паспортному значению данной величины
Р
Р2
Р
2н
[8]:
Л-
г
1 +
f- - iA
1Лн у
а
~Р~
^ 1 + а
+ Р
1
(5)
где п - КПД при номинальной загрузке ЭД (определяется по паспортным данным);
а - коэффициент потерь.
Коэффициент потерь ЭД а представляет собой отношение постоянных потерь (АР0) к переменным (АРпер) при номинальной нагрузке:
а -
_АР>_
АРПер
Р + Р
м____мех
Р + Р
1 э ^ 1 доб
(6)
73
Автоматизированные системы контроля
Ввиду того, что значение КПД варьируется в зависимости от нагрузки на валу ЭД, изменяется также и значение полезной мощности на валу. Выразим переводное усилие СЭП через полезную мощность на валу ЭД. Развиваемый на валу ЭД момент M и полезная мощность ЭД связаны соотношением:
—
M = -L, (7)
ю
1
где ю - угловая синхронная скорость вращения, —.
c
Выразив угловую скорость вращения ю через п - частоту вращения ЭД и подставив полученное значение в выражение (7), получим:
ю =
2 пп "б0~
(8)
Подставляя (8) в (7), получаем:
P P P
M = — = —^ = 9,554 • -^. (9)
ю 2пп п
60
Полученная зависимость относится к рабочим характеристикам асинхронного ЭД. График данной характеристики представлен на рисунке. Таким образом, по известному значению полезной активной мощности можно взаимно однозначно определить момент, развиваемый на валу ЭД.
М, Н м
Р2, Вт
График зависимости M = f(P2)
Момент силы на выходе редуктора связан с моментом на валу ЭД следующим соотношением [1]:
Mc = M .^.Л,
(10)
74
Автоматизированные системы контроля
где Mc - момент силы на главном валу;
- передаточное число редуктора, £, = 70,5; ц - КПД редуктора; ц = 0,9 [1].
Подставив в формулу (10) вместо Mc его значение (9), получим:
M _
9,554 • P2-£-ц
n
(11)
Согласно [10] для СЭП нормируется усилие перевода. Ввиду этого целесообразно выразить переводное тяговое усилие F [1], [4] через значение момента на валу Mc. Известно [2], что зависимость момента на валу и тяговое усилие на валу определяются выражением:
Mc _ F - Гш, (12)
где гш - радиус шестерни главного вала, м (гш = 0,04 м). Подставив выражение (12) в формулу (11), получим:
F - r
9,554 - P2-^-ц n
(13)
Из (13) нетрудно выразить значение полезной мощности P2:
F - r - n
р _ ш
9,554 - 2,-ц
(14)
Полученное выражение позволяет определить значения полезной мощности на валу ЭД, соответствующие переводным усилиям при работе СЭП на фрикцию, а также при нормальном переводе.
Рассчитаем значения полезной мощности ЭД при работе СЭП на
фрикцию (P2 и P2 ) и при нормальной работе (P2 ) для стрелки с
типом рельсов Р65 марки 1/9 и 1/11 с гибкими остряками. Подставив значения переводных усилий [4] в формулу (9), получим следующие значения полезной мощности:
рмин
P2
рмакс
P2
рнорм
850 - 3530,394 - 0,04
9.554 - 70,5 - 0,9 850 - 3922,660 - 0,04
9.554 - 70,5 - 0,9 850 - 2843,92 - 0,04
" 9,554-70,5-0,9
_ 198,001 Вт; _ 220,010 Вт; _ 159,506 Вт.
Для оценки значения полезной мощности на валу можно использовать электрические параметры ЭД и его паспортные данные. Потребляемая ЭД активная мощность и его полезная мощность на валу (при симметричной системе напряжений) связаны соотношением:
75
Автоматизированные системы контроля
Р2 = л/3 • U • I • л • cos ф,
где U, I - линейное напряжение и фазный ток; cos ф - фазный коэффициент мощности.
С учетом соотношения (5) формула (15) записывается так:
D S • U•I•cosф
Р =
(15)
(16)
2
V1 + а )
Применение данного метода расчета полезной мощности ЭД СЭП позволит телемеханически с использованием систем ТДМ контролировать техническое состояние СЭП и стрелочного перевода, своевременно реагировать на отклонение контролируемого параметра от установленных норм, тем самым предотвращать отказы, а также автоматизировать отдельные работы по техническому обслуживанию устройств СЦБ.
На данном этапе необходимо подтвердить данную теорию и расчет экспериментально.
Библиографический список
1. Резников Ю. М. Электроприводы железнодорожной автоматики и телемеханики / Ю. М. Резников. - М. : Транспорт, 1985. - 288 с.
2. Станционные основы автоматики и телемеханики : учеб. пособие / Вл. В. Сапожников, Б. Н. Елкин, И. М. Кокурин и др. - М. : Транспорт, 1997. - 432 с.
3. Чухонин В. М. Измерение фазовых соотношений в стрелочных электроприводах с двигателями переменного тока / В. М. Чухонин, Б. Л. Горбунов // Разработка и эксплуатация новых устройств и систем железнодорожной автоматики и телемеханики : сб. науч. тр. под. ред. Вл. В. Сапожникова. - СПб. : ПГУПС. 2004. - С. 21-24.
4. Устройства СЦБ. Технология обслуживания : Сборник технологических карт. - М. : Транспорт, 1999. - 433 с.
5. Seidl K. VAE ROADEMASTER 2000: Taiwan High-Speed Rail Projeet // Signal + Draht. - 2003. - № 12. - Pp. 39-40.
6. Казанская И. В. Тарасенкова А. В. Диагностика стрелочных переводов // Тематическая подборка к сетевой школе. Диагностика устройств железнодорожной автоматики и телемеханики. Инв. № 278649. - Новосибирск, 2005.
7. Domingues Jose Luis M. Diagnostic levels in railway applications // Signal + Draht. - 2004. - № 1/2. - Pp. 31-34.
8. Кацман М. М. Электрические машины : учеб. пособие. - 3-е изд. испр. / М. М. Кацман. - М. : Высш. шк.; Издательский центр «Академия», 2001. - 463 с.
9. Лихачев В. Л. Электродвигатели асинхронные / В. Л. Лихачев. - М. : СОЛОН-Р, 2002. - 304 с.
76
