CC BY
5
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; [email protected] ЗЕЛЕНЧЕНКО Алексей Петрович — канд. техн. наук, доц.; [email protected]
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)
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; [email protected] Aleksey P. ZELENCHENKO — PhD in Engineering, Associate Professor; [email protected]
