CC BY
41
УДК 681.171.5
И. А. Менщиков
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ЭЛЕКТРОПОЕЗДА ЭР-9Т
Дата поступления:16.02.2018 Решение о публикации: 05.03.2018
Аннотация
Цель: Повышение эксплуатационной надежности электропоезда переменного тока серии ЭР-9т с тяговым электроприводом постоянного тока типа РТ-51 М. Методы: Применяются современные средства технической диагностики и автоматизации контроля технического состояния. Используются новые конструктивные решения, материалы, «безлюдные» (или малообслуживаемые) технологии, которые призваны значительно увеличить надежность, безопасность и обеспечить работу электрических машин с минимальными затратами при эксплуатации. Развитие автоматизированных устройств контроля состояния электрических машин, с одной стороны, и создание математических моделей обработки измеряемой информации для оперативной выдачи обязательных рекомендаций персоналу (или управляющему устройству) по обслуживанию системы - с другой, являются прогрессивными методами обслуживания техники в электроэнергетике. Существующие задачи решаются совершенствованием известных методов технической диагностики электрических машин и разработкой бесконтактной автоматизированной системы контроля работоспособности электрических машин постоянного тока. Результаты: Представлены имитационная модель тягового электродвигателя типа РТ-51М с импульсным регулятором напряжения в MATLAB и Simulink и результаты моделирования диагностических параметров при различных режимах функционирования, получены новые принципы определения устойчивости электромеханических систем постоянного тока. Практическая значимость: Проведенное моделирование диагностических параметров может служить для построения бортовых бесконтактных систем автоматизированного контроля тяговых электрических машин постоянного тока электроподвижного состава на железнодорожном транспорте.
Ключевые слова: Электроподвижной состав, тяговый электропривод, техническая диагностика, электромеханическая система, имитационная модель, диагностические параметры контроля.
Igor A. Menshchikov, Cand. Eng. Sci., ass. professor, igormenshikov55@yandex.ru (Yuri Gagarin State Technical University of Saratov) CONTROL TESTING PARAMETERS SIMULATION OF TECHNICAL STATE OF ELECTRIC TRACTION MACHINERY FOR ER-9T ELECTRIC TRAIN
Summary
Objective: To improve service reliability of ER^ series alternating current electric train with direct current electric traction drive of RT-51M modification. Methods: Modern facilities of technical
diagnostics and technical state control automation were applied. New design solutions, materials, "manless" (or low-maintenance) technologies were used, aimed at considerable improvement of reliability, safety and intended to provide electric machinery operation with least-cost maintenance. The development of automated units of electric machinery state control, and creation of mathematical models of processing measured data in order to provide online recommendations mandatory for the staff (or controlling unit) on system's maintenance, are both progressive methods of maintenance in electric power industry. The existing tasks are solved by means of improving common methods of electric machinery technical diagnostics and developing contact-free automated operating capacity control system of direct-current machines. Results: A simulation model of RT-51M modification electric traction drive with a switching voltage regulator was presented in MATLAB and Simulink, as well as the results of simulation of testing parameters with different operation modes. The new principles of determining stability of direct-current electromechanical systems were obtained. Practical relevance: The conducted modeling of testing parameters may be applied in the design of bot contact-free automated control systems for traction direct-current machines of the electric motive power in the rail sector.
Keywords: Electric motive power, electric traction drive, technical diagnostics, electromechanical system, simulation model, control testing parameters.
Для повышения надежности функционирования электроподвижного состава (ЭПС) на железнодорожном транспорте необходимо создавать автоматизированные бортовые адаптивные системы мониторинга и технической диагностики. Структурным признаком наступления неустойчивого режима функционирования ЭПС является процесс старения изоляции обмоток якоря тяговых электрических машин (ТЭД) или резкое снижение сопротивление межвитковой изоляции, что приводит к наступлению отказов [1—4].
Установлено, что при ухудшении свойств изоляции якорных обмоток ТЭД следует анализировать электромагнитные явления и учитывать активное сопротивление секций якоря и индуктивность. При автоматизированном контроле ТЭД важно принимать во внимание увеличение эквивалентного сопротивления за счет коммутационных явлений, а также падение напряжения в щеточном контакте [1, 2]. Блок-схема методов и средств автоматизации контроля электромеханического оборудования показана на рис. 1.
При поиске оптимальных алгоритмов обработки диагностических сигналов предложена структурная схема адаптивного цифрового фильтра, помогающая диагностической системе подстраиваться под статистические параметры входного сигнала, не требуя при этом заданий каких либо моделей.
Важнейшим признаком адаптивной обработки диагностического сигнала является наличие образцового или опорного сигнала d(k) [5]. При этом сигнале (образе исправного состояния ТЭД) процесс адаптации называется обучением с учителем (supervised learning). В данном случае адаптивный фильтр сравнивает образцовый сигнал d(k) с выходным диагностическим сигналом y(k) и выдает на выходе сигнал «Отказ» e(k). Структура адаптивного фильтра стратегического идентификатора диагностических параметров
Рис. 1. Блок-схема методов и средств автоматизации контроля технического состояния
электромеханических систем
бортовой автоматизированной системы контроля и прогнозирования устойчивости функционирования ТЭД электропоезда серии ЭР-9т представлена на рис. 2.
Рассмотрим принцип оптимальной фильтрации диагностического сигнала. Пусть входной диагностический дискретный сигнал х(к) с блока измерения обрабатывается дискретным адаптивным фильтром порядка N с коэффициентами {юп}, п = 0, 1, ..., N (рис. 3). Выходной сигнал адаптивного фильтра можно определить по формуле
N
2 (к) = Хюпх(к - п).
п=0
Сигнал «Отказ» при сравнении образцового с1(к) и выходного у(к) диагностических сигналов рассчитывается так:
N
е(к) = d (к) - у (к) = С (к) - ^ юпх(к - п).
п=0
Основной задачей создания адаптивного фильтра является определение коэффициентов фильтра {юп}, которые обеспечивают максимальную близость выходного диагностического сигнала к образцовому заданному диагностическому сигналу С(к), т. е. минимизировать ошибку случайного искаженного помехой диагностического сигнала «Отказ» е(к) [6-9].
С целью детального изучения влияния внешних возмущений на устойчивость функционирования ТЭД была предложена имитационная модель
2(к)
Рис. 2. Структура адаптивного фильтра стратегического идентификатора
диагностических параметров
х(к)
► г
¥ г
и__'
№
Образцовый сигнал ПЗУ
иго ил \Л/М
т
т
е(к)
Рис. 3. Формирование сигнала «Отказ» дискретным адаптивным фильтром
(рис. 4) на основе применения современных компьютерных технологий, реализуемых в среде МА^АВ & 81шиНик [5, 10-13].
В результате моделирования устойчивого процесса функционирования ТЭД получен массив выходных контролируемых параметров 1а - значений тока в цепи якоря. В качестве входных параметров задавались с помощью источника постоянной электродвижущей силы Е^ напряжение на обмотке якоря иа с помощью ступенчатого генератора сигнала - статический момент Ыс на валу якоря ТЭД; с помощью источника напряжения Е2 - напряжение и ток в обмотках возбуждения главных полюсов I в.
На рис. 5 показаны зависимости тока в цепи якоря ТЭД от времени при устойчивом и неустойчивом режимах функционирования; на рис. 6 -зависимости частоты вращения якоря ТЭД от времени при этих режимах функционирования.
Конструктивно якорная обмотка ТЭД типа РТ-51 М двухслойная петлевая, количество коллекторных пластин - 235 [2, 4, 13].
Рис. 4. Имитационная модель ТЭД типа РТ-51 М с импульсным регулятором напряжения в МАТЬАВ & БшигИпк
ос ЧО
885 800 —
СО 700 — 0)
I о Н
к "600 -о. с
® -700 — -800 — -885 —
1800 1600
1400 1200 1000 800 600 400 200 0 -200 -400 -600
-Щ (Ш)
Норл ш
^ 1
ОтКс 13
(го/Г)
О 0,15 0,3 0,45 0,6
0,75 0,9 1,05
Время, с
1,2 1,35 1,5
Рис. 5. Зависимости значений тока в цепи якоря ТЭД от времени в устойчивом и неустойчивом режимах функционирования
ю о
I
03
со о. ш
л
о л т
1800 1600
1400 1200 1000 800 600 400 200 100 50 0
^ Н орм; з
±
т -—
\
01К аз
0 0,15 0,3 0,45 0,6 0,75 0,9 1,05 1,2 1,35 1,5
Время, с
Рис. 6. Зависимости частоты вращения якоря ТЭД от времени при устойчивом и неустойчивом режимах функционирования
Величину падения напряжения на активном сопротивлении двухслойной обмотки якоря можно записать в виде известной системы алгебраических уравнений на основании второго закона Кирхгофа [5]
111Га1 + 112Га1 = Е1, ^21Га 2 + 122Га 2 = Е1, 1п1Гап + 1п 2Гап = 0,
где I , I - пусковой ток в параллельных ветвях обмотки якоря ТЭД в период
от 0 до 0,15 с; I , I - установившиеся значения тока в параллельных ветвях
обмотки якоря ТЭД в период от 0,15 до 1,5 с; г, гп - активное сопротивление параллельных ветвей обмотки якоря.
В результате моделирования диагностических параметров ТЭД путем изменения входных параметров на элементах имитационной модели в различных условиях функционирования составим таблицу из выходных диагностических параметров значений тока в цепи якоря, располагая их по строкам и столбцам в соответствии с их положением в системе уравнений. На основе многочисленных измерений значений тока в цепи обмотки якоря построим матрицу массивов выходных диагностических параметров ТЭД при устойчивом функционировании С(к), вид которой можно принять за образцовый сигнал
У11 У12 У13 1500 350 180
с (к) = У21 У22 У23 = 1200 200 180
Уп1 Уп 2 Уп3 800 200 180
Матрица диагностических параметров массива значений тока в цепи якоря ТЭД при неустойчивом функционировании у(к) будет иметь вид
У11 У12 У13 1500 150 200
У (к) = У21 У22 У23 = 800 350 200
Уп1 Уп 2 Уп3 1800 350 210
Для построения автоматизированной системы контроля технического состояния ТЭД следует выполнить цифровую обработку диагностических параметров и получить информацию о техническом состоянии обмоток якоря ТЭД. Для математической цифровой обработки сигнала следует в блоке стратегического идентификатора аналоговые непрерывные во времени входные сигналы х(/) преобразовать в двоичный код С(к) при устойчивом режиме функционирования или в двоичный код у(к) при неустойчивом режиме функционирования ТЭД.
С помощью арифметически логического устройства, расположенного в блоке стратегического идентификатора, произведем деление двух значений матриц массивов диагностических параметров ТЭД. Частное от их деления представляет собой выходной диагностический параметр е(к), математически обработанный фильтром.
При устойчивом режиме функционирования ТЭД результат частного от деления матриц массивов значений тока якоря устойчивого режима функционирования следующий: диагональ коэффициентов матрицы массивов диагностических параметров С = 1, остальные коэффициенты матрицы г равны 0:
'испр
(к) = сЫ^ =
С(к)
1,0 0 0
0 1,0 0
0 0 1,0
(1)
Матрицу массива диагностических параметров устойчивого функционирования (см. формулу (1)) ТЭД типа РТ-51 М можно интерпретировать как изображение в программе пакета МА^АВ 2014 (рис. 7, а). Каждый элемент этой матрицы представляется в виде квадратика, цвет которого соответствует величине элемента. Для того чтобы распознать такое соответствие, следует использовать матрицу шкалы цвета, находящуюся справа от матрицы изображения [6-9].
При неустойчивом режиме функционирования ТЭД результат частного от деления матриц массивов значений тока якоря равен
'отказ
(к)
Собр(к )
_ "обр
У (к)
-0,262 0,108 1,002 0,567 0,242 0,0862 0,606 0,67 -0,358
(2)
Диагональ коэффициентов данной матрицы массивов диагностических параметров С ф 1. Значения коэффициентов главной диагонали матрицы массивов диагностических параметров отрицательные [6, 7, 14-16].
Интерпретация матрицы массива диагностических параметров неустойчивого режима функционирования (см. формулу (2)) ТЭД типа РТ-51М представлена на рис. 7, б.
В результате интерпретации матриц массива диагностических параметров при различных режимах функционирования получим наглядное представление о коэффициентах главной диагонали матриц массива диагностических параметров (см. рис. 7, а, б), которое может служить для построения автоматизированных бортовых систем контроля параметров ТЭД.
При сравнении коэффициентов массивов диагностических параметров было установлено, что в устойчивом режиме функционирования ТЭД имеет главную диагональ коэффициентов С = 1, а г = 0, при неустойчивом режиме функционирования С ф 1 и значения коэффициентов главной диагонали отрицательные. Это необходимо знать при проектировании адаптивной автоматизированной системы контроля и диагностировании ТЭД.
а
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
Рис. 7. Интерпретация от деления двух матриц массивов диагностических параметров при устойчивом (а) и неустойчивом (б) режимах функционирования с ТЭД типа РТ-51М
Библиографический список
1. Основы технической диагностики (Оптимизация алгоритмов диагностирования, аппаратурные средства) / под ред. П. П. Пархоменко. - М. : Энергия, 1981. - 320 с.
2. Волков А. К. Повышение эксплуатационной надежности тяговых двигателей / А. К. Волков, А. Г. Суворов. - М. : Транспорт, 1988. - 128 с.
3. Дьяков В. П. MATLAB 6 : учеб. курс / В. П. Дьяков. - СПб. : Питер, 2002. - 782 с.
4. Черных И. В. Simulink : среда создания инженерных приложений / И. В. Черных. -М. : Мир, 2001. - 346 с.
5. Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов : учебник для вузов. - 2-е изд. / А. Б. Сергиенко. - СПб. : Питер, 2006. - 751 с.
6. Дьяков В. П. Simulink : самоучитель / В. П. Дьяков. - М. : ДМК Пресс, 2015. -
782 с.
7. Лайонс Р. Цифровая обработка сигналов. - 2-е изд. / Р. Лайонс ; пер. с англ. ; под ред. А. А. Бритова. - М. : ООО «Бином-Пресс», 2009. - 656 с.
8. Степанов А. В. Методы компьютерной обработки сигналов систем радиосвязи /
A. В. Степанов, С. А. Матвеев. - М. : СОЛОН-Пресс, 2003. - 206 с.
9. Гадзиловский В. И. Теоретические основы цифровой обработки сигналов /
B. И. Гадзиловский. - М. : Радио и связь, 2004. - 465 с.
10. Герман-Галкин С. Г. MATLAB & Simulink. Проектирование мехатронных систем на ПК / С. Г. Герман-Галкин. - СПб. : Изд-во «Крона. Век», 2011. - 368 с.
11. Черный И. В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, Sim Power Systems и Simulink / И. В. Черный. - М. : ДМК Пресс ; СПб. : Питер, 2008. - 288 с.
15. Гольдберг О. Д. Надежность электрических машин / О. Д. Гольдберг, С. П. Хе-лемская. - М. : Академия, 2010. - 288 с.
16. Афанасьев И. Е. MATLAB 7 / И. А. Афанасьев, А. Б. Смирнов, Е. Н. Смирнова. -СПб. : БХВ-Петербург, 2004. - 1104 с.
References
1. Osnovy tekhnicheskoy diagnostiky (Optimizatsiya algoritmov diagnostirovaniya, ap-paraturniye sredstva) [Foundations of engineering diagnostics (Optimization of diagnosing algorithms, hardware-based facilities)]. Ed. by P. P. Parkhomenko. Moscow, Energiya Publ., 1981, 320 p. (In Russian)
2. Volkov A. K. & Suvorov A. G. Povysheniye ekspluatatsionnoy nadezhnosty tyagovykh dvigateley [Serviceability improvement of tractive motors]. Moscow, Transport Publ., 1988, 128 p. (In Russian)
3. Dyakov V. P. MATLAB 6: uchebniy kurs [MATLAB 6: educational course]. Saint Petersburg, Peter Publ., 2002,782 p. (In Russian)
4. Chernykh I. V. Simulink: sreda sozdaniya inzhenernykh prilozheniy [Simulink: the environment for creating engineering applications]. Moscow, Mir Publ., 2001, 346 p. (In Russian)
5. Sergienko A. B. Tsifrovaya obrabotka signalov: uchebnik dlya vuzov [Digital signal processing: college textbook]. 2nd ed. Saint Petersburg, Peter Publ., 2006, 751 p. (In Russian)
6. Dyakov V. P. Simulink: samouchitel [Simulink: tutorial]. Moscow, DMK Press, 2015, 782 p. (In Russian)
7. Lyons R. Tsifrovaya obrabotka signalov. Vtoroye izdaniye [Understanding digital signal processing. Second edition]. Tr. from Eng; ed. by A. A. Britov. Moscow, OOO "BinomPress", 2009, 656 p. (In Russian)
8. Stepanov A. V. & Matveyev S.A. Metody kompyuternoy obrabotky signalov system radiosvyazy [Computer processing methods of radio communication system signals]. Moscow, SOLON-Press, 2003, 146 p. (In Russian)
9. Gadzilovskiy V. I. Teoreticheskiye osnovy tsifrovoy obrabotky signalov [Theoretical framework of digital signal processing]. Moscow, Radio i svyaz Publ., 2004, 465 p. (In Russian)
10. German-Galkyn S. G. MATLAB & Simulink. Proektirovaniye mekhatronnykh system na PK [MATLAB & Simulink. Mechatronic systems design on PC]. Saint Petersburg, "Krona. Vek" Publ., 2011, 368 p. (In Russian)
11. Cherniy I. V. Modelirovaniye elektrotekhnicheskykh ustroistv v MATLAB, Sim Power Systems i Simulink [Modeling of electrical devices in MATLAB, Sim Power Systems and Simulink]. Moscow, DMK Press; Saint Petersburg, Peter Publ., 2008, 288 p. (In Russian)
15. Goldberg O. D. & Khelemskaya S. P. Nadezhnost elektricheskykh mashyn [Reliability of electric machinery]. Moscow, Akademiya Publ., 2010, 288 p. (In Russian)
16. Afanasyev I. E., Smirnov A. B. & Smirnova E. N. MATLAB 7. Saint Petersburg, BKhV-Peterburg Publ., 2004, 1104 p. (In Russian)
МЕНЩИКОВ Игорь Александрович - канд. техн. наук, доцент, igormenshikov55@yandex.ru (Саратовский государственный технический университет имени Ю. А. Гагарина)
