Научная статья на тему 'Разработка источника питания для позиции виброакустической диагностики подшипников локомотивного депо'

Разработка источника питания для позиции виброакустической диагностики подшипников локомотивного депо Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
1
0
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
электроподвижной состав / виброакустическая диагностика / позиции виброакустической диагностики подшипников / источники питания / выпрямитель / импульсный преобразователь / понижающий трансформатор / electric rolling stock / vibroacoustic diagnosis / positions of bearing vibroacoustic diagnosis / power sources / rectifier / pulse converter / step-down transformer

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — М. Ш. Шадмонходжаев, А. П. Зеленченко

Цель: Рассмотрены два возможных варианта источников питания: управляемая трехфазная мостовая схема выпрямления с понижающим трансформатором и импульсный преобразователь, получающий питание от сети через неуправляемый трехфазный мостовой выпрямитель (схема Ларионова) для приведения во вращение с требуемой частотой колесно-моторных блоков электровозов и электропоездов на позиции безразборной диагностики подшипников. В обоих случаях предполагается, что источники питания получают электроэнергию от деповской сети 380/220 В, 50 Гц. Выполнено сравнение предлагаемых вариантов источников питания на основании оценки эффективности энергопотребления. В качестве критериев эффективности энергопотребления используются коэффициент мощности и потери мощности в источниках питания. Методы: Используются аналитические методы определения потерь мощности в трансформаторе, управляемом трехфазном тиристорном выпрямителе, неуправляемом трехфазном диодном выпрямителе, входном фильтре импульсного преобразователя, IGBT-транзисторе и обратном диоде импульсного преобразователя. Результаты: Были определены энергетические показатели: потери мощности в трансформаторе, управляемом трехфазном тиристорном выпрямителе, неуправляемом трехфазном диодном выпрямителе, входном фильтре импульсного преобразователя, IGBT-транзисторе и обратном диоде импульсного преобразователя. На основании проведенной оценки энергетических показателей двух вариантов источника питания сделан вывод о целесообразности применения бестрансформаторной схемы на позиции виброакустической диагностики подшипников. Практическая значимость: Предложен вариант энергоэффективного источника питания для позиции безразборной виброакустической диагностики, включающий в себя неуправляемый полупроводниковый выпрямитель и импульсный преобразователь, выполненный с использованием IGBT-транзистора.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — М. Ш. Шадмонходжаев, А. П. Зеленченко

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Development of a Power Source for Vibroacoustic Diagnosis Position of Locomotive Depot Bearings

Purpose: Two possible variants of power sources are considered: controlled three-phase bridge rectifier circuit with a step-down transformer and a pulse converter, getting power from the mains via uncontrolled three-phase bridge rectifier (Larionov circuit) for bringing into rotation with the required frequency of wheel-motor units of electric locomotives and electric trains at the position of indiscriminate diagnosis of bearings. In both cases, it is assumed that power sources receive electro-energy from a depot circuit — 380/220 V, 50 Hz. The comparison of proposed power supply options based on the assessment of energy consumption efficiency is carried out. A capacity coefficient and capacity loss in power supplies are used as measures for energy-consumption efficiency. Methods: Analytical methods are used to determine capacity losses in a transformer, controlled three–phase thyristor rectifier, uncontrolled three-phase diode rectifier, input filter of a pulse converter, IGBT transistor and reverse diode of a pulse converter. Results: Energetical indicators were determined: power losses in a transformer, a controlled three–phase thyristor rectifier, an uncontrolled three-phase diode rectifier, an input filter of a pulse converter, an IGBT transistor and a reverse diode of a pulse converter. Based on the pursued assessment of the energetical indicators of power supply two options, it is concluded on feasibility of transformer-free circuit application in bearings’ position of vibration-acoustic diagnosis. Practical importance: A variant of an energy–efficient power supply for the position of indiscriminate vibroacoustic diagnosis is proposed, which includes an uncontrolled semiconductor rectifier and a pulse converter, accomplished using an IGBT transistor.

Текст научной работы на тему «Разработка источника питания для позиции виброакустической диагностики подшипников локомотивного депо»

УДК 629.1.02

Разработка источника питания для позиции виброакустической диагностики подшипников локомотивного депо

М. Ш. Шадмонходжаев, А. П. Зеленченко

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9

Для цитирования: Шадмонходжаев М. Ш., Зеленченко А. П. Разработка источника питания для позиции виброакустической диагностики подшипников локомотивного депо // Бюллетень результатов научных исследований. — 2022. — Вып. 2. — С. 43-49. DOI: 10.20295/2223-9987-2022-2-43-49

Аннотация

Цель: Рассмотрены два возможных варианта источников питания: управляемая трехфазная мостовая схема выпрямления с понижающим трансформатором и импульсный преобразователь, получающий питание от сети через неуправляемый трехфазный мостовой выпрямитель (схема Ларионова) для приведения во вращение с требуемой частотой колесно-моторных блоков электровозов и электропоездов на позиции безразборной диагностики подшипников. В обоих случаях предполагается, что источники питания получают электроэнергию от деповской сети 380/220 В, 50 Гц. Выполнено сравнение предлагаемых вариантов источников питания на основании оценки эффективности энергопотребления. В качестве критериев эффективности энергопотребления используются коэффициент мощности и потери мощности в источниках питания. Методы: Используются аналитические методы определения потерь мощности в трансформаторе, управляемом трехфазном тиристорном выпрямителе, неуправляемом трехфазном диодном выпрямителе, входном фильтре импульсного преобразователя, ЮВТ-транзисторе и обратном диоде импульсного преобразователя. Результаты: Были определены энергетические показатели: потери мощности в трансформаторе, управляемом трехфазном тиристорном выпрямителе, неуправляемом трехфазном диодном выпрямителе, входном фильтре импульсного преобразователя, ЮВТ-транзисторе и обратном диоде импульсного преобразователя. На основании проведенной оценки энергетических показателей двух вариантов источника питания сделан вывод о целесообразности применения бестрансформаторной схемы на позиции виброакустической диагностики подшипников. Практическая значимость: Предложен вариант энергоэффективного источника питания для позиции безразборной виброакустической диагностики, включающий в себя неуправляемый полупроводниковый выпрямитель и импульсный преобразователь, выполненный с использованием ЮВТ-транзистора.

Ключевые слова: Электроподвижной состав, виброакустическая диагностика, позиции виброакустической диагностики подшипников, источники питания, выпрямитель, импульсный преобразователь, понижающий трансформатор.

Источник питания (ИП) предназначен для приведения во вращение с требуемой частотой колесно-моторных блоков электрического подвижного состава (ЭПС) на позиции виброакустической диагностики подшипников [1-9]. Рассматриваются два возможных варианта источников питания: - управляемая трехфазная мостовая схема выпрямления (мост Ларионова) с понижающим трансформатором (рис. 1, I);

380/220 В, 50 Гц

Ф

А

Т

В

®

Рис. 1. Управляемый трехфазный трансформаторный выпрямитель (I) и безтрансформаторный трехфазный выпрямитель с импульсным преобразователем (II): Ф — фильтр; Н — нагрузка

- импульсный преобразователь, получающий питание от сети через неуправляемый трехфазный мостовой выпрямитель (рис. 1, II).

В обоих случаях предполагается, что ИП получают электроэнергию от сети 380/220 В, 50 Гц.

Опыт эксплуатации ИП на позициях виброакустической диагностики локомотивных депо позволил определить параметры их нагрузки:

- ток длительного режима — 100 А;

- максимальное напряжение на стороне выпрямленного тока — 180 В.

Целью статьи является рассмотрение предлагаемых вариантов источников

питания на основании оценки эффективности энергопотребления. В качестве критериев эффективности энергопотребления используются коэффициент мощности и потери мощности в ИП.

Оценка коэффициента мощности трансформаторного источника питания, сделанная в [10], показала, что он не превышает 0,73.

Опыт проектирования полупроводниковых преобразователей показывает, что радикальным путем увеличения коэффициента мощности является применения систем импульсного регулирования.

Применение сочетания неуправляемого выпрямителя и широтноимпуль-сного преобразователя позволяет получить коэффициент мощности ИП, практически равный 1.

Потери мощности в трансформаторном ИП определяются суммой потерь в трансформаторе и управляемом выпрямителе.

380/220 В, 50 Гц

С

В

0

Оценка потерь мощности в понижающем трансформаторе ИП выполнена на основании технических данных трехфазного преобразовательного трансформатора ТС(З)П — 40/0,7 — УЗ.

Потери мощности в обмотках Рм равны, Вт [11, 12]:

Рм = Рк ■ кН = 1100 • 0,892 = 871,31,

где Рк — мощность короткого замыкания;

Кн = 0,89 — коэффициент нагрузки трансформатора.

Потери в стали определяются потерями холостого хода и равны, Вт:

Р = 280.

X

Тогда общие потери в понижающем трансформаторе составляют РТр, Вт:

РТр = рс + рм = 280 + 871,31 = 1151,31.

Потери в тиристорах (диодах) выпрямительного блока определяются выражением [11]:

РТ = и0 ■1 ср + ■ Кф ■ ^ср,

где и0 = 1,05 В — пороговое напряжение на тиристоре;

I = 33,3 А — средний ток, протекающий через тиристор; Яд = 0,56 ■ 10-3 Ом — динамическое сопротивление тиристора; Кф = 1,1 — коэффициент формы тока. Тогда потери в выпрямительном блоке составят:

р = 6■ РТ = 6 (1,05■ 33,3 + 0,56■Ю-3 -1,12 ■ 33,32) = 214,3.

Общие потери мощности в трансформаторном ИП равны, Вт:

РИПТ = РТр + Р = 1151,31 + 214,3 = 1365,6.

Потери мощности в бестрансформаторном источнике питания включают в себя: потери мощности в неуправляемом трехфазном выпрямителе, потери мощности в конденсаторе входного фильтра, потери мощности в ЮВТ-транзисторе и потери мощности в обратном диоде импульсного преобразователя. Потери в выпрямительном блоке определены при

и0 = 0,8 В; ЯД = 4,623 ■ 10-3 Ом;

/ = 33,3 А; К, = 1,1 и составляют, Вт:

ср ф

Рв = 197,05.

Пульсационные потери в конденсаторе входного фильтра Рсф равняются, Вт [13]: г 0,83 -А и г л2 00

Рсф = 2ПСф

'Сф

tgЪ = 2 - 3,14 - 200 - 250 -10

-6

2>/2 , V 2у[2 J

0,83 - 25

- 0,1 = 1,69,

где ДЦсф = 25 В — действующее значение переменной составляющей напряжении на конденсаторе фильтра;

f = 200 Гц — частота регулирования импульсного прерывателя; tg5 = 0,1 — тангенс угла потерь;

Сф = 250 мкФ — емкость конденсатора входного фильтра. Мощность потерь в импульсном прерывателе, образованном ЮВТ-транзи-стором равна, Вт:

РV = (Евкл + Евыкл) - ¿шИП + 1с - и СЕ -^тах = 14,25 -10-3 - 200 + 100 -1,76 - 0,25 = 46,85,

где Евкл = 6,20 10-3 Дж — энергия включения ЮВТ-транзистора; Евыкл=8,05 10-3 Дж — энергия выключения ЮВТ-транзистора; исЕ=1,76 В — напряжение сток — исток ЮВТ-транзистора; А,тах = 0,25 — максимальная скважность импульсов [1]; 1С = 100 А — значение тока стока ЮВТ-транзистора.

Потери мощности в обратном диоде импульсного преобразователя Рга0 определены

при и0 = 0,78 В; ЯД=2,12 ■ 10-3 Ом; I = 75 А; Кф = 1,1и равны 72,93 Вт.

Общие потери мощности в бестрансформаторном ИП составляют, Вт:

Рипб = Рв + Рсф + Ру + РУП0 = 197,1 + 1,69 + 46,85 + 72,93 = 318,57.

Таким образом, при коэффициенте мощности, практически равном 1, общие потери мощности в бестрансформаторном источнике питания почти в 4 раза меньше, чем в источнике питания, содержащем трансформатор и управляемый выпрямитель.

Полученные результаты сравнения позволяют сделать вывод о более высокой энергоэффективности бестарнсформаторной схемы.

На основании проведенной оценки энергетических показателей двух вариантов источника питания можно сделать вывод о целесообразности применения бестрансформаторной схемы на позиции виброакустической диагностики подшипников.

Библиографический список

1. Шадмонходжаев М. Ш. Позиция диагностики межкатушечных соединений тягового двигателя / М. Ш. Шадмонходжаев, А. П. Зеленченко// Транспорт: проблемы, идеи, перспективы. — 2019. — № LXXIX — С. 78-81.

2. Шадмонходжаев М. Ш. Позиция виброакустической диагностики подшипников качения электрического подвижного состава / М. Ш. Шадмонходжаев, А. П. Зеленченко // Тяговый подвижной состав. — 2019. — № 210 — С. 80-81.

3. Зеленченко А. П. Основы диагностики подшипников качения электрического подвижного состава: учеб. пособие / А. П. Зеленченко, Н. В. Орехова, Д. В. Федоров. — СПб.: ПГУПС, 2001. — 28 с.

4. Зеленченко А. П. Техническая диагностика электрического подвижного состава: учеб. пособие / А. П. Зеленченко, А. Е. Цаплин, И. А. Ролле. — СПб.: ПГУПС, 2016. — 67 с.

5. Определение состояния подшипникового узла методом акустической эмиссии: метод. указания к лабораторной работе / Сост. А. П. Зеленченко. — СПб.: ПГУПС, 2004. — 8 с.

6. Зеленченко А. П. Надежность электрического подвижного состава: учебное пособие /

A. П. Зеленченко — СПб.: ПГУПС, 2001. — 36 с.

7. Зеленченко А. П. Устройства диагностики тяговых двигателей электрического подвижного состава / А. П. Зеленченко — М.: МПС РФ Департамент кадров и учебных заведений Учеб. Метод. кабинет, 200.2 — 37 с.

8. Зеленченко А. П. Диагностические комплексы электрического подвижного состава: учеб. пособие / А. П. Зеленченко, Д. В. Федоров. — М.: Учеб. Метод. центр по образованию на ж.-д. транспорте, 2014. — 112 с.

9. Зеленченко А. П. Информационные технологии и системы диагностики при эксплуатации и обслуживании электрического подвижного состава: учебное пособие / А. П. Зеленченко,

B. О. Иващенко. — СПб.: ПГУПС, 2017. — 50 с.

10. Зеленченко А. П. Источник питания для позиции безразборной диагностики подшипников / А. П. Зеленченко, А. А. Богдан, М. Ш. Шадмонходжаев // Известия Петербургского государственного университета путей сообщения. — СПб.: ПГУПС, 2021. — Т. 18. — Вып. 4. — С. 554-560.

11. Бурков А. Т. Электронная техника и преобразователи: учеб, дня вузов ж.-д. / А. Т. Бурков. — М.: Транспорт, 1999. — 464 с.

12. Бурков А. Т. Электроника и преобразовательная техника: учебник: в 2 т. / А. Т. Бурков. — М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию железнодорожном транспорте», 2015.

13. Ранькис И. Я. Оптимизация параметров тиристорных систем импульсного регулирования тягового электропривода / И. Я. Ранькис. — Рига: Зинатне, 1985. — 183 с.

Дата поступления: 18.03.2022 Решение о публикации: 06.05.2022

Контактная информация:

ШАДМОНХОДЖАЕВ Муродилла Шухратиллаевич — аспирант; smurodilla@gmail.com ЗЕЛЕНЧЕНКО Алексей Петрович — канд. техн. наук, доц.; v-zelenchenko46@mail.ru

Development of a Power Source for Vibroacoustic Diagnosis Position of Locomotive Depot Bearings

M. Sh. Shadmonkhodjaev, A. P. Zelenchenko

Emperor Alexander I Petersburg State Transport University 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation

For citation: Shadmonkhodjaev M. Sh., Zelenchenko A. P. Development of a Power Source for Vibroacoustic Diagnosis Position of Locomotive Depot Bearings. Bulletin of scientific research results, 2022, iss. 2, pp. 43-49. (In Russian) DOI: 10.20295/2223-9987-2022-2-43-49

Summary

Purpose: Two possible variants of power sources are considered: controlled three-phase bridge rectifier circuit with a step-down transformer and a pulse converter, getting power from the mains via uncontrolled three-phase bridge rectifier (Larionov circuit) for bringing into rotation with the required frequency of wheel-motor units of electric locomotives and electric trains at the position of indiscriminate diagnosis of bearings. In both cases, it is assumed that power sources receive electro-energy from a depot circuit — 380/220 V, 50 Hz. The comparison of proposed power supply options based on the assessment of energy consumption efficiency is carried out. A capacity coefficient and capacity loss in power supplies are used as measures for energy-consumption efficiency. Methods: Analytical methods are used to determine capacity losses in a transformer, controlled three-phase thyristor rectifier, uncontrolled three-phase diode rectifier, input filter of a pulse converter, IGBT transistor and reverse diode of a pulse converter. Results: Energetical indicators were determined: power losses in a transformer, a controlled three-phase thyristor rectifier, an uncontrolled three-phase diode rectifier, an input filter of a pulse converter, an IGBT transistor and a reverse diode of a pulse converter. Based on the pursued assessment of the energetical indicators of power supply two options, it is concluded on feasibility of transformer-free circuit application in bearings' position of vibration-acoustic diagnosis. Practical importance: A variant of an energy-efficient power supply for the position of indiscriminate vibroacoustic diagnosis is proposed, which includes an uncontrolled semiconductor rectifier and a pulse converter, accomplished using an IGBT transistor.

Keywords: Electric rolling stock, vibroacoustic diagnosis, positions of bearing vibroacoustic diagnosis, power sources, rectifier, pulse converter, step-down transformer.

References

1. Zelenchenko A. P., Bogdan A. A., Shadmonkhodzhaev M. Sh. Istochnik pitaniya dlya pozitsii bezrazbornoy diagnostiki podshipnikov [Power supply for the position of in-place diagnostics of bearings]. IzvestiyaPeterburgskogo gosudarstvennogo universitetaputey soobshcheniya [Bulletin of the Petersburg State University of Communications]. St. Petersburg: PGUPS Publ., 2021, vol. 18, I. 4, pp. 554-560. (In Russian)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

2. Shadmonkhodzhaev M. Sh., Zelenchenko A. P. Pozitsiya diagnostiki mezhkatushechnykh soedineniy tyagovogo dvigatelya [Position of diagnostics of intercoil connections of a traction motor]. Transport: problemy, idei, perspektivy [Transport: problems, ideas, prospects]. 2019, I. LXXIX, pp. 78-81. (In Russian)

3. Shadmonkhodzhaev M. Sh. Pozitsiya vibroakusticheskoy diagnostiki podshipnikov kacheniya elektricheskogo podvizhnogo sostava [Position of vibroacoustic diagnostics of rolling bearings of electric rolling stock]. Tyagovyypodvizhnoy sostav [Traction rolling stock]. 2019, I. 210, pp. 80-81. (In Russian)

4. Zelenchenko A. P., Orekhova N. V., Fedorov D. V. Osnovy diagnostiki podshipnikov kacheniya elektricheskogo podvizhnogo sostava [Fundamentals of diagnostics of rolling bearings of electric rolling stock]. St. Petersburg: PGUPS Publ., 2001. 28 p. (In Russian)

5. Zelenchenko A. P., Tsaplin A. E., Rolle I. A. Tekhnicheskaya diagnostika elektricheskogo podvizhnogo sostava [Technical diagnostics of electric rolling stock]. St. Petersburg: PGUPS Publ., 2016. 67 p. (In Russian)

6. Opredelenie sostoyaniya podshipnikovogo uzla metodom akusticheskoy emissii: metod. ukazaniya k laboratornoy rabote [Determining the state of the bearing unit by the method of acoustic emission]. St. Petersburg: PGUPS Publ., 2004. 8 p. (In Russian)

7. Zelenchenko A. P. Nadezhnost' elektricheskogo podvizhnogo sostava [Reliability of electric rolling stock]. St. Petersburg: PGUPS Publ., 2001. 36 p. (In Russian)

8. Zelenchenko A. P. Ustroystva diagnostiki tyagovykh dvigateley elektricheskogo podvizhnogo sostava [Devices for diagnosing traction motors of electric rolling stock]. Moscow: MPS RF Departament kadrov i uchebnykh zavedeniy Ucheb. Metod. Cabinet Publ., 2002. 37 p. (In Russian)

9. Zelenchenko A. P. Diagnosticheskie kompleksy elektricheskogo podvizhnogo sostava [Diagnostic complexes of electric rolling stock: textbook. allowance]. Moscow: Ucheb. Metod. tsentr po obrazovaniyu na zh.-d. transporte Publ., 2014. 112 p. (In Russian)

10. Zelenchenko A. P. Informatsionnye tekhnologii i sistemy diagnostiki pri ekspluatatsii i obsluzhivanii elektricheskogo podvizhnogo sostava [Information technologies and diagnostic systems for the operation and maintenance of electric rolling stock]. St. Petersburg: PGUPS Publ. 2017. 50 p. (In Russian)

11. Burkov A. T. Elektronnaya tekhnika ipreobrazovateli [Electronic equipment and converters]. Moscow: Transport Publ. 1999. 464 p. (In Russian)

12. Burkov A. T. Elektronika i preobrazovatel'naya tekhnika [Electronics and converter technology]. Moscow: FGBOU «Uchebno-metodicheskiy tsentr po obrazovaniyu zheleznodorozhnom transporte» Publ., 2015. (In Russian)

13. Ran'kis I. Ya. Optimizatsiya parametrov tiristornykh sistemg impul'snogo regulirovaniya tyagovogo elektroprivoda [Optimization of the parameters of thyristor systems for pulse control of a traction electric drive]. Riga: Zinatne Publ., 1985. 183 p. (In Russian)

Received: March 18, 2022 Accepted: April 06, 2022

Author's information:

Murodilla Sh. SHADMONKHODJAEV — Postgraduate Student; smurodilla@gmail.com Aleksey P. ZELENCHENKO — PhD in Engineering, Associate Professor; v-zelenchenko46@mail.ru

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.