Оценка технического состояния электромеханических систем с помощью энергетических показателей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

DOI: 10.24143/2073-1574-2018-2-82-91 УДК 681.171.5

И. А. Менщиков

ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ПОМОЩЬЮ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

Приведены результаты оценки технического состояния электромеханических транспортных систем с тяговым электродвигателем постоянного тока типа ДК-211БМ. Решение задачи повышения эффективности эксплуатации наземного и водного транспорта во многом обеспечивается за счёт внедрения современных средств автоматизации и контроля диагностических параметров электромеханических систем. Снижение эксплуатационных расходов за счёт внедрения энергосберегающих технологий при обслуживании электромеханических систем на наземном и водном транспорте является одним из основных требований отраслевой научно-технической программы. Электромеханические транспортные системы состоят из большого количества датчиков и исполнительных устройств, расположенных непосредственно на объектах управления в естественных условиях эксплуатации. В связи с этим возникает необходимость приведения электромеханических систем к современным требованиям безопасности эксплуатации на основе научно обоснованных конструктивных принципов, достижений науки в области новых материалов, производства, технологий и автоматизации контроля технического состояния транспортных систем. Одной из важных задач построения адаптивной автоматизированной системы контроля технического состояния электромеханических систем является выбор диагностических параметров. Выбор диагностических параметров контроля технического состояния тяговых электрических машин предложено проводить, используя математическое моделирование энергетических показателей. С помощью имитационной модели электромеханической системы управления тяговых электрических машин постоянного тока типа ДК-211БМ были получены энергетические диагностические параметры при различных скоростях движения электроподвижного состава городского электротранспорта. Применяя полученные диагностические параметры, можно непрерывно следить за наличием неисправностей и отказов в обмотках якоря электрических машин постоянного тока транспортных электромеханических систем.

Ключевые слова: электроподвижной состав, тяговый электропривод, техническая диагностика, транспортные системы.

Введение

Достижения науки и производства позволяют использовать современные методы построения систем технической диагностики и автоматизированного контроля электромеханических транспортных систем, применять новые конструктивные решения, материалы, «безлюдные» (или малообслуживаемые) технологии, которые призваны значительно повысить надёжность и безопасность функционирования электромеханических транспортных систем, а также снизить до минимума затраты на эксплуатацию. Развитие автоматизированных устройств контроля состояния электрических машин, с одной стороны, и создание математических моделей обработки измеряемой информации для оперативной выдачи обязательных рекомендаций по обслуживанию системы персоналу или управляющему устройству - с другой, является перспективным направлением обслуживания техники в электроэнергетике.

Для автоматизации контроля технического состояния электромеханических транспортных систем необходимо научно обосновать выбор наиболее информативных параметров контроля.

Методика построения модели и организация расчёта

Для обоснования выбора диагностических параметров контроля устойчивости функционирования электроподвижного состава необходимо выполнить оценку технического состояния обмоток якоря тягового электродвигателя (ТЭД) постоянного тока с помощью энергетических показателей. Математическая модель может быть получена из схемы управления ТЭД, представленной на рис. 1.

Ц = 550 В

М 1.3 Обмотка Датчик тока

<-^»у»>">возбужцения

+ —

Цк = 24 В

Др3

V

= : С2.1 ==С2.2

Рис. 1. Схема управления тяговым электродвигателем типа ДК-211БМ

Для расчёта коэффициента мощности и определения потерь постоянного тока в ТЭД необходимо знать средние энергетические показатели. В режиме пуска ТЭД период переходного процесса в цепи якоря можно определить как:

Т = — ш0 '

где Ю0- угловая скорость основной гармоники тока в цепи якоря в установившимся режиме [1].

Для схемы, представленной на рис.1, справедливы следующие уравнения.

Значение средней активной мощности, потребляемой ТЭД из сети за период, можно определить по формуле

т т

Рср =ХТ-1 \Т РкА =ХРк

где р = т- Г- среднее квадратичное значение активной мощности, потребляемой

к 1 к к

ТЭД из сети за время 1.

Полная мощность часового режима определяется как

т I—

Я Ц

2.2

к'к

к-1

где ик, ik - средние квадратичные значения напряжения тока в цепи якоря за период Т. Коэффициент мощности ТЭД можно определить по формуле

Р

к -рр,

т Я '

где Рср - среднее квадратичное значение активной мощности, потребляемой ТЭД; Я - полная потребляемая мощность в часовом режиме функционирования ТЭД.

В качестве примера для определения энергетических характеристик тягового электродвигателя типа ДК-211БМ предложена имитационная модель тягового электродвигателя типа ДК-211БМ (рис. 2).

Рис. 2. Имитационная модель тягового электродвигателя типа ДК-211БМ

В имитационной модели ТЭД типа ДК-211БМ задавались следующие параметры [3, 4]: напряжение в цепи якоря и = 550 В; напряжение цепи возбуждения главных и дополнительных полюсов и = 24 В; сопротивление обмотки якоря гя = 0,042 Ом; сопротивление обмотки главных полюсов ггп = 0,054 Ом; индуктивность обмотки якоря La = 0,025 Гн; индуктивность обмотки главных полюсов Lгп = 0,016 Гн; взаимная индуктивность обмоток якоря и главных полюсов Lагп = 1,2 Гн. Момент сопротивления вращению вала якоря Мс устанавливался в пределах 0,42-1,62 Нм.

В цепи регулирования скорости вращения якоря ТЭД с независимой схемой возбуждения используется широтно-импульсный преобразователь. С его помощью ток в цепи якоря ТЭД прерывается с некоторой частотой. При этом часть периода времени ТЭД остаётся подключённым к источнику питания контактной сети с постоянным напряжением 550 В, а в другую часть периода двигатель отключён от сети с помощью тиристора VS1 [1, 2]. Продолжительность включённого состояния управляющего тиристора и положительное значение импульса тока могут влиять на средний момент на валу ТЭД или на среднюю скорость движения электроподвижного состава.

На рис. 3 представлен график изменения тока в цепи якоря ТЭД в зависимости от времени при скорости движения электроподвижного состава 10-20 км/ч.

550 500 450 < 400 § 350 н 300 250 200 150

0 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 Время, мкс

Рис. 3. График изменения тока в цепи якоря ДК-211БМ при скорости движения 10-20 км/ч

На рис. 4 представлен график изменения тока в цепи якоря ТЭД в зависимости от времени при скорости 30-40 км/ч.

Рис. 4. График изменения тока в цепи якоря ДК-211БМ при скорости 30-40 км/ч

На рис. 5 представлен график изменения тока в цепи якоря ТЭД в зависимости от времени при скорости 50-70 км/ч. При этом цепь якоря ТЭД полностью подключается к источнику питания контактной сети с постоянным напряжением 550 В. Скорость движения электроподвижного состава регулируется за счёт ослабления возбуждения магнитного потока главных полюсов в цепи обмотки возбуждения.

170150130-< 120* 100 £ 804

604020-0^

¡(ш)

10

20 30 40 50 60 70 80 Время, мкс

Рис. 5. График изменения тока в цепи якоря ДК-211БМ при скорости 50-70 км/ч

Уравнение равновесия напряжения при однополярном регулировании скорости вращения якоря можно представить как

4 ^ +/я Rя = д„и - КП,

Ш

(1)

где 1я - значение тока в цепи якоря ТЭД; дп - амплитуда импульса управления; ке - постоянная электродвижущая сила двигателя; П - угловая скорость вращения якоря; 4я - индуктивность якоря; и - напряжение на якоре ТЭД.

Значение среднего электромагнитного момента на якоре ТЭД:

1 * Т М = Ткт (11я ш* + 1 /я Ш* ),

(2)

где Т - период импульсов управления; * - длительность импульса управления.

Обозначая т = — - электромагнитную постоянную времени обмотки якоря и подставляя

е Rя

в уравнение (1), получим

0

5

0

0

Т J

T —- +1 = q - ю; e dt я

M = fh I dt + fT I dt.

Jo я Jo я

(3)

Введём систему безразмерных (относительных) величин:

- безразмерный ток в цепи якоря / = ——;

^ном

- безразмерная угловая скорость вращения якоря ТЭД ш =

^но:

- безразмерный момент ц =

М

Мно„

На основании уравнения (3) примем для установившегося режима функционирования ю = const, т. к. мгновенная скорость ю практически не отличается от её среднего значения. В результате получим систему уравнений равновесия напряжения в цепи якоря на участке положительного и отрицательного импульсов управления

di dt di

T— + i = 1 -ю, 0 < t < t; e dt 1

(4)

T — + i = -ю, t1 < t < Т. e dt 1

Решением уравнений (4) будет

0 < t < t1, i = i(0)e Te + (1 - ю)

( л

1 - e T

t -tl

t1 < t < T, i = i(t1)e Te - ю

V

( - tk. Л 1 - e T

Здесь /(0) - начальное значение тока для первого интервала qn = 1, а - начальное значение тока для второго интервала qn = 0.

Исследуем непрерывный режим тока в цепи якоря ДК-211БМ при скорости движения более 50 км/ч.

Условием периодичности токов в цепи якоря будет равенство, предложенное в [5]

/(0) = /(Т).

В первое выражение (3) подставим t = t1, / = а во второе — = Т, / = /(Т) = /(0). В результате получим систему уравнений относительно начального тока / =/(0) и граничного тока /= /(tl):

i(t1) = i(0)e T + (1 - ю)

( _J Л 1 - e T

V У

i-ij ( i-ij Л

i(0) = i(t1)e Te - ю

1 - e T

V у

Решая систему уравнений (5) относительно искомых токов, получим

т

е Те

Т ( к \ ет _1

/(0) = ■

\

1-е

_ А_

— ю;

/(О =

1 _ е т

т

_ Те

_ ю.

1 _ е

г1 т

Обозначим безразмерную продолжительность включения тиристора т = ^ > а 5 = —, тогда полученные формулы примут вид

е5 _ 1 /(0) = ---ю;

е5 _ 1

(6)

/(О =

1 _ е5

1

1 _ е5

_ ю.

Размах пульсации тока:

1 _ е

М = /(г1) _/(0) = ■

1_т л

1 _ е 5

(7)

1 _ е

Т

При увеличении параметра 5 = = ТеI, где I - частота импульсов тока через управляющий тиристор, пульсация тока в цепи управления уменьшается. Если 5 - достаточно большая величина (5 ^ 5 ^ 10), то

е

1 . т (1_т)

5 -1 _ 1; е5 -1 _—; е 5

5 5

1 _

1 _ т

После подстановки этих выражений в (6) получим

М/

;.,т(1 _ т)

5

Увеличение 5 и, соответственно, частоты импульсов / приведёт к уменьшению пульсации тока и пульсации момента в цепи якоря ТЭД.

Определим энергетические потери в цепи якоря (Рм) при регулировании скорости в широком диапазоне, особенно на малых скоростях движения.

Преобразуем систему уравнений равновесия напряжения в цепи якоря на участке положи-

1 d (/2)

тельного и отрицательного импульса управления. Принимая во внимание, что /— =--1—-,

dг 2 dг

получим систему уравнений

т

т

5

5

0 < ' < t1, -т^^ +/2 = /(1 - ю); 2 е Л

t1 < t < Т, - + /2 = /(-ю).

1 2 е Л'

Проинтегрируем оба уравнения и найдём средние значения активной мощности, затраченной на нагрев обмотки якоря РМ (т. е. потери в меди) за период Т (в безразмерной форме)

Т | /2 Ж . Для каждого участка внутри периода имеем:

1 г 2 , 1 „ Л , - Т I 2

1 ;2 _ /1 /ЛМ , Л I е / V2

'1 1 > 1 T /

- j /■ 2dt = -(i - Ш)| idt +1T (i 2('i) - i 2(0));

1 0 1 0 2 1 -fi2dt = -(-ю)■ 1

Ti i T i t

j i 2dt = -(-ю) j idt + - T (i2(T) - i 2(ii)).

Т: т '1 2 Т Сложим оба выражения, учитывая, что / 2(0) = / 2(Т). Потери в обмотке якоря можно

определить по формуле

1 'i т 1 'i 1 T 1 'i T

PM = -(j *2 + j *2 =-jidt ~jidt - ®-(jtdt + jidt)

1 0 t 1 0 1 t 1 0 t

1 'i T

Но согласно (2) в безразмерных величинах —^ /Л' + J /Л')— М-, поэтому получим уравнение

T

0 '1

энергетического баланса в виде

1 t1 т 1 Ч 1

— (j idt + j idt) = — (j idt -j idt) - юц-

T J J T

0 t1 0 t1

Найдем разность выражения 1

Г '1 T \

;1 Т 1

|¡ж -1 /Л;) =—[т - 2ю;1 + юТ - 2Те (/(;1) - /(0))].

ч0 '1 ) Т

Средние потери меди в обмотке ротора:

РМ = 1 - 2ют + ю(ц) - 2^[/('1 - '(0))]. (8)

Подставив в выражение (8) значения /(0) и /('^из системы уравнений (5), получим:

1 т 1-т

— 1 + е ^_е ^_е ^

Рм = (1 + ю)2 - 4ют - -1-. (9)

е« -1

Коэффициент мощности km ТЭД при различных режимах функционирования можно определить по формуле

Р - Р £ =. Р Рм

Результаты моделирования энергетических показателей ТЭД типа ДК-211БМ при устойчивом режиме функционирования представлены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты моделирования энергетических показателей ТЭД типа ДК-211БМ при устойчивом режиме функционирования

Скорость движения V, км/ч Частота вращения якоря и, об/мин Ток якоря /я, А Напряжение на якоре и я, В Средняя активная мощность и мощность потерь Р - 1 к 1 М , кВт Средняя мощность часового режима ъ1 и Ъ кВт Коэффициент мощности кт Примечание

70 3 900 284 600 160,17 170 0,94 ОП* 35 %

60 3 500 294 580 160,28 170 0,94 ОП 35 %

50 3 000 310 550 160,27 170 0,94 НП** 50 %

40 2 500 320 530 159,4 170 0,94 УП*** 100 %

30 2 000 327 520 159,83 170 0,94 УП 100 %

20 1 000 340 500 159,8 170 0,94 УП 100 %

10 850 378 450 159,89 170 0,94 УП 100 %

* ОП - ослабленное магнитное поле на 35 % от номинального в цепи обмотки возбуждения.

* * НП - ослабленное магнитное поле на 50 % от номинального в цепи обмотки возбуждения.

*** уп - увеличенное магнитное поле в цепи обмотки возбуждения, т. е. номинальное 100 %.

При старении изоляции обмотки якоря или при межвитковых замыканиях секций обмотки якоря возникают переходные процессы, связанные с отклонением активного сопротивления, увеличиваются потери в обмотке якоря из-за нагрева, и, соответственно, увеличивается рассеяние магнитного поля якоря, а значение коэффициента мощности ТЭД уменьшается [5, 6]. Результаты моделирования энергетических показателей ТЭД типа ДК-211БМ при неустойчивом режиме функционирования представлены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты моделирования энергетических показателей ТЭД типа ДК-211БМ при неустойчивом режиме функционирования

Скорость движения и, км/ч Частота вращения якоря и, об/мин Ток якоря /я, А Напряжение на якоре ия, В Средняя активная мощность и мощность потерь Р - Р кВт Средняя мощность, часового режима XV и II, кВт Коэффициент мощности кт Примечание

70 3 900 283 600 91,8 170 0,54 ОП 35 %

60 3 500 293 580 90,1 170 0,53 ОП 35 %

50 3 000 309,1 550 88,4 170 0,52 НП 50 %

40 2 500 320,7 530 85,0 170 0,5 УП 100 %

30 2 000 326,9 520 81,6 170 0,48 УП 100 %

20 1 000 340 500 76,6 170 0,45 УП 100 %

10 850 377,8 450 71,4 170 0,42 УП 100 %

Из анализа результатов моделирования энергетических показателей ТЭД типа ДК-211БМ можно сделать вывод, что при усилении магнитного поля в цепи возбуждения и при поддержании скорости движения электротранспорта около 5 км/ч, что соответствует частоте вращения якоря ТЭД в пределах 850 об/мин, ток в цепи якоря имеет максимальные значения 1я = 377,8 А. При этом потери в меди (потери активной мощности, связанные с нагревом обмотки якоря) могут достигать значения пусковой мощности ТЭД

Р = Ы п = ^,

Кя

где Яя - активное сопротивление в цепи якоря, 1п - значение тока в цепи якоря в момент пуска.

Заключение

С помощью имитационного моделирования цепи ТЭД типа ДК-211БМ по формулам (7)-(9) были получены энергетические показатели для технически исправного состояния обмоток якоря. При наличии отклонений сопротивления обмотки якоря (межвитковое замыкание) эти расчётные показатели могут меняться ввиду изменения температуры и влажности окружающей среды, колебания напряжения питания в контактной сети и т. д. При устойчивом режиме функционирования значение коэффициента мощности находится в пределах ^ — 94. При неустойчивом режиме функционирования значения коэффициента мощности ^ могут изменяться в пределах 0,45-0,54, что является диагностическим признаком. Таким образом, значение коэффициента мощности ТЭД постоянного тока можно использовать в качестве диагностического параметра в бортовых системах автоматизированного контроля электромеханических транспортных систем.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Герман-Галкин С. Г. МаЙаЬ & Simulink. Проектирование мехатронных систем на ПК. СПб.: Корона-Век, 2011. 368 с.

2. Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в МА^АВ, SimPowerSystems и Simulink. М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. 288 с.

3. Основы технической диагностики. (Оптимизация алгоритмов диагностирования, аппаратурные средства) / Под ред. П. П. Пархоменко. М.: Энергия, 1981. 320 с.

4. Патент РФ № 2274869. Способ контроля электротехнического состояния электрических машин / Менщиков И. А., Горелик А. В., Монахов Б. С.; заявл. 01.06.2004; опубл. 20.04.2006; Бюл. № 11.

5. Патент РФ № 2526500. Устройство контроля работоспособности электродвигателя постоянного тока / Менщиков И. А., Пушин В. М.; заявл. 19.06.2013; опубл. 20.08.2014; Бюл. № 23.

Статья поступила в редакцию 09.02.2018

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

Менщиков Игорь Александрович — Россия, 410054, Саратов; Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры электроснабжения и электротехнологии; igormenshikov55@yandex.ru.

I. A. Menshikov

EVALUATION OF OPERATING CONDITIONS OF ELECTROMECHANICAL SYSTEMS USING ENERGY PERFORMANCE

Abstract. The article presents the results of evaluating technical state of electromechanical transport systems with ,3,K-21 IBM traction electric engine. Resolution of the problem of increasing operation efficiency of land and water transport can be achieved in many respects by implementation of advanced tools of automation and control over diagnostic parameters of electromechanical systems. Reducing operating costs due to the application of energy-saving technologies in maintenance of electromechanical systems on land and water transport is one of the main requirements of the industrial scientific and technical program. Electromechanical transport systems comprise a large number of sensors and actuators located directly on production sites in operation conditions. In this regard, there appears a need to bring electromechanical systems in conformity with modern requirements of operational safety on the basis of scientifically substantiated design concepts, scientific achievements in the field of new materials, production, technologies and automation con-trolof technical conditions of transport systems. One of the essential tasks of building an adaptive automation control system of monitoring technical state of electromechanical systems is selection

of diagnostic parameters. The selection of diagnostic parameters of control of technical state of traction electric machines is suggested to carry out using mathematical modeling of power indexes. With the help of a simulation model of electromechanical system of control over electrical DC machines type ^K-211BM there were obtained diagnostic energy parameters of the city electromotive vehicles moving at different speeds. Application of the obtained diagnostic parameters helps to control the faults and failures in armature windings of dc electric machines of transport electromechanical systems.

Key words: electromotive transport means, traction electric drive, technical diagnostics, transport systems.

REFERENCES

1. German-Galkin S. G. Matlab & Simulink. Proektirovanie mekhatronnykh sistem na PK [Matlab & Sim-ulink. Computer design of mechatronic systems]. Saint Petersburg, Korona-Vek, 2011. 368 p.

2. Chernykh I. V. Modelirovanie elektrotekhnicheskikh ustroistv v MATLAB, SimPowerSystems i Simulink [Modelling electrotechnical devices in MATLAB, SimPowerSystems and Simulink]. Moscow, DMK Press; Saint Petersburg, Piter Publ., 2008. 288 p.

3. Osnovy tekhnicheskoi diagnostiki. (Optimizatsiia algoritmov diagnostirovaniia, apparaturnye sredstva) [Introduction into technical diagnostics]. Pod redaktsiei P. P. Parkhomenko. Moscow, Energiia Publ., 1981. 320 p.

4. Menshchikov I. A., Gorelik A. V., Monakhov B. S. Sposob kontrolia elektrotekhnicheskogo sostoianiia elektricheskikh mashin [Control means of electrotechnical state of electric machines]. Patent RF № 2274869; 20.04.2006.

5. Menshchikov I. A., Pushin V. M. Ustroistvo kontrolia rabotosposobnosti elektrodvigatelia postoiannogo toka [Control means of a DC electric motor efficiency]. Patent RF no. 2526500; 20.08.2014.

The article submitted to the editors 09.02.2018

INFORMATION ABOUT THE AUTHOR

Menshikov Igor Alexandrovich — Russia, 410054, Saratov; Yuri Gagarin State Technical University of Saratov; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department of Electric Power Supply and Electric Technology; igormenshikov55@yandex.ru.