CC BY
28
УДК 621.3.076.7
В. В. Харламов, Д. И. Попов, А. И. Стретенцев
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
СПОСОБ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ КОММУТАЦИИ КОЛЛЕКТОРНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Аннотация. В статье рассматривается проблема диагностирования технического состояния коллек-торно-щеточного узла двигателей постоянного тока. Особо отмечена актуальность данной проблемы в двигателях, работающих на железнодорожном транспорте, находящихся в наиболее тяжелых условиях эксплуатации. Приведенные исследования направлены на повышение достоверности диагностирования технического состояния коллекторно-щеточного узла за счет применения нового способа диагностирования состояния коммутации коллекторных двигателей постоянного тока. Предлагаемый способ диагностирования основан на новом принципе обработки диагностической информации об импульсах искрения под щетками. В статье представлены полученные в результате экспериментальных исследований гистограммы распределения интенсивности искрения различных секций обмотки якоря двигателя П31, применяемого для работы в электроприводах компрессоров электровозов и электропоездов. Авторами статьи проведен эксперимент с использованием специально разработанного ранее цифрового прибора контроля коммутации, позволяющего выделить и оцифровать полезный диагностический сигнал напряжения с разнополярных щеток с высокой частотой дискретизации и передать его на ЭВМ для последующей обработки. Анализ результатов проведенного эксперимента показал, что среднее значение площади импульсов увеличивается при повышении интенсивности искрения. Однако при сильном искрении на коллекторе (2 балла) закон распределения становится двухмодальным и, как следствие, резко возрастает среднеквадратическое отклонение значений площадей импульсов. Данный эффект вносит дезинформацию в процедуру диагностирования с применением параметров законов распределения интенсивности искрения. Предложенный способ диагностирования позволяет устранить данный эффект, что отражено на гистограммах, полученных в результате соответствующей обработки диагностического сигнала. На новый способ диагностирования состояния коммутации коллекторных электрических машин получен патент на изобретение Российской Федерации.
Ключевые слова: способ диагностирования, двигатель постоянного тока, коллекторно-щеточный узел, коммутация, закон распределения, интенсивность искрения.
Viktor V. Kharlamov, Denis I. Popov, Andrey I. Stretentsev
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation
METHOD OF DIAGNOSING THE CONDITION OF THE COMMUTATION
OF COLLECTOR DC MOTORS
Abstract. The article deals with the problem of diagnosing the technical condition of the collector-brush unit of DC motors. The topicality of this problem in the engines operating on the railway transport, which are in the most severe operating conditions, is particularly noted. These studies are aimed at improving the reliability of diagnosing the technical condition of the collector-brush unit through the use of a new method of diagnosing the condition of collector DC motors' commutation. The proposed method of diagnosis is based on a new principle ofprocessing diagnostic information about the spark pulses under the brushes. The article presents the histograms of the distribution of the pulses' intensity of different sections of the armature winding. The research conducted an experiment using a digital control device that allows to identify and digitize a useful diagnostic signal from multipolar brushes with a high sampling rate and transfer it to a computer. Analysis of the experiment's results showed that the average value of the pulse's area increases with increasing the spark's intensity. Nevertheless, severe sparking at the collector leads to the law of distribution becomes double-modal, and as a result, dramatically increases the standard deviation of the values of the pulses' areas. Described effect makes misinformation in the diagnosis procedure using the parameters of the laws of distribution of the spark's intensity. The proposed method of diagnosis allows to eliminate this effect. The copyright for a new method of diagnosing is protected by a patent.
Keywords: method of diagnosis, DC motor, collector-brush unit, commutation, distribution law, the intensity of the sparking.
Коллекторные двигатели постоянного тока (ДПТ) в настоящее время повсеместно эксплуатируются в промышленности, на транспорте, в бытовых приборах и других областях техники. С учетом сложных условий эксплуатации при относительно длительном сроке работы ряд узлов ДПТ подвержен ускоренному износу и требует периодического диагностирования и профилактического обслуживания. Наиболее тяжелые условия эксплуатации двигатели данного типа испытывают на железнодорожном транспорте. Наименее надежным узлом ДПТ является коллекторно-щеточный узел (КЩУ), неисправности которого приводят к большому количеству отказов [1].
Для выполнения объективной оценки степени искрения ДПТ разработан цифровой прибор контроля коммутации (МПКК) [2]. Данный прибор позволяет осуществлять оценку степени искрения по площади импульсов дуговых разрядов, характеризующей количество электричества, прошедшего через дугу, сохранять во внутренней памяти полученную информацию о зафиксированных импульсах и передавать данные на ЭВМ для обработки и анализа.
Параметры закона распределения интенсивности искрения секций обмотки якоря могут быть включены в двудольные графы соответствия дефектов и диагностических параметров коллекторно-щеточного узла ДПТ и применяться в процессе диагностирования технического состояния КЩУ [3 - 5]. Статистический анализ интенсивности искрения отдельных секций обмотки якоря может быть выполнен с применением следующих параметров закона распределения: среднего значения, а также среднеквадратического отклонения, асимметрии и эксцесса, являющихся моментами случайной величины первого, третьего и четвертого порядка соответственно [6, 7].
С целью проверки влияния на параметры закона распределения интенсивности искрения, обусловленной неидентичностью условий коммутации различных секций в пазу якоря, проведен эксперимент на двигателе постоянного тока П31, применяемом в электроприводах компрессоров электровозов и электропоездов. Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки
Экспериментальная установка состоит из источника питания постоянного тока, подключенных к нему двух электрических машин типа П31 с независимым возбуждением, валы которых жестко соединены между собой, регулируемого источника тока (/п/о) для осуществления подпитки/отпитки добавочных полюсов (ДП), цифрового прибора контроля коммутации МПКК, амперметров, нагрузочного и добавочных реостатов. В качестве источника питания экспериментальной установки использовался генератор постоянного тока.
Эксперимент проводился при отсутствии видимого искрения (степень искрения - 1 балл) и при наличии искрения от недокоммутации 1 1 ^ и 2 балла [8]. В ходе эксперимента для получения необходимого уровня искрения производилось изменение тока /п/о, после чего фиксировались массивы значений сигнала с разнополярных щеток с помощью МПКК. Длительность записи массива значений напряжения составляла 400 мс при частоте дискретизации 10 МГц. Частота вращения якоря и его ток составляли 3000 об/мин и 32 А соответственно.
Для исключения низкочастотных пульсаций (пазовых, коллекторных и др.), обусловленных различными физическими явлениями, проводилась амплитудная селекция сигнала с раз-нополярных щеток, полученного в результате эксперимента.
Выделенный сигнал напряжения был разделен на временные интервалы, соответствующие повороту якоря на одно коллекторное деление. В каждом таком интервале производился подсчет площади импульса напряжения дугового разряда, определяющей интенсивность искрения. На рисунке 2 представлен пример диаграммы импульса дугового разряда, где по оси абсцисс отложено время, а по оси ординат - величина, пропорциональная оцифрованному значению напряжения.
Площадь импульса дугового разряда может быть вычислена по выражению:
N
Sи = Тд I , (1)
г=0
где Тд - период дискретизации;
хг - значение г-го отсчета выборки к-й ламели;
N - количество отсчетов, входящих в интервал времени прохода коллекторной пластины под щеткой.
Так как период дискретизации является величиной постоянной, то интенсивность искрения к-й ламели в относительных единицах.
N
А = 1 хг (2)
г=0
В результате выполненного расчета для каждого измерения был получен массив значений площади импульсов дуговых разрядов и построены гистограммы распределения площади импульсов напряжения дуговых разрядов, представленные на рисунках 3 - 6.
2659 5181 7703 10225 12747 15269 о.е. 20313 934 2451 3968 5485 7002 8519 о.е. 11553
A-► Л-►
а б
Рисунок 3 - Гистограмма распределения площадей импульсов дуговых разрядов при степени искрения 1 балл: а - распределение импульсов недокоммутации; б - распределение импульсов перекоммутации
зо —
25 —
▲
20 — 150 — 706
Рисунок 4 - Гистограмма распределения площадей импульсов дуговых разрядов от недокоммутации
при степени искрения 1 У балла
Анализ приведенных гистограмм показывает, что среднее значение площади импульсов увеличивается при повышении интенсивности искрения. Однако при сильном искрении на коллекторе (2 балла) закон распределения становится двухмодальным и, как следствие, резко возрастает среднеквадратическое отклонение значений площадей импульсов.
Данное явление можно объяснить тем, что при малых интенсивностях искрения закон распределения дуговых разрядов обусловлен искрением только секций, коммутирующих последними в пазу. При увеличении тока подпитки/отпитки (/п/о) начинают искрить остальные секции обмотки якоря, что обусловливает искрение с меньшей средней интенсивностью.
Для проверки данной гипотезы выполнена математическая обработка экспериментальных данных. Массивы значений площади импульсов дуговых разрядов были разделены на группы, число которых равно числу секций обмотки якоря, лежащих в пазу.
Если обозначить номера пазов г = 1...Ж> то к первой группе должны быть отнесены все г-е значения площади, ко второй группе - все значения площади (г + 1) и т. д.
20693
Рисунок 5 - Гистограмма распределения площадей импульсов дуговых разрядов от недокоммутации
при степени искрения 1 У балла
577 17527 22477 27427 32377 37327 о.е. 47227
Рисунок 6 - Гистограмма распределения площадей импульсов дуговых разрядов от недокоммутации
при степени искрения 2 балла
Например, на рисунке 7 условно изображен фрагмент якоря машины постоянного тока с уложенными в пазах секциями обмотки (по четыре секции на паз). Цифрами от 1 до 4 обозначены проводники секций внутри каждого паза.
У машины П31 якорь имеет 18 пазов, в которых уложены 72 секции.
Таким образом, для каждого оборота массивы значений площади импульсов дуговых разрядов должны быть разделены на четыре группы. Тогда площади импульса напряжения дугового разряда с номерами 1, 5, 9, 13 и т. д. попадут в первую группу. Аналогично для остальных трех секций в пазу.
Данная процедура была произведена для массивов значений площади импульсов при степени искрения 2 балла, после чего были получены гистограммы распределения отдельно по каждой из четырех групп, которые представлены на рисунках 8 - 11.
3 4
Рисунок 7 - Фрагмент якоря двигателя П31 с нумерацией секций в зависимости от их расположения в пазах
46879
Рисунок 8 - Гистограмма распределения площадей импульсов дуговых разрядов для первой группы секций при степени искрения 2 балла
2694 4978 7262 9546 11830 14114 o.e. 18682
Рисунок 9 - Гистограмма распределения площадей импульсов дуговых разрядов для второй группы секций при степени искрения 2 балла
Как известно, за счет влияния взаимоиндуктивной связи условия коммутации секций в пазу различны [9]. По сравнению с остальными секциями секция, коммутирующая последней в пазу, имеет более слабую связь со следующей за ней секцией, так как они находятся в разных пазах [10]. Этот факт подтверждается гистограммами, анализ которых показывает, что первая группа секций выделяется большей интенсивностью искрения, чем остальные, следовательно, в данную группу включены секции, коммутирующие последними в пазу.
10
N
1525
4173
6821
9469
12117
о.е.
17413
Рисунок 10 - Гистограмма распределения площадей импульсов дуговых разрядов для третьей группы секций при степени искрения 2 балла
8
6
4
2
0
Рисунок 11 - Гистограмма распределения площадей импульсов дуговых разрядов для четвертой группы секций при степени искрения 2 балла
Следовательно, в целях получения диагностической информации при анализе сигнала с разнополярных щеток целесообразно рассматривать закон распределения по отдельным группам секций, как представлено на рисунках 8 - 11.
Таким образом, предлагаемый способ диагностирования состояния коммутации коллекторных электрических двигателей [11] реализуется в соответствии со следующей последовательностью действий. Сигнал импульсов напряжения, обусловленных искрением между электрическими щетками и коллектором, записывается и обрабатывается устройством МПКК. Диагностическая информация, получаемая в процессе измерений, представляет собой значения напряжений импульсов искрения и соответствующие им значения времени. Временной диапазон измерений диагностического сигнала разбивается на участки, равные периоду следования коллекторных пластин. Длина каждого такого участка равна периоду
коммутации секции обмотки якоря, и на каждом из данных участков может присутствовать или отсутствовать только один импульс напряжения искрения. Далее полученным участкам поочередно присваиваются номера от 1 до N где N - число секций обмотки якоря, приходящихся на один паз. После каждого ^го участка нумерация начинается с первого номера. Таким путем полученные в процессе обработки сигнала параметры импульсов искрения разделяются на группы. Каждая группа параметров импульсов соответствует группе секций обмотки якоря, проводники которой расположены в пазах якоря идентично. Анализ значений параметров импульсов искрения ведется по каждой группе отдельно: определяются средняя интенсивность искрения и среднее квадратическое отклонение интенсивности искрения.
Описанный способ диагностирования, применяющий цифровую обработку полученного диагностического сигнала, позволяет учитывать влияние неидентичности коммутации различных секций обмотки якоря, обусловленной механическими и электромагнитными факторами раздельно по группам секций, каждая из которых имеет определенное местоположение в пазу. В секциях, объединенных в группы по описанному принципу, отсутствует электромагнитная неидентичность условий коммутации, обусловленная различными по величине коэффициентами взаимной индуктивности с другими секциями, вызванная различным местоположением в пазу. Это позволяет исключить влияние неидентичности данного рода на результаты анализа диагностической информации и повысить достоверность диагностирования технического состояния КЩУ.
Список литературы
1. Афонин, А. П. Совершенствование методики и устройства диагностирования коллек-торно-щеточного узла машин постоянного тока с учетом неидентичности коммутационных циклов [Текст]: Автореферат дис... канд. техн. наук: 05.09.01 / Афонин Александр Петрович. -Омск, 2018. - 22 с.
2. Харламов, В. В. Разработка цифрового прибора контроля коммутации тяговых электродвигателей подвижного состава [Текст] / В. В. Харламов, Д. И. Попов, А. И. Стретенцев // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2017. - № 2 (30). -С. 52 - 64.
3. Афонин, А. П. Микропроцессорное устройство для контроля технического состояния коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей в условиях неидентичности коммутационных циклов [Текст] / А. П. Афонин // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока / Сибирский гос. ун-т водного транспорта. - Новосибирск. - 2012. - № 2. - С. 286 -290.
4. Харламов, В. В. Экспериментальные исследования процесса коммутации в коллекторных тяговых двигателях подвижного состава [Текст] / В. В. Харламов, Д. И. Попов,
A. П. Афонин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2017. -№ 4 (32). - С. 45 - 53.
5. Повышение достоверности диагностирования коллекторно-щеточного узла электрических машин с учетом неидентичности коммутационных циклов [Текст] / В. В. Харламов, Д. И. Попов и др. // Омский научный вестник / Омский гос. техн. ун-т. - Омск. - 2016. - № 4 (148). - С. 65 - 69.
6. Харламов, В. В. Диагностирование состояния коллекторно-щеточного узла машин постоянного тока в условиях приемосдаточных испытаний с учетом параметров неидентичности коммутационных циклов [Текст] / В. В. Харламов, Д. И. Попов, А. П. Афонин // Омский научный вестник / Омский гос. техн. ун-т. - Омск. - 2017. - № 5 (155). - С. 66 - 71.
7. Гмурман, В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика [Текст] /
B. Е. Гмурман. - М.: Юрайт, 2018. - 479 с.
8. ГОСТ 183-74. Машины электрические вращающиеся. Общие технические условия [Текст]. - М.: Изд-во стандартов, 2001. - 26 с.
9. Авилов, В. Д. Оптимизация коммутационного процесса в коллекторных электрических машинах постоянного тока: Монография [Текст] / В. Д. Авилов / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2013. - 356 с.
10. Вольдек, А. И. Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы [Текст] / А. И. Вольдек, В. В. Попов. - СПб: Питер, 2008. - 320 с.
11. Пат. 2668996 Российская Федерация, МПК H 01 R 39/58, H 02 K 11/20, G 01 R 31/34. Способ диагностирования состояния коммутации коллекторных электрических машин [Текст] / Харламов В. В., Попов Д. И., Стретенцев А. И.; заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщения. - № 2017143285; заявл. 11.12.2017; опубл. 05.10.2018, Бюл. № 28.
References
1. Afonin A. P. Sovershenstvovanie metodiki i ustroystva diagnostirovaniya kollektorno-shchetochnogo uzla mashin postoyannogo toka c uchetom neidentichnosti kommutatsionnyh tsiklov (Improvement of methods and devices for diagnosing collector-brush unit of DC machines taking into account non-identity of switching cycles). Abstract of dissertation, Omsk, 2018, 22 p.
2. Kharlamov V. V., Popov D. I., Stretentsev A. I. Development of railway traction motors commutation control digital device [Razrabotka tsifrovogo pribora kontrolya kommutatsii tyagovyh elektrodvigateley podvizhnogo sostava]. Izvestiia Transsiba - Journal of Transsib Railway Studies, 2017, no. 2 (30), pp. 52 - 64.
3. Afonin A. P. Microprocessor device for control the technical condition of the collector-brush assembly traction motors in nonidentity conditions of operating cycles [Mikroprotsessornoe ustroystvo dlya kontrolya tehnicheskogo sostoyaniya kollektorno-shchetochnogo uzla tyagovyh elektrodvigateley v usloviyah neidentichnosti kommutatsionnyh tsiklov]. Nauchnye problemy transporta Sibiri i Dal'nego Vostoka, 2012, no. 2, pp. 286 - 290.
4. Kharlamov V. V., Popov D. I., Afonin A. P. Experimental research of commutation process in traction dc motors of rolling stock [Eksperimental'nye issledovaniya protsessa kommutatsii v kollektornyh tyagovyh dvigatelyah podvizhnogo sostava]. Izvestiia Transsiba - Journal of Transsib Railway Studies, 2017, no. 4 (32), pp. 45 - 53.
5. Kharlamov V. V., Popov D. I., Afonin A. P., Ognevskiy A.S. The increase in reliability of diagnosing of collector-brush unit of electric machines under condition of identical switching cycles [Povyshenie dostovernosti diagnostirovaniya kollektorno-shchetochnogo uzla ehlektricheskih mashin s uchetom neidentichnosti kommutatsionnyh tsiklov]. Omskiy nauchnyy vestnik - Omsk Scientific Bulletin, 2016, no. 4 (148), pp. 65 - 69.
6. Kharlamov V. V., Popov D. I., Afonin A. P. Diagnosis of condition of DC machine's collector-brush unit in terms of commissioning tests using parameters of nonidentity of commutation [Di-agnostirovanie sostoyaniya kollektorno-shchetochnogo uzla mashin postoyannogo toka v usloviyah priemosdatochnyh ispytaniy s uchetom parametrov neidentichnosti kommutatsionnyh tsiklov]. Omskiy nauchnyy vestnik - Omsk Scientific Bulletin, 2017, no. 5 (155), pp. 66 - 71.
7. Gmurman V. E. Teoriya veroyatnostey i matematicheskaya statistika (Probability theory and mathematical statistics). Moscow: Urait, 2018, 479 p.
8. Mashiny elektricheskie vrashchayushchiesya. Obshchie tehnicheskie usloviya, GOST183-74. (Electric rotating machines. General specifications). Moscow: Izdatel'stvo standartov, 2001, 26 p.
9. Avilov V. D. Optimizatsiya kommutatsionnogo protsessa v kollektornyh elektricheskih mash-inah postoyannogo toka (Optimization of the switching process in the collector DC machines). Omsk, 2013, 356 p.
10. Voldek A. I. Elektricheskie mashiny. Vvedenie v elektromehaniku. Mashiny postoyannogo toka i transformatory (Electric machine. Introduction to electrical engineering. DC machines and transformers). Saint-Petersburg: Peter, 2008, 320 p.
11. Kharlamov V. V., Popov D. I., Stretentsev A. I. Patent RU2668996, 2018.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Харламов Виктор Васильевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электрические машины и общая электротехника», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 31-18-27.
E-mail: [email protected].
Попов Денис Игоревич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Электрические машины и общая электротехника», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 31-18-27.
E-mail: [email protected]
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: [email protected]
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Kharlamov Victor Vasilyevich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation. Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of department «Electrical machines and general electrical engineering», OSTU.
Phone: +7 (3812) 31-18-27. E-mail: [email protected].
Popov Denis Igorevich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation. Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of department «Electrical machines and general electrical engineering», OSTU. Phone: +7 (3812) 31-18-27. E-mail: [email protected]
Stretentsev Andrey Igorevich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation. Postgraduate of department «Electrical machines and general electrical engineering», OSTU. Phone: +7 (3812) 31-18-27. E-mail: [email protected]
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Харламов, В. В. Способ диагностирования состоя- Kharlamov, V. V., Method of diagnosing the condi-
ния коммутации коллекторных электрических двигате- tion of the commutation of collector DC motors [Text] / V.
лей [Текст] / В. В. Харламов, Д. И. Попов, А. И. Стре- V. Kharlamov, D. I. Popov, A. I. Stretentsev Journal of
тенцев // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей Transsib Railway Studies, 2018, vol. 3, no 35, pp. 81 - 90
сообщения. - Омск. - 2018. - № 3 (35). - С. 81 - 90. (In Russian).
