CC BY
47
6. Качин, О. С. Повышение ресурса скользящего контакта универсальных коллекторных электродвигателей : дис. ... канд. техн. наук : 05.09.01. Качин Олег Сергеевич. — Томск, 2008. - 178 с.
ХАРЛАМОВ Виктор Васильевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой электрических машин и общей электротехники.
ПОПОВ Денис Игоревич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры электрических машин и общей электротехники. БАЙСАДЫКОВ Марсель Фаритович, аспирант кафедры электрических машин и общей электротехники.
Адрес для переписки: marsel_b@mail.ru
Статья поступила в редакцию 13.04.2016 г. © В. В. Харламов, Д. И. Попов, М. Ф. Байсадыков
УДК 621.313:621.7.08
В. В. ХАРЛАМОВ Д. И. ПОПОВ А. П. АФОНИН А. С. ОГНЕВСКИЙ
Омский государственный университет путей сообщения
ПОВЫШЕНИЕ ДОСТОВЕРНОСТИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ КОЛЛЕКТОРНО-ЩЕТОЧНОГО УЗЛА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН С УЧЕТОМ НЕИДЕНТИЧНОСТИ КОММУТАЦИОННЫХ ЦИКЛОВ
В статье приведены двудольные графы соответствия дефектов и диагностических параметров коллекторно-щеточного узла машин постоянного тока. На основании проведенных экспериментов получены уравнения регрессии, позволившие проанализировать влияние различных факторов на интенсивность искрения, а также неидентичность в коммутации как в одной и той же секции от оборота к обороту якоря (неидентичность во времени), так и в различных секциях за один оборот якоря (неидентичность по коллектору). Даны рекомендации по повышению достоверности диагностирования механических неисправностей.
Ключевые слова: электрическая машина, диагностические параметры, коллек-торно-щеточный узел, неидентичность коммутационных циклов, среднее ква-дратическое отклонение интенсивности искрения.
На техническое состояние коллекторно-щеточ-ного узла (КЩУ) электрической машины оказывает влияние множество факторов [1] электромагнитной и механической природы, связанных с различными параметрами машины, а также с несимметрией ее геометрии, что приводит к неидентичности коммутационных циклов [2]. Кроме того, значительное влияние оказывают и внешние факторы, связанные с условиями работы, например температура окружающей среды, влажность, внешняя вибрация и другие [3].
Анализ коммутационного процесса коллекторных электрических машин показывает, что в результате действия множества факторов различной природы возникает неидентичность коммутационных циклов в секциях обмотки якоря. При этом неидентичность выражена в коммутации как
в одной и той же секции от оборота к обороту якоря (неидентичность во времени), так и в различных секциях за один оборот якоря (неидентичность по коллектору).
В связи с этим предложено состояние коммутации машин постоянного тока (МПТ) оценивать не только по среднему значению интенсивности искрения, но и по среднему квадратическому отклонению (СКО) интенсивности искрения во времени и по коллектору.
Для выявления диагностических параметров, позволяющих оценить техническое состояние КЩУ электрической машины и отвечающих требованиям доступности измерения, достоверности результатов измерения, информативности и различительной способности, применен графоаналитический метод с последующей декомпозицией исходной
граф-модели по характеру воздействия факторов на процесс коммутации МПТ [4].
В результате сформированы множества диагностических параметров для оценки работы КЩУ в целом по машине В1 = {круговой огонь (КО), средний уровень искрения щеток (И ), марка щетки (Мщ), температура окружающей среды (?окрср), влажность (Сг), среднее значение напряжения питания (Ц ), частота вращения (л), среднее значение тока якоря (1а ср)}; для оценки неидентичности коммутационных циклов во времени В2 = {СКО интенсивности искрения во времени (с), вибрация испытуемой машины (а), ток якоря (1а), изменение напряжения питания (АЦ)}; для оценки неидентичности коммутационных циклов по коллектору В3 = {СКО интенсивности искрения по коллектору (ск), профиль коллектора (п), частота вращения (л)}.
Исходя из множеств В,, В2 и В3 сформированы двудольные графы соответствия множества дефектов с множеством диагностических параметров (рис. 1).
С целью получения математических зависимостей, связывающих значение уровня искрения в КЩУ с параметрами работы электрической машины, проведены экспериментальные исследования. В процессе исследований изменялись следующие входные параметры: ток якоря I , ток подпитки (отпитки) добавочных полюсов I (1о), частота вращения якоря л и величина нарастания (спада) тока якоря А1, обусловленная мгновенным подключением или отключением части нагрузки. В качестве выходных параметров эксперимента приняты: среднее значение интенсивности искрения Ир, СКО интенсивности искрения по коллектору ск и СКО интенсивности искрения во времени с .
Эксперименты проведены как для переходного (входные параметры: 1п/1о, А1а, л), так и для установившегося режима работы (входные параметры: 1/1о, Iа, л). Исходя из номинальных параметров испытуемой машины были выбраны основные уровни и интервалы варьирования факторов (табл. 1).
Приняв в качестве параметров оптимизации интенсивность искрения у1 и его среднеквадрати-ческое отклонение во времени у2 и по коллектору у3, использовали следующую линейную регрессионную модель:
у. = Ьп + Ь ,х, + Ь. х, + Ь, -х, +
I 0 11 2 2 33
+ Ь.х -х. + Ь,х,-х. + Ь.-х.х,,
4 1 2 5 1 3 6 2 3
Рис. 1. Двудольные графы соответствия дефектов и диагностических параметров КЩУ: а — определяющие средний уровень искрения; б — определяющие неидентичность коммутационных циклов во времени; в — определяющие неидентичность коммутационных циклов по коллектору
где I — номер от 1 до 3.
Для сбора экспериментальных данных разработаны матрицы планирования (табл. 2, 3).
В результате математической обработки экспериментальных данных получены следующие уравнения регрессии с кодированными переменными:
для переходного режима при подпитке:
у, = 19,715 + 14,151х, - 3,742х2 + 5,54х3 -
- 2,576х1х2 + 4,477х1х3 - 0,13х2х3,
у2 = 6,175 + 3,338х, - 0,933х2 - 0,48х3 -
- 0,929х,х2 - 1,405х1х3 + 0,359х2х3,
у3 = 3,232 + 1,739х, - 0,519х2 + 0,639х3 -
- 0,346х,х2 + 0,531х,х3 - 0,054х2х3;
для переходного режима при отпитке:
Таблица 1
Основные уровни и интервалы варьирования входных параметров при подпитке/отпитке в переходном и установившемся режимах
Входные параметры /п, А 1о, А I,, А Л/, А п, мин 1
Кодовое обозначение *2
Основной уровень 2,25 2,5 7 0 1750
Интервал варьирования 0,75 0,5 5 10 250
Верхний уровень 3 3 12 10 2000
Нижний уровень 1,5 2 2 -10 1500
Матрица планирования и результаты опытов в переходном режиме
Таблица 2
Кодированное значение входного параметра Значение выходного параметра
при подпитке при отпитке
*0 *2 *3 У1 У2 У3 У1 У2 У3
+ - - - 4,990 1,834 1,512 5,53 1,290 1,205
+ - - + 8,472 3,848 1,820 4,795 1,240 1,180
+ - + - 4,013 1,990 1,258 5,795 1,610 1,490
+ - + + 4,784 3,677 1,382 4,86 1,310 1,235
+ + - - 30,585 14,060 4,605 9,895 7,755 2,025
+ + - + 49,784 8,690 7,067 13,15 9,540 3,845
+ + + - 17,113 8,736 2,997 10,805 6,170 3,275
+ + + + 37,982 6,568 5,214 15,64 11,600 4,475
Таблица 3 Матрица планирования и результаты опытов в стационарном режиме
Кодированное значение входного параметра Значение выходного параметра
при подпитке при отпитке
*0 *2 *3 У1 У2 У3 У1 У2 У3
+ - - - 5,342 1,536 1,544 2,532 0,570 0,559
+ - - + 7,076 1,239 1,383 2,518 0,566 0,559
+ - + - 6,434 2,453 2,154 4,824 2,131 1,526
+ - + + 11,229 3,926 3,495 7,377 2,754 2,238
+ + - - 43,475 4,629 4,314 2,494 0,575 0,565
+ + - + 51,854 6,664 7,363 2,515 0,574 0,565
+ + + - 13,276 3,422 3,298 3,655 1,181 1,107
+ + + + 37,173 5,522 5,827 9,811 4,149 3,668
Расчетные значения F-критерия для опытов в различных режимах
Таблица 4
Режим нагрузки Режим подпитки добавочных полюсов Режим отпитки добавочных полюсов
У1 У2 У3 У1 у2 у3
Переходный 0,656 1,133 0,007 0,138 0,737 0,027
Стационарный 1,391 0,506 1,942 0,554 0,266 0,612
у1 = 8,809 + 3,564х, + 0,466х2 + 0,803х3 + + 0,384х,х2 + 1,22х,х3 + 0,173х2х3,
у2 = 5,064 + 3,702х, + 0,108х2 + 0,858х3 + + 0,011х,х2+ 0,946х,х3 + 0,424х2х3,
у3 = 2,341 + 1,064х, + 0,278х2 + 0,343х3 + + 0,192х,х2 + 0,413х,х3 - 0,106х2х3;
для стационарного режима при подпитке:
у, = 21,982 + 14,462х, - 4,954х2 + 4,851х3 --6,266х,х2 + 3,218х,х3 + 2,322х2х3,
у2 = 3,678 + 1,389х, + 0,161х2 + 0,668х3 -
- 0,74х,х2 + 0,374х,х3 + 0,233х2х3,
у3 = 3,672 + 1,528х, + 0,021х2 + 0,845х3 -
- 0,659х,х2 + 0,55х,х3 + 0,123х2х3;
для стационарного режима при отпитке:
у, = 4,466 + 0,153х, + 1,951х2 + 1,089х3 + + 0,163х1х2 + 0,455х,х3 + 1,088х2х3,
у2 = 1,563 + 0,057х, + 0,991х2 + 0,448х3 + + 0,054х,х2 + 0,293х,х3 + 0,45х2х3,
у3 = 1,348 + 0,128х, + 0,786х2 + 0,409х3 + + 0,125х,х2 + 0,231х,х3 + 0,409х2х3.
Проверка гипотезы адекватности полученных регрессионных моделей произведена по Б-критерию Фишера. Для этого найдено расчетное значение критерия по выражению
Дисперсию Б^ параметра оптимизации вычисляем по результатам трех опытов в центре плана, т.е. при х1 = х2 = х3 = 0, по следующему выражению:
Ре
ад
Г2
X (У» - У )2
Дисперсия адекватности вычислена по выражению
N 2
£ Л
о 2 _ _,
О ад--1
/
где у. — экспериментальное значение параметра оптимизации в ]-м опыте;
у^ — значение параметра оптимизации в ]-м опыте, вычисленное по уравнению регрессии с кодированными переменными;
/ — число степеней свободы, f = N - (к + 1); N — число опытов, равное 8; к — число факторов, равное 3.
где л0 — число опытов в центре плана;
уи — значение параметра оптимизации в и-м опыте
в центре плана;
у — среднеарифметическое значение уи во всех опытах в центре плана.
При 5 %-м уровне значимости и числе степеней свободы f = 2 табличное значение критерия Фишера Рш = 6,9.
Так как табличное значение (Р ) больше всех по-
ш
лученных расчетных значений (Рр) (табл. 4), модели, представленные регрессионными уравнениями, можно считать адекватными.
Проанализируем соответствие полученных регрессионных моделей двудольным графам (рис. 1).
Параметры й,, и й,2, зависящие от скорости вращения (л), оказывают значительное влияние на неидентичность коммутационных циклов как во времени (рис. 1б), так и по коллектору (рис. 1в). Это же подтверждается и тем, что коэффициенты во всех регрессионных уравнениях, определяющих у2 и у3, стоящие перед переменной х3, имеют близкие значения.
Параметр й2, зависящий от тока якоря, оказывает большее влияние на неидентичность коммутационных циклов во времени (рис. 1б). Это же подтверждается и тем, что коэффициенты в регрессионных уравнениях, стоящие перед переменной х2, в некоторых режимах работы имеют значительно большие значения при определении СКО уровня искрения во времени ав, чем по коллектору; при этом в остальных режимах работы значения этих коэффициентов близки друг другу.
Параметры й6 и й7, зависящие от параметров магнитной системы машины, оказывают большее влияние на неидентичность коммутационных циклов по коллектору (рис. 1в). Это же подтверждается и тем, что коэффициенты в регрессионных уравнениях, стоящие перед переменой х,, в некоторых режимах работы имеют значительно большие значения при определении СКО уровня искрения по коллектору а, чем во времени; при этом в остальных режимах работы значения этих коэффициентов близки друг другу. Следовательно, адекватность полученных регрессионных уравнений также косвенно подтверждается их соответствием представленным двудольным графам (рис. 1).
Таким образом, полученные регрессионные уравнения позволяют проанализировать и оценить
П - 1
зависимость среднего уровня искрения, а также СКО уровня искрения во времени и по коллектору от факторов как механической, так и электромагнитной природы.
Анализ полученных уравнений также показывает, что при низком среднем уровне искрения (в рассмотренном случае это стационарный режим при отпитке) в значительной мере повышается значимость коэффициентов, связанных с СКО уровня искрения по отношению к коэффициентам, связанным со средним уровнем искрения. Следовательно, при лучшей настройке машины с точки зрения устранения электромагнитных факторов, приводящих к искрообразованию, большую информативность получают такие диагностические параметры, как СКО уровня искрения во времени ав и по коллектору а, отражающие неидентичность коммутационных циклов, обусловленную механическими факторами искрения.
Отсюда можно заключить, что повышение достоверности диагностирования механических неисправностей по значениям СКО уровня искрения по коллектору и во времени возможно за счет предварительного снижения влияния электромагнитных факторов.
Библиографический список
1. Харламов, В. В. Определение диагностических параметров для оценки состояния профиля коллектора тягового электродвигателя / В. В. Харламов, Р. В. Сергеев, П. К. Шко-дун, Д. А. Ахунов, А. В. Долгова // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2011. — № 1 (97). — С. 121-125.
2. Авилов, В. Д. Методы анализа и настройки коммутации машин постоянного тока : моногр. / В. Д. Авилов — М. : Энер-гоиздат, 1995. — 237 с.
3. Харламов, В. В. Методы и средства диагностирования технического состояния коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей и других коллекторных машин постоянного тока : моногр. / В. В. Харламов ; Омский гос. ун-т путей сообщения. — Омск, 2002. — 233 с.
4. Харламов, В. В. Формирование эффективного множества диагностических параметров для контроля технического состояния коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей в условиях неидентичности коммутационных циклов / В. В. Харламов, П. К. Шкодун, А. П. Афонин // Известия Транссиба. — 2012. — № 4 (12). — С. 69 — 75.
ХАРЛАМОВ Виктор Васильевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой электрических машин и общей электротехники.
ПОПОВ Денис Игоревич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры электрических машин и общей электротехники. АФОНИН Александр Петрович, соискатель по кафедре электрических машин и общей электротехники.
ОГНЕВСКИЙ Андрей Сергеевич, студент гр. 41г
электромеханического факультета.
Адрес для переписки: PopovOmsk@yandex.ru
Статья поступила в редакцию 13.04.2016 г. © В. В. Харламов, Д. И. Попов, А. П. Афонин, А. С. Огневский
Книжная полка
621.1М69
Михайлов, А. Г. Теоретические основы теплотехники : практикум / А. Г. Михайлов, П. А. Батраков. -Омск : Изд-во ОмГТУ, 2015. - 1 о=эл. опт. диск (CD-ROM).
Приведены задачи, примеры и методы их решения, лаконично и последовательно изложены теоретические основы теплотехники, знание которых необходимо для решения задач прикладной теплотехники. Практикум предназначен студентам энергетических направлений подготовки: 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», 13.03.03 «Энергетическое машиностроение».
621.311/Г90
Грунин, В. К. Основы электроснабжения объектов. Расчет электрических нагрузок : конспект лекций / В. К. Грунин. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2015. - 1 о=эл. опт. диск (CD-ROM).
Рассмотрены характеристика и структура систем электроснабжения, классификация и характеристика как приемников, так и потребителей электрической энергии. Представлены графики электрических нагрузок и коэффициенты, характеризующие графики. Приведены методы расчета нагрузок на различных уровнях СЭС и даны рекомендации по их выбору. Предназначен для студентов специальности 140211 «Электроснабжение» очной, очно-заочной и заочной форм обучения.
621.31/И90
История электроэнергетики : конспект лекций / В. Н. Горюнов [и др.]. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2015. -1 о=эл. опт. диск (CD-ROM).
Для студентов 1-го курса дневной, вечерней, заочной, а также дистанционной форм обучения по специальности 140211 «Электроснабжение промышленных предприятий».
