CC BY
18
Кандидат технических наук, главный сварщик ОАО ПО «Иркутский завод тяжелого машиностроения».
E-mail: broidolv@gmail.com
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Хоменко, А. П. Разработка технологии электропечной выплавки легированной ванадием рельсовой стали и качество рельсов [Текст] / А. П. Хоменко, С. С. Черняк, В. Л. Бройдо // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2016. -№ 3 (27). - С. 66 - 76.
Cand. Tech. Sci., Chief Welding of JSC PO «Irkutsk Heavy Machinery Plant».
Phone: +7 (3952) 63-83-99.
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Khomenko A. P., Chernyak S. S., Broido V. L. Development electrooven alloy smelting technology vanadium steel rail. Journal of Transsib Railway Studies, 2016, vol. 27, no. 3, pp. 66 - 76. (In Russian).
УДК 620.192.63
П. К. Шкодун, И. В. Шестаков, А. И. Стретенцев
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
применение метода волнового отклика для выявления повреждений межвитковой изоляции якорных обмоток
вспомогательных машин тягового подвижного состава
железных дорог
Аннотация. Целью данной статьи является представление результатов работы по автоматизации процесса тестирования якорных обмоток электрических машин по методу волновых окликов и определение применимости метода для диагностирования вспомогательных машин тягового подвижного состава. В статье описаны технические решения, примененные при разработке мобильного блока для тестирования изоляции по методу волновых откликов, приведен алгоритм тестирования в автоматическом режиме. Описана методика расчета обобщенного диагностического коэффициента. Приведены результаты тестирования вспомогательных машин типов НБ436В и НБ-431П, установленных на электровозе ВЛ-10, сделан вывод о перспективности предложенной методики. Определены задачи дальнейших исследований, направленных на внедрение метода волновых откликов на производстве.
Ключевые слова. Вспомогательная машина, межвитковая изоляция, метод волновых откликов, тяговый подвижной состав, техническое диагностирование
Pavel K. Shkodun, Ignat V. Shestakov, Andrej I. Stretensev
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation
APPLICATION OF WAVE RESPONSE METHOD FOR FAULT FINDING IN INSULATION SYSTEM OF AUXILIARY MACHINES ARMATURE COILS
Abstract. The aim of this article is results representing of work focused to automation of electrical machines armature coils diagnostics process based on wave response method. Technical decisions used in development of mobile device for insulation diagnostics via wave response method described. Techniques of generalized diagnostics coefficient calculation described. Article presents test results of NB436V and NB-431P auxiliary machines installed VL-10 electromotive.
Keywords. Auxiliary machine, interturn insulation, method of wave response, traction rolling stock, technical diagnostics
Техническая надежность сложных электротехнических изделий, в том числе и электродвигателей, определяется в большей степени уровнем надежности, заложенным при проектировании и производстве, внешними условиями эксплуатации и особенностями режимов
работы. В настоящее время парк тягового подвижного состава железных дорог, хотя и претерпевает обновление, все еще имеет в своем составе большое количество устаревшей техники, проектный ресурс которой уже исчерпан. Следует отметить также тяжелые условия эксплуатации тягового подвижного состава, вызванные различными факторами, например, перегрузками на затяжных подъемах, условиями внешней среды (сезонные колебания температуры, осадки) и т. п. Согласно статистике до 14 % отказов электровозов приходится на отказы вспомогательных машин [1]. В свою очередь большую долю отказов вспомогательных машин тягового подвижного состава занимают электрические пробои изоляции и межвитко-вые замыкания обмоток [2]. Возникающие повреждения изоляции приводят к частичной, а иногда и к полной деградации изоляционных материалов, перегревам, снижению КПД и полному выходу из строя поврежденной машины. Выявление скрытых дефектов межвитко-вой изоляции электродвигателей тягового подвижного состава является актуальной задачей, направленной на снижение расходов, вызванных последствиями устранения данных повреждений за счет своевременного выполнения ремонтных и профилактических мероприятий.
Одним из наиболее перспективных методов выявления повреждений межвитковой изоляции электродвигателей постоянного тока является метод волнового отклика [3]. Суть метода заключается в фиксации волнового затухающего процесса (волнового отклика), возникающего в обмотке под действием диагностических импульсов в различных угловых положениях якоря. Диагностические импульсы, воздействуя на обмотку, вызывают возникновение внутри нее стоячей волны, половина периода пространственных колебаний которой распределяется по длине каждой параллельной ветви обмотки (эквивалентной линии с распределенными параметрами). Возникновение повреждений вызывает резкое изменение параметров эквивалентной линии в точке повреждения и отражение падающей волны диагностических импульсов, что в конечном итоге приводит к возникновению двух стоячих волн в поврежденной параллельной ветви обмотки и искажение результирующего волнового отклика. В процессе изменения углового положения якоря координата повреждения смещается относительно точек подачи диагностических импульсов (щеток), вызывая существенные изменения формы волнового отклика (рисунок 1). Данные теоретические предположения подтверждены экспериментальными исследованиями [4].
8
В
и
-4
-12
А1 ч
\ / А2
№ Т2
▼ IV м- - Т1 -1
50
100
мкс
200
Рисунок 1 - Результаты испытаний якорной обмотки электродвигателя НБ-431П
Изменение формы волнового отклика при изменении углового положения якоря свидетельствует о наличии в обмотке межвиткового замыкания.
Для проведения испытаний авторами разработан мобильный блок для диагностирования состояния межвитковой изоляции коллекторных электрических машин (далее - блок). Блок построен на базе платы 8ТМ32Е7460-ВШС0 и специально разработанного аналогового мо-
0
г
дуля в стандартном форм-факторе Arduino-Shield. Структурная схема блока приведена на рисунке 2.
Блок осуществляет подачу в обмотку диагностических импульсов, отображение осциллограммы сигнала, фиксацию и анализ волновых откликов, сохранение результатов на MicroSD-карту и передачу результатов испытаний на ПК через интерфейс USB, контроль напряжения батареи питания. Схемы гальванической изоляции и силового ключа аналогичны применяемым в блоке предыдущего поколения [5, 6]. Измерительный тракт включает в себя отключаемый делитель напряжения и дифференциальный усилитель Texas Instruments INA159 [7].
Блок является автономным, он имеет встроенную литий-ионную батарею с контроллером заряда / разряда. Для проведения диагностирования состояния изоляции при помощи данного блока не требуется никакого дополнительного оборудования (внешних осциллографов, блоков питания и т. п.).
STM32F746G-DISCO
Графический интерфейс элементы управления и
1 j L
Управляющая программа
i
Батарея
i
ПЗУ (MicroSD)
Аппаратная периферия
I__
АЦП
Аналоговые выходы
Измерительный тракт
t-<>-
USB к ПК
«-
Схема гальванической развязки
г
Силовой ключ
К обмотке
Рисунок 2 - Структурная схема мобильного блока
Для выявления повреждений межвитковой изоляции авторами предлагается использовать обобщенный диагностический коэффициент, вычисляемый на основании параметров двух реализаций волнового отклика, полученных в процессе тестирования в различных угловых положениях якоря. На рисунке 1 приведены две реализации волнового отклика, снятые в результате тестирования якорной обмотки электродвигателя НБ-431П с искусственно введенным межвитковым замыканием.
Для каждого волнового отклика определяются период колебаний Т и «полная амплитуда» A первой волны. Следует отметить, что для вычисления обобщенного диагностического коэффициента анализу подвергаются две реализации волнового отклика, имеющие минимальное и максимальное отношение «полной амплитуды» к периоду, т. е. две реализации от-
клика, имеющие наибольшую степень расхождения параметров (далее - базовые реализации волнового отклика).
Обобщенный диагностический коэффициент вычисляется по формуле:
*=i - A1
T2 T1
(1)
где А1, 71 - «полная амплитуда» и период первой базовой реализации волнового отклика;
А2, 72 - «полная амплитуда» и период второй базовой реализации волнового отклика.
Коэффициент К равен нулю при отсутствии изменения формы волнового отклика в процессе изменения углового положения обмотки, что свидетельствует об отсутствии повреждений изоляции. Увеличение значения коэффициента К указывает на снижение качества изоляции ввиду деградации изоляционных материалов, межвиткового замыкания, замыкания на корпус.
Следует отметить, что метод чувствителен только к локальным повреждениям изоляции, нарушающим симметрию параллельных ветвей тестируемой обмотки.
Алгоритм процесса тестирования изоляции, реализуемого блоком, приведен на рисунке 3, где ДИ - диагностические импульсы; ВО - волновой отклик.
Рисунок 3 - Упрощенный алгоритм процесса тестирования
Управление блоком осуществляется посредством графического интерфейса, непосредственным нажатием на чувствительный к прикосновениям LCD дисплей. Снимок основного экрана графического интерфейса пользователя приведен на рисунке 4.
В рамках исследования применимости метода волнового отклика для диагностирования межвитковой изоляции якорных обмоток вспомогательных машин подвижного состава проведена серия испытаний на электродвигателе системы вентиляции типа НБ-431П (см. рисунок 2) и генераторе НБ436В, установленных на электровозе ВЛ-10. При испытаниях были искусственно смоделированы межвитковые замыкания путем соединения двух соседних коллекторных пластин.
Ти, мкс
7.5 5.0
2.5 0.0 -2.5 -5.1 -7.5
Д Ось V: 2,5 В/дел М С Ось X. 50 мке/дел
Начать
Завершить
1 1 1 ч 1 / г Результат А1 = Т1 = 2$.< 8.3 В; А2=6 $ в, ) мкс; Т2 - 34.0 мкс. К = 0.32.
\У ( Закрыть Сохранить ]
1 /
и _
Рисунок 4 - Графический интерфейс пользователя
Базовые реализации волнового отклика, полученные на генераторе НБ436В, приведены на рисунке 5.
10,0 В
-10,0 -20,0
и
- 30,0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 мкс 10
г -►
Рисунок 5 - Результаты испытаний якорной обмотки генератора НБ436В
Искажения формы волнового отклика (см. рисунок 5), вызваны особенностями работы силового ключа и конструктивными особенностями обмотки. Сопротивление якорной цепи генератора НБ436В составляет около 0,00331 Ом, в то время как у электродвигателя НБ-431П 22 Ом [8], таким образом, силовой транзистор ключа работает в нестандартном режиме, что приводит к искажению формы волнового отклика в момент после размыкания ключа. Указанная техническая проблема решена установкой токоограничивающего переменного резистора в цепь подачи диагностических импульсов.
Отметим также, что длительность базовых реализаций волнового отклика, полученных на якорной обмотке генератора, гораздо меньше, а «полная амплитуда» - больше. Если пред-
3(27)
ставить волновую обмотку якоря генератора в виде эквивалентной линии с распределенными параметрами, то такая линия будет иметь гораздо меньшую длину в сравнении с петлевой обмоткой электродвигателя, соответственно и возникающие в такой линии колебания будут иметь большую «полную амплитуду» за счет протекания значительного тока, но будут затухать гораздо быстрее.
В таблице представлены результаты анализа формы базовых реализаций волнового отклика, приведенных на рисунках 1 и 5.
Результаты анализа реализаций базовых реализаций волнового отклика вспомогательных машин электровоза ВЛ-10
Машина Параметр
A1, В Т1, мкс A2, В Т2, мкс К
Электродвигатель НБ-431П Генератор НБ436В 13,2 33,5 61,6 1,98 8,02 31,7 79,2 2,38 0,468 0,212
Обобщенный диагностический коэффициент К вычисляется в относительных единицах и при тестировании якорных обмоток различной конструкции всегда имеет значения одного порядка (как правило, десятых долей единицы), что удобно при интерпретировании результатов тестирования, в том числе и при проведении тестирования в автоматическом режиме.
Результаты экспериментальных исследований, приведенные в данной статье, позволяют говорить о возможности тестирования изоляции якорных обмоток вспомогательных машин тягового подвижного состава методом волнового отклика. Разработанный коллективом авторов аппаратно-программный комплекс позволяет производить испытания в условиях эксплуатации.
В настоящее время остается актуальной задача накопления статистических данных по итогам эксплуатационных испытаний и определения интервалов возможных значений обобщенного диагностического коэффициента, соответствующих наличию или отсутствию повреждений межвитковой изоляции и степени их выраженности. Отметим, что на практике встречаются случаи межвиткового замыкания витков якорных обмоток под действием центробежных сил, замыкания, вызванные нагревом изоляции в рабочем режиме, и локальные снижения сопротивления изоляции без образования устойчивого контакта «металл - металл». Указанные повреждения могут быть выявлены лишь в рабочем режиме, а значит, для их диагностирования методом волнового отклика требуются дополнительные исследования, усложнение методики тестирования и разработка аппаратных средств диагностирования.
Список литературы
1. Петров, М. Н. Статистический анализ повреждений узлов и оборудования электровозов на Красноярской дороге [Текст] / М. Н. Петров, А. И. Орленко, О. А. Терегулов // Современные наукоемкие технологии. - 2013. - № 6. - С. 148, 149.
2. Исмаилов, Ш. К. Повышение ресурса изоляции обмоток электрических машин подвижного состава в условиях эксплуатации [Текст]: Автореф. дис... докт. техн. наук. - Омск, 2004. - 43 с.
3. Харламов, В. В. Оценка технического состояния изоляции тяговых электродвигателей подвижного состава [Текст] / В. В. Харламов, П. К. Шкодун, И. В. Шестаков // Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов: Материалы всерос. техн. конф. с междунар. участием / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. -2014. - С. 211 - 222.
4. Харламов, В. В. Особенности применения метода волновых откликов при тестировании межвитковой изоляции якорных обмоток тяговых электродвигателей [Текст] / В. В. Харламов, П. К. Шкодун, И. В. Шестаков // Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте: Материалы науч. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2016. - С. 167 - 173.
5. Харламов, В. В. Испытательный стенд для тестирования межвитковой изоляции якорной обмотки тяговых электродвигателей подвижного состава [Текст] / В. В. Харламов, П. К. Шкодун, И. В. Шестаков // Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного подвижного состава: Материалы всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2015. - Ч. 1. -С. 90 - 95.
6. Шестаков, И. В. Разработка мобильного устройства для диагностирования состояния межвитковой изоляции якорных обмоток коллекторных электрических машин [Текст] / И. В. Шестаков // Сборник XL регион. студенческой науч.-практ. конф. «Молодежь третьего тысячелетия» / Омский гос. ун-т. - Омск, 2016. - С. 118 - 121.
7. Звонарев, Е. Драйверы для АЦП на основе ОУ компании Texas Instruments [Текст] / Е. Звонарев // Компоненты и технологии. - 2007. - № 11. - С. 33 - 38.
8. Электровозы ВЛ10 и ВЛ-10У: Руководство по эксплуатации / Под ред. О. А. Кикнадзе. М.: Транспорт, 1981. - 519 с.
References
1. Petrov M. N., Orlenko A. I., Teregulov O. A. Statistics of electromotives equipment units faults on Krasnoyarskaya railway [Statisticheskij analiz povrezhdenij uzlov i oborudovanija jel-ektrovozov na Krasnojarskoj doroge]. Modern high technologies - Sovremenniye naukoemkie tehnologii, 2013, no. 6, pp. 148 - 149.
2. Ismailov Sh. K. Povyshenie resursa izoljacii obmotok jelektricheskih mashin podvizhnogo sostava v uslovijah jekspluatacii (Operation time enhancement of electrical machines coils insulation on traction rolling stock under operation conditions). Doctor's abstract of a thesis, Omskm OSTU. 2004, p. 43.
3. Harlamov V. V., Shkodun P. K., Shestakov I. V. Evaluation of traction motors insulation technical condition on rolling stock [Ocenka tehnicheskogo sostojanija izoljacii tjagovyh jel-ektrodvigatelej podvizhnogo sostava]. Materialyi vtoroy vserossiyskoy tehnicheskoy konferentsii s mezhdunarodnyim uchastiem «Ekspluatatsionnaya nadezhnost lokomotivnogo parka i povyishenie effektivnosti tyagi poezdov» (Proceedings of the conference «The operational reliability of the locomotive fleet and improving the efficiency of train traction»). - Omsk, 2014, pp. 211 - 222.
4. Harlamov V. V., Shkodun P. K., Shestakov I. V. Application features of wave response method using for diagnostics of traction motors armature coil turn-to-turn insulation [Osobennosti primenenija metoda volnovyh otklikov pri testirovanii mezhvitkovoj izoljacii jakornyh obmotok tjagovyh jelektrodvigatelej]. Materialy nauchnoj konferencii «Innovacionnyeproekty i tekhnologii v obrazovanii promyshlennosti i na transporte» (Proceedings of the conference « Innovation projects and technologies in education, industry and transport»). - Omsk, 2016, pp. 167 - 173.
5. Harlamov V. V., Shkodun P. K., Shestakov I. V. Test-bench for diagnostics of traction motor armature coil turn-to-turn insulation [Ispytatel'nyj stend dlja testirovanija mezhvitkovoj izoljacii ja-kornoj obmotki tjagovyh jelektrodvigatelej podvizhnogo sostava]. Materialy tret'ej vserossijskoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii s mezhdunarodnym uchastiem v trekh chastyah. Chast' 1. «Tekhnologicheskoe obespechenie remonta i povyshenie dinamicheskih kachestv zheleznodorozh-nogo podvizhnogo sostava» (Proceedings of the conference «Technological maintenance repair and improvement of the dynamic properties of the railway rolling stock»). - Omsk, 2015, pp. 90 - 95.
6. Shestakov I. V. Development of mobile device for commutator machines armature coil turn-to-turn insulation diagnostics [Razrabotka mobil'nogo ustrojstva dlja diagnostirovanija sostojanija mezhvitkovoj izoljacii jakornyh obmotok kollektornyh jelektricheskih mashin]. Sbornik XL region-alnoj studencheskoja nauchno-prakticheskoj konferencii «Mmolodezh tretego tysyacheletiya» (Proceedings of the conference «The youth of the third millennium»). - Omsk, 2016, pp. 118 - 121.
7. Zvonarev E. Drivers for ADC based on operational amplifiers from Texas Instruments [Drajvery dlja ACP na osnove OU kompanii Texas Instruments]. Komponenty i tekhnologii - Components and Technologies, 2007, no. 11, pp. 33 - 38.
8. Kiknadze O. A. Elektrovozy VL10 i VL-10U. Rukovodstvopo ekspluatatsii (VL-10 and VL-10U electric locomotives. Operational instruction). Moscow: Transport Publ., 1981, 519 p.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Шкодун Павел Константинович
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрические машины и общая электротехника», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 31-18-27.
E-mail: emoe@omgups.ru
Шестаков Игнат Валентинович
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Аспирант кафедры «Электрические машины и общая электротехника», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 31-18-27.
E-mail: emoe@omgups.ru
Стретенцев Андрей Игоревич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Аспирант кафедры «Электрические машины и общая электротехника», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 31-18-27.
E-mail: emoe@omgups.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Shkodun Pavel Konstantinovich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation. Cand. Tech. Sci., Associate Professor of the department «Electrical machines and general electrical engineering », OSTU.
Phone: +7 (3812) 31-18-27. E-mail: emoe@omgups.ru
Shestakov Ignat Valentinovich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation. Post graduate student of the department «Electrical machines and general electrical engineering», OSTU. Phone: +7 (3812) 31-18-27. E-mail: emoe@omgups.ru
Stretentsev Andrei Igorevich Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation. Post graduate student of the department «Electrical machines and general electrical engineering», OSTU. Phone: +7 (3812) 31-18-27. E-mail: emoe@omgups.ru
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Шкодун, П. К. Применение метода волнового отклика для выявления повреждений межвитковой изоляции якорных обмоток вспомогательных машин тягового подвижного состава железных дорог [Текст] / П. К. Шкодун, И. В. Шестаков, А. И. Стретенцев // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2016. - № 3 (27). - С. 76 - 83.
Shkodun P.K., Shestakov I. V., Stretentsev A. I. Application of wave response method for fault finding in insulation system of auxiliary machines armature coils. Journal of Transsib Railway Studies, 2016, vol. 27, no. 3, pp. 76 - 83. (In Russian).
УДК 621.3.053.21
В. А. Кандаев, К. В. Авдеева, А. А. Медведева, А. В. Уткина
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
определение оптимального значения добавочного сопротивления дренажной установки тяговой подстанции
постоянного тока
Аннотация. Представлен метод расчета добавочного сопротивления дренажной установки тяговой подстанции постоянного тока. Существующий метод настройки дренажной защиты предполагает проведение ряда измерений с подбором добавочного сопротивления и последующей корректировкой его значения с учетом среднегодового тока тяговой подстанции. Целью данной работы является разработка алгоритма определения оптимального значения добавочного сопротивления с учетом обеспечения нормативных значений
