ТРАНСВУЗ-2015.Часть 1

Ремонт и динамика подвижного состава

восстанавливающих (качественное своевременное обслуживание или ремонт по результатам мониторинга и диагностики технического состояния) факторов.

Полученные результаты использованы при создании систем мониторинга технического состояния узлов подвижного состава железных дорог.

Список литературы

1. Безопасная ресурсосберегающая эксплуатация МВПС на основе мониторинга в реальном времени [Текст] / В. Н. Костюков, С. В. Сизов и др. // Наука и транспорт, 2008. – C. 8 – 13.

2.Непрерывный мониторинг состояния моторвагонного подвижного состава [Текст] / Сизов, С. В., Аристов В. П. и др. // Железнодорожный транспорт, 2008. – №6. – С. 41 – 42.

3.Костюков, А. В. Исследование вибрационной активности узлов механической части рельсового подвижного состава [Текст] / А. В. Костюков, А. Е. Цурпаль, В. В. Басакин // ХХ Всероссийская научно-техническая конференция по неразрушающему контролю и технической диагностике: доклады конференции. – М.: РОНКТД, 2014. – С. 353 – 355.

4.Костюков, В. Н. Исследование вибрации подшипниковых узлов подвижного состава при изменении частоты вращения [Текст] / В. Н. Костюков, А. В. Зайцев, В. В. Басакин // Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов: Материалы всероссийской научно-технической конференции с международным участием. – Омск: 2012. – С. 92 – 97.

5.Костюков, А. В. Контроль и мониторинг технического состояния центробежного насосного агрегата по трендам вибропараметров [Текст]: дис. ...

канд. техн. наук: 05.11.13 / А. В. Костюков. – Омск, 2006. – 203 с., РГБ ОД, 61:07- 5/1517.

6.Костюков, В. Н. Мониторинг безопасности производства [Текст] / В. Н. Костюков. – М.: Машиностроение. 2002. – 224 с.

7.Костюков, В. Н. Основы виброакустической диагностики и мониторинга машин: учеб. пособие [Текст] / В. Н. Костюков, А. П. Науменко. – Омск: Изд-во ОмГТУ. 2011. – 360 с.

230

ТРАНСВУЗ – 2015

УДК 629.4.053.3: 629.423(075.8)

А. Н. Калякулин, А. Ю. Балакин, А. С. Тычков, П. В. Шепелин

ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ЛОКОМОТИВОВ С УЧЕТОМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ИЗОЛЯЦИИ

В статье рассматриваются вопросы, связанные с диагностированием силовых цепей локомотивов на основе диэлектрических свойств изоляции тяговых электродвигателей. Предложено устройство диагностики, которое позволит повысить эксплуатационную надежность силовых цепей отечественных грузовых тепловозов.

Ресурс любой технической системы определяется временем безотказной работы наименее надежного узла, с этой точки зрения, в силовой цепи локомотивов данным узлом является тяговый электродвигатель (ТЭД). В свою очередь, в ТЭД таким узлом необходимо считать корпусную и витковую изоляцию обмотки якоря [1]. При этом на долю отказов якорных обмоток по причинам пробоя их изоляции приходится от 29 до 33 % от всех видов отказов ТЭД. Основными причинами отказов корпусной и витковой изоляции ТЭД являются температурные, вибрационные и циклические знакопеременные нагрузки, обусловленные непостоянством их рабочих режимов, в совокупности с действием атмосферных метеоусловий и запыленности охлаждающего воздуха. Выход из строя ТЭД по причине пробоя их корпусной или витковой изоляции (пробой витковой изоляции неизбежно переходит в пробой корпусной) приводит к срабатыванию защиты от таких замыканий и разборке тяговой схемы. Поскольку разборка электрической силовой схемы может происходить при больших значениях токов в ней, например, на ослабленном поле, выход из строя ТЭД зачастую влечет за собой и выход из строя коммутирующей электрической аппаратуры. Это и приводит к тому, что эти узлы локомотивов (ТЭД и электрическая аппаратура) являются наиболее повреждаемыми в эксплуатации. Кроме этого в результате этих процессов на тепловозах нередко возникают пожары. Анализ пожарной безопасности на тяговом подвижном составе показал, что, несмотря на то, что общее количество

231

Ремонт и динамика подвижного состава

пожаров в отрасли за 1992 – 2014 гг. снизилось, доля возгораний в структуре подвижного состава, непосредственного участвующего в грузовых и пассажирских перевозках, выросла с 39 до 49,7 % [1]. Статистика показывает, что 33,33 % пожаров на тепловозах произошли из-за неисправностей высоковольтных цепей, 33,33 % – из-за короткого замыкания в тяговых двигателях, 9,57 % – из-за неисправностей низковольтных цепей, 23,82 % – прочие неисправности [2,3]. Таким образом, системы защиты от коротких замыканий старых и новых серий различных видов тепловозов отечественного производства, допускают вероятность пожаров, поэтому необходимы исследования, которые помогут совершенствовать эти системы и предотвратить аварийные ситуации.

Анализ известных способов обеспечения эксплуатационной надежности изоляции обмоток, как наиболее слабого и уязвимого элемента электродвигателей, позволил выявить следующий комплекс взаимосвязанных мероприятий по повышению надежности: повышение качества и уровня проектировочных работ, повышение качества изоляционных материалов, повышение качества пропиточно-сушильных работ, совершенствование ускоренных испытаний на надежность, совершенствование систем защиты электродвигателей от аварийных режимов, диагностика состояния электродвигателя в условиях эксплуатации и прогноз этого состояния на перспективу, разработка системы технических средств измерения и контроля эксплуатационных и диагностических параметров [4, 5].

Для защиты от замыкания силовых цепей на корпус тепловоза 2ТЭ116У устанавливается электронное реле «земли». Данное реле включает в себя два преобразователя напряжения – U38 и U39, входные цепи которых соединены последовательно и подключены к «плюсу» и «минусу» выпрямителей U1, а также к корпусу тепловоза. Численное значение сопротивления изоляции определяется измерением напряжений между «плюсом» и «минусом» выпрямителей U1, а также корпусом тепловоза в режиме «Тяга» при напряжении тягового генератора более 100В. [6]. Численное значение сопротивления изоляции силовых цепей вычисляется устройством обработки информации (УОИ) системы МСУ-ТП [7] при сборке тяговой схемы, а затем обновляется с периодом 4 мин. Значение выводится на дисплей машиниста в кадре «Система возбуждения». В случае снижения сопротивления изоляции

232

ТРАНСВУЗ – 2015

одной из силовых цепей ниже уровня 500 кОм на дисплей будет выдано одно из предупредительных сообщений – «R[+] силовой <500 кОм», «R[–] силовой < 500 кОм», «R[общ] силовой < 500 кОм». Повторно подобные сообщения система диагностики выдает после следующего запуска дизеля и включения режима тяги. Если в одной из силовых цепей на корпус тепловоза возникает замыкание, то УОИ осуществляет сброс нагрузки, разборку тяговой схемы и выдает на дисплей соответствующее сообщение – «Земля в [+] силовой цепи», «Земля в [–] силовой цепи». Недостатком указанного электронного реле «земли» является то, что оно не может точно определить, в каком из шести тяговых электродвигателей тепловоза 2ТЭ116У появилась «земля», т.е. произошел пробой изоляции.

Одним из направлений повышения эффективности работы тяговых силовых цепей тепловозов является разработка и внедрение устройств диагностики, которые могли бы точно определить номер ТЭД с пробоем изоляции, что в свою очередь позволит машинисту быстро отключить его в эксплуатации, а ремонтному персоналу оперативно определить место пробоя в силовой цепи. Работа таких устройств основана на использовании диэлектрических свойств изоляции тяговых электродвигателей.

Проведенные математическое моделирование и экспериментальное исследование позволили разработать «Устройство защиты электрических цепей от короткого замыкания на корпус и перегревов», защищенное патентом на полезную модель № 76513 [8, 9, 10]. Схема устройства показана на рис. 1.

Рис.1. Схема устройства диагностики тяговых электродвигателей

233

Ремонт и динамика подвижного состава

Устройство работает следующим образом. Конструктивная емкость тяговых электродвигателей и монтажа 3 включена последовательно с первой эквивалентной емкостью 2, образуя одно плечо измерительного моста. Второе плечо измерительного моста образовано второй эквивалентной емкостью 7 и параллельной цепочкой из переменных конденсатора 5 и резистора 8. Плечи измерительного моста питаются переменным током от источника переменного тока 6 через разделительный конденсатор 1. В диагональ полученного измерительного моста включено реагирующее исполнительное реле.

В штатном режиме цепи тяговых электродвигателей, при отсутствии в ней корпусных замыканий и перегревов изоляции свыше допустимых пределов, плечи измерительного моста уравновешены и реле 4 обесточено. При возникновении корпусного замыкания конструктивная емкость 3 стремится к бесконечности, что приводит к неравенству напряжений в точках подключения реле 4 и через него будет протекать ток, вызывая его срабатывание. Срабатывание реле, например, в силовой цепи тепловоза 2ТЭ116У приведет к разбору тяговой схемы.

Рис. 2. Общий вид устройства диагностики

При достижении температуры допустимого перегрева, соответствующей классу изоляции тяговых электродвигателей и максимально допустимой температуры охлаждающей среды в регионе ее эксплуатации конструктивная емкость 3 увеличивается и достигает величины, при которой наступает разбалансировка измерительного моста (настройка моста на соответствующие температуры перегрева и окружающей среды производится переменными

234

ТРАНСВУЗ – 2015

конденсатором 5 и резистором 8). При этом срабатывает регистрирующее и исполнительное реле 4, защищая изоляцию ТЭД от перегрева.

При возникновении опасности короткого замыкания устройство диагностики определяет номер двигателя с предпробивным состоянием и оповещает локомотивную бригаду посредством световой и звуковой индикации. Разработанное устройство было протестировано на тепловозе 2ТЭ116У №0058 в сервисном локомотивном депо Ершовское филиала «Южный» ООО «ТМХ-сервис».

В ходе дальнейшего тестирования устройства на тепловозе возможно обеспечить взаимодействие его с МСУ-ТП с целью передачи сигнала об опасности коротких замыкании.

Предложенный способ диагностирования тяговых электродвигателей, основанный на использовании диэлектрических свойств изоляции, позволит выйти на принципиально новый качественный уровень контроля узлов отечественных тепловозов.

Список литературы

1.Гордеев, И. П. Система безопасности силовых цепей электровозов постоянного тока [Текст] / И. П. Гордеев, А. Н. Калякулин, А. С. Тычков. // Наука и образование транспорту: материалы V Международной научнопрактической конференции. – Самара: СамГУПС, 2012. – С. 11 – 13.

2.Черкасов, В. В. Пожарная безопасность на объектах и подвижном составе ОАО «РЖД» в 2008 г. [Текст] / В. В. Черкасов, В. П. Аксютин // Железнодорожный транспорт. 2009. – №4. – С.27 – 29.

3.Дектярев, А. П. Тяговому подвижному составу – надежную противопожарную защиту [Текст] / А. П. Дектярев // Локомотив. 2007. – №7. – С.33 – 34.

4.Хомутов, С. О. Вопросы экономики в области эксплуатации электродвигателей на предприятиях агропромышленного комплекса России и стран СНГ [Текст] / С. О. Хомутов // Ползуновский вестник. 2006. – № 3. – С. 214 – 221.

5.Хомутов, О. И. Система технических средств и мероприятий по

повышению надежности электрооборудования: Учеб. пособие [Текст] / О. И. Хомутов. – Барнаул, 1989. – 95 с.

235

Ремонт и динамика подвижного состава

8.Патент на полезную модель RU №76513. Устройство защиты электрических цепей от короткого замыкания на корпус и перегревов [Текст] / И. П. Гордеев, А.И. Гордеев и др. Опубл. в БИ., 2008, – №26.

9.Гордеев, И. П. Моделирование электрических процессов в силовых

цепях локомотивов на схемах их замещения [Текст] / И. П. Гордеев, А. Н. Калякулин, А. В. Мыздарин // Вестник Транспорта Поволжья. 2014. – №5. – С. 46 – 51.

10. Гордеев, И. П. Исследование диэлектрических параметров изоляции силовых цепей электровозов [Текст] / И. П. Гордеев, А. Н. Калякулин, А. С. Тычков. // Наука и образование транспорту: материалы VІІ Международной научно-практической конференции. – Самара: СамГУПС,

2012. – С. 13 – 15.

УДК 621.314.632

Т. А. Кочкар, А. С. Мазнев

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ТЯГОВЫМИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОДВИЖНОМ СОСТАВЕ

Приведены варианты схемных решений оптимизации структуры преобразователей тягового асинхронного электропривода. Рассмотрена возможность применения технологии искусственных нейронных сетей для улучшения регулировочных свойств систем управления электрическим подвижным составом.

Эффективность перевозочного процесса может быть достигнуто за счет увеличения скорости движения железнодорожного транспорта, что в свою очередь обуславливает необходимость разработки новых схемных решений для силовых преобразователей тяговой части электроподвижного состава.

236

ТРАНСВУЗ – 2015

В настоящее время для питания бесколлекторных тяговых двигателей используются автономные инверторы напряжения с широтно-импульсной модуляцией, структура которых зависит от элементной базы, принципов регулирования напряжения и определяется требованиями, предъявляемыми к выходным параметрам, реализуемым преобразователями (КПД, электромагнитная совместимость, пульсации момента и т.д.). Инвертор напряжения, при достигнутом уровне полупроводниковых приборов, может быть выполнен преимущественно двухуровневым или трехуровневым.

Повышение КПД автономных инверторов напряжения (АИН), используемых на электрическом подвижном составе с асинхронными тяговыми двигателями (АТД) и выполненных на однооперационных тиристорах, возможно за счет применения в АИН групповой коммутации и уменьшения тем самым потерь в узлах коммутации. На рис. 1 в качестве примера изображена схема автономного инвертора напряжения, разработанного для питания линейного асинхронного тягового двигателя экипажа высокоскоростного наземного транспорта (ВСНТ) [1].

Рис. 1. Схема АИН с групповой коммутацией

237

Ремонт и динамика подвижного состава

Инвертор с групповой коммутацией на однооперационных тиристорах и смешанной элементной базе предназначен для регулирования скорости экипажа ВСНТ за счет изменения частоты и напряжения тока статора. Схема преобразователя содержит: два трехфазных переключателя фаз (ПФ1, ПФ2) на однооперационных тиристорах и обратный диодный мост (ОМ), к диагоналям которого подключен АТД. Между анодными и катодными группами тиристоров переключателей имеются четыре импульсных регулятора, предназначенных для изменения напряжения на нагрузке. Переключатели фаз обеспечивают формирование кривой выходного напряжения, а обратный диодный мост – протекание реактивного и тормозного тока.

На рис. 2 представлена функциональная схема системы управления для описанного выше АИН с групповой коммутацией, обеспечивающая поддержание требуемых параметров тягового привода, которая включает в себя:

–задающий генератор ЗГ;

–компараторы БК для изменения выходной частоты преобразователя в шести поддиапазонов кратности несущей и выходной частот;

–устройство синхронизации УС, обеспечивающее изменение кратности на интервале паузы при изменении полярности напряжения в одной из фаз двигателя;

–блок с регулируемым коэффициента пересчета БРКП, поддерживающий несущую частоту в заданных пределах (600…1200 Гц) в каждом поддиапазоне регулирования выходной частоты;

–блок с постоянным коэффициентом пересчета БПКП, обеспечивающий пропорциональность между шестикратной выходной частотой и частотой задающего генератора ЗГ;

–блок широтно-импульсной модуляции БШИМ;

–счетчик выходной частоты СВЧ, реализующий сдвиг последующего сигнала на 60 электрических градусов по сравнению с предыдущим сигналом;

–формирователь коммутационных интервалов ФКИ, предназначенный для получения необходимых временных задержек на включение однооперационных тиристоров АИН (автономный инвертор напряжения) в интервале коммутационных процессов;

–распределитель управляющих сигналов РУС, обеспечивающий распределение импульсов между тиристорами переключателя фаз инвертора.

238

ТРАНСВУЗ – 2015

Совершенствование систем управления подвижного состава идет по нескольким направлениям:

–оптимизация структуры преобразователей;

–разработка перспективных методов регулирования выходных параметров преобразователей.

Рис. 2. Функциональная схема системы управления АИН с групповой коммутацией.

Улучшение качества выходного напряжения АИН может быть достигнуто за счет применения трехточечного преобразователя с использованием двухоперационных тиристоров. Уменьшение числа двухоперационных тиристоров в трехточечном преобразователе можно достичь, используя рассмотренную ниже схему преобразователя.

На рис. 3 представлена принципиальная электрическая схема трехточечного преобразователя, которая содержит: тиристоры и диоды, собранные в анодные и катодные группы переключателей фаз и обратного диодного моста, подключенного в непроводящем направлении к источнику питания. Импульсные регуляторы и управляемые ключевые элементы обеспечивают регулирование напряжения на зажимах тягового электродвигателя и выключение тиристоров переключателей фаз. Тиристоры, отпираемые поочередно и одновременно с управляемыми ключевыми элементами, соответственно, предназначены для синхронизации работы импульсных регуляторов, переключателей фаз и управляемых ключевых элементов.

239