Помощь студентам в учебе
МОНИТОРИНГ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ АСИНХРОННЫХ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ
АСИНХРОННОГО ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ И В ЭКСПЛУАТАЦИИ 14
1.1 Особенности конструкции тяговых электрических машин
электроподвижного состава, требования предъявляемые к ним 14
1.2 Обзор тяговых электрических машин, применяемых в электроподвижном
составе, и их характеристик 16
1.3 Техническое обслуживание и диагностика тяговых электродвигателей
при эксплуатации 22
1.3.1 Надежность электроподвижного состава 22
1.3.2 Характеристика отказов эксплуатируемых тяговых электродвигателей ...25
1.3.3 Анализ теплового состояния ТЭД 28
1.3.4 Оценка и контроль теплового состояния асинхронных тяговых
электродвигателей в период эксплуатации электровозов 29
1.3.5 Обзор существующих систем мониторинга тяговых электродвигателей ..32
1.4 Постановка задачи 34
2 ТЕПЛОВОЕ СОСТОЯНИЕ АСИНХРОННОГО ТЯГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ..36
2.1 Обзор методов, применяемых для расчета температурного поля
электрических машин 36
2.2 Математический аппарат для создания тепловой математической модели
АТЭД 43
2.3 Математическая модель установившегося теплового состояния АТЭД (на
примере двигателя НТА-1200) 44
2.4 Расчет нагревания асинхронного тягового электродвигателя 53
2.4.1 Вентиляционный расчет АТЭД 53
2.4.2 Расчет тепловыделений в узлах двигателя 61
2.4.3 Расчет проводимостей тепловой схемы 64
2.5 Сравнительный анализ результатов разработанной тепловой
математической модели 65
2.6 Выводы 69
3 ТЕПЛОВАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АСИНХРОННОГО
ТЯГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ
РАБОТЫ 70
3.1 Расчет нестационарных температур узлов тягового асинхронного
электродвигателя через коэффициенты влияния 71
3.1.1 Планирование эксперимента для определения коэффициентов
корреляции 72
3.1.2 Выбор плана эксперимента 74
3.1.3 Реализация плана эксперимента 77
3.1.4 Оценка адекватности полученной выборки 81
3.1.4.1 Расчет функции отклика тепловой математической модели 82
3.1.4.2 Проверка адекватности регрессионной модели 84
3.1.4 Расчет коэффициентов корреляции Пирсона 86
3.1.5 Расчет нагревания АТЭД с помощью коэффициентов влияния 89
3.2 Расчет температур узлов ТЭД через постоянные нагрева 89
3.2.1 Определение постоянных нагрева элементов двигателя 91
3.2.2 Расчет нагревания ТЭД с использованием постоянных нагрева узлов
электродвигателя 92
3.3 Сопоставление методов, оценка точности 93
3.4 Выводы 95
4 СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ АСИНХРОННЫХ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ....96
4.1 Назначение системы мониторинга теплового состояния тяговых
электродвигателей 96
4.2 Принцип работы системы мониторинга асинхронных тяговых
электродвигателей 97
4.2.1 Регулирование частоты вращения тягового электродвигателя 98
4.2.2 Расчет частоты вращения тягового двигателя для системы теплового
мониторинга тяговых электродвигателей 100
4.2.3 Алгоритм работы системы мониторинга теплового состояния тяговых
электродвигателей переменного тока 101
4.3 Апробация работы системы мониторинга теплового состояния
асинхронных тяговых электродвигателей 104
4.3.1 Апробация работы тепловой математической модели в установившемся
режиме работы 106
4.3.2 Апробация тепловой математической модели для неустановившихся
режимов работы АТЭД 112
4.4 Анализ полученных результатов испытаний 115
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 116
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 118
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 119
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 132
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 133
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 135
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 136
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 140
ПРИЛОЖЕНИЕ 6 145
ПРИЛОЖЕНИЕ 7 147
ПРИЛОЖЕНИЕ 8 150
ПРИЛОЖЕНИЕ 9 153
1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ
АСИНХРОННОГО ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ И В ЭКСПЛУАТАЦИИ 14
1.1 Особенности конструкции тяговых электрических машин
электроподвижного состава, требования предъявляемые к ним 14
1.2 Обзор тяговых электрических машин, применяемых в электроподвижном
составе, и их характеристик 16
1.3 Техническое обслуживание и диагностика тяговых электродвигателей
при эксплуатации 22
1.3.1 Надежность электроподвижного состава 22
1.3.2 Характеристика отказов эксплуатируемых тяговых электродвигателей ...25
1.3.3 Анализ теплового состояния ТЭД 28
1.3.4 Оценка и контроль теплового состояния асинхронных тяговых
электродвигателей в период эксплуатации электровозов 29
1.3.5 Обзор существующих систем мониторинга тяговых электродвигателей ..32
1.4 Постановка задачи 34
2 ТЕПЛОВОЕ СОСТОЯНИЕ АСИНХРОННОГО ТЯГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ..36
2.1 Обзор методов, применяемых для расчета температурного поля
электрических машин 36
2.2 Математический аппарат для создания тепловой математической модели
АТЭД 43
2.3 Математическая модель установившегося теплового состояния АТЭД (на
примере двигателя НТА-1200) 44
2.4 Расчет нагревания асинхронного тягового электродвигателя 53
2.4.1 Вентиляционный расчет АТЭД 53
2.4.2 Расчет тепловыделений в узлах двигателя 61
2.4.3 Расчет проводимостей тепловой схемы 64
2.5 Сравнительный анализ результатов разработанной тепловой
математической модели 65
2.6 Выводы 69
3 ТЕПЛОВАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АСИНХРОННОГО
ТЯГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ
РАБОТЫ 70
3.1 Расчет нестационарных температур узлов тягового асинхронного
электродвигателя через коэффициенты влияния 71
3.1.1 Планирование эксперимента для определения коэффициентов
корреляции 72
3.1.2 Выбор плана эксперимента 74
3.1.3 Реализация плана эксперимента 77
3.1.4 Оценка адекватности полученной выборки 81
3.1.4.1 Расчет функции отклика тепловой математической модели 82
3.1.4.2 Проверка адекватности регрессионной модели 84
3.1.4 Расчет коэффициентов корреляции Пирсона 86
3.1.5 Расчет нагревания АТЭД с помощью коэффициентов влияния 89
3.2 Расчет температур узлов ТЭД через постоянные нагрева 89
3.2.1 Определение постоянных нагрева элементов двигателя 91
3.2.2 Расчет нагревания ТЭД с использованием постоянных нагрева узлов
электродвигателя 92
3.3 Сопоставление методов, оценка точности 93
3.4 Выводы 95
4 СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ АСИНХРОННЫХ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ....96
4.1 Назначение системы мониторинга теплового состояния тяговых
электродвигателей 96
4.2 Принцип работы системы мониторинга асинхронных тяговых
электродвигателей 97
4.2.1 Регулирование частоты вращения тягового электродвигателя 98
4.2.2 Расчет частоты вращения тягового двигателя для системы теплового
мониторинга тяговых электродвигателей 100
4.2.3 Алгоритм работы системы мониторинга теплового состояния тяговых
электродвигателей переменного тока 101
4.3 Апробация работы системы мониторинга теплового состояния
асинхронных тяговых электродвигателей 104
4.3.1 Апробация работы тепловой математической модели в установившемся
режиме работы 106
4.3.2 Апробация тепловой математической модели для неустановившихся
режимов работы АТЭД 112
4.4 Анализ полученных результатов испытаний 115
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 116
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 118
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 119
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 132
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 133
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 135
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 136
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 140
ПРИЛОЖЕНИЕ 6 145
ПРИЛОЖЕНИЕ 7 147
ПРИЛОЖЕНИЕ 8 150
ПРИЛОЖЕНИЕ 9 153
Актуальность темы. Развитие экономики страны напрямую зависит от ее транспортной системы. Российские железные дороги (РЖД) являются второй по величине транспортной системой мира [1]. По общей длине эксплуатационных путей они уступают только США. Однако по протяженности электрифицированных магистралей российские железные дороги занимают первое место в мире. В настоящее время более 20 % грузооборота и 10 % пассажирооборота всех железных дорог мира осуществляет Российская Федерация [1].
В России железнодорожный транспорт остается ведущим элементом транспортной системы. Значительная часть пригородных и дальних перевозок как пассажирских, так и грузовых производится с помощью железной дороги. По данным на 01.01.2012 года 43,3 % от общего грузооборота, осуществляемого всеми видами транспорта (с учетом трубопроводного) производится РЖД [2]. Актуальность использования железнодорожного транспорта обоснована возможностью круглогодичного регулярного движения, перевозок грузов на большие расстояния, а также в районы со слабым развитием коммуникаций других видов транспорта, в частности в регионы Сибири и Дальнего Востока. Развитие железнодорожного комплекса позволяет поддерживать высокий уровень конкурентоспособности национальной экономики страны, увеличивать мобильность населения, производить оптимизацию товародвижения и снижать совокупные транспортные издержки грузоперевозок [1].
Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года, утвержденная Правительством РФ от 17 июня 2008 года № 877-р [1], включает в себя много аспектов. Одним из них является совершенствование локомотивного парка. Локомотивы являются основными техническими средствами системы железнодорожного транспорта, обеспечивающими его надежное функционирование. Для поддержания конкурентоспособности системы РЖД в области электроподвижного состава (ЭПС) необходимо выполнение следующих важных задач [3]:
- повышение скорости пассажирских поездов для увеличения дальности перевозок и веса грузовых поездов с целью увеличения провозной способности электрифицированных железных дорог;
- снижение себестоимости перевозок, в основном за счет уменьшения затрат на обслуживание и ремонт.
В настоящее время пассажирский и грузовой электровозный парк в основном оснащен электровозами с тяговым электроприводом постоянного или пульсирующего тока. Использование данных видов электродвигателей обусловлено их высокой перегрузочной способностью и хорошими регулировочными свойствами, обеспечивающими возможность управления скоростью электропоезда в широком диапазоне. Однако необходимо отметить, что применение данного типа электропривода не позволяет полностью решить задачу повышения скорости поездов, поскольку резерв увеличения мощности коллекторных машин, применяемых в качестве тяговых, еще к концу 70-х годов XX века был практически исчерпан.
Снижение затрат на обслуживание и ремонт является возможным с применением в подвижном составе бесколлекторных машин. Начало внедрения этих типов электродвигателей, в частности асинхронных, в качестве тяговых стало возможным только в 80-е годы ХХ века в связи с развитием управляемых силовых полупроводниковых приборов (ППП). Появление мощных запираемых силовых НИИ. GTO-тиристоров, а в дальнейшем и IGBT-транзисторов дало возможность эффективного использования асинхронных тяговых электродвигателей (АТЭД) на локомотивах. С этого времени началось теоретическое и практическое освоение асинхронного тягового электропривода в электроподвижном составе. Большой вклад в развитие теории проектирования и эксплуатации тяговых машин внесли отечественные ученые: В.Д. Авилов, В.А. Винокуров, Ш.К. Исмаилов, М.Ф. Карасев, В.А. Кучумов, М.Д. Находкин, В.С. Хвостов и многие другие.
К настоящему моменту существует тенденция оснащения локомотивного парка РЖД грузовыми электровозами, оснащенными асинхронными тяговыми приводами. Согласно программам модернизации Российских железных дорог предусматривается внедрение локомотивов с улучшенными техническими характеристиками и локомотивов нового поколения, оснащенных тяговым приводом как постоянного, так и переменного тока. По плану закупки техники ОАО «РЖД» до 2015 года предполагается приобретение большого количества электровозов с асинхронным электроприводом [4, 5]. Таким образом, удельный вес локомотивов, оснащенных АТЭД, в системе РЖД будет постоянно увеличиваться.
Статистика эксплуатации тяговых электродвигателей постоянного тока локомотивов показывает сниженное значение сроков эксплуатации и межсервисного интервала тяговых электродвигателей (ТЭД) по сравнению с установленными регламентом [6]. Это является следствием того, что эксплуатация тягового электропривода происходит в постоянно тяжелых условиях работы, которые способствуют более частому выходу их из строя. Главными причинами выхода являются: пробои изоляции обмоток; межвитковые замыкания в обмотках машины [6]. Основной причиной приведенных неисправностей является ускоренное старение изоляции из-за частого перегрева обмоток электродвигателя при работе его в режимах, отличных от номинального.
К настоящему времени накопилось большое количество исследований, посвященных проблемам, связанным с тепловым состоянием тяговых машин постоянного тока. Сюда можно отнести работы И.Н. Богаенко, А.И. Борисенко,
Э.И. Гуревича, Ш.К. Исмаилова, Д.И. Санникова, Г.А. Сипайлова,
В.П. Смирнова, Н.А. Платова, И.Ф. Филиппова, А.И. Яковлева и другие. Однако исследования теплового состояния тяговых электродвигателей переменного тока в эксплуатации только начинаются. Данные исследования отображены в работах Е.Ю. Логиновой, Ф.В. Тихонова, В.В. Чащина. Объяснением этому является то, что сейчас основное применение АТЭД имеют на пассажирском подвижном составе. Как известно, эксплуатация тягового электропривода пассажирских локомотивов осуществляется в более щадящих режимах по сравнению с грузовыми (при не высоких нагрузках и высокой интенсивности охлаждения), поэтому вероятность их отказа по причине предельного теплового состояния является маловероятной. Эксплуатация грузовых локомотивов с асинхронным приводом происходит в тяжелых аналогичных условиях, что и у локомотивов, оснащенных ТЭД постоянного тока, поэтому вероятность перегрева элементов конструкции электродвигателя является достаточно высокой.
Нужно отметить, что выпускаемые в настоящее время электровозы с АТЭД оснащаются тепловыми системами защиты оборудования. Так, для тяговых электродвигателей локомотива предусмотрена установка блока защиты, представляющая собой термодатчик, установленный в сердечник статора, с блоком управления, который при превышении допустимого значения температуры данного узла выводит сообщение на рабочий монитор машиниста поезда. В свою очередь, машинист может принять решение и изменить параметры работы электровоза и электродвигателя в частности. Необходимо отметить, что данная система контролирует значение температуры только одного элемента конструкции тягового двигателя, который не всегда является наиболее нагретым. То есть получаемая информация не всегда позволяет корректно оценить тепловую нагрузку всей машины. Для получения же достоверной информации о тепловом состоянии всего объекта необходимо использование большего количества контрольных узлов, а соответственно установка большего количества термодатчиков. Это не всегда является возможным по причине загромождения пространства внутри машины и усложнения системы защиты. Таким образом, исследования асинхронных тяговых электродвигателей как тепловых объектов и создание для них систем оптимального мониторинга теплового состояния становятся актуальными. Применение таких систем необходимо как при испытаниях, так и в период эксплуатации, чтобы не допустить предельного температурного состояния АТЭД.
Целью диссертационной работы является разработка системы мониторинга теплового состояния тяговых асинхронных электродвигателей локомотивов при различных режимах работы, которая позволит непрерывно контролировать тепловое состояние АТЭД и своевременно предотвращать возможные аварийные ситуации.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Выполнить обзор существующих систем теплового мониторинга тяговых электродвигателей электровозов.
2. Определить минимальное количество необходимых входных данных для работы тепловой математической модели.
3. Разработать математическую модель теплового состояния АТЭД для определения установившихся температур узлов тягового электродвигателя.
4. Разработать тепловую математическую модель для определения температур элементов конструкции электродвигателя, работающего в нестационарных режимах.
5. Разработать систему мониторинга теплового состояния АТЭД на основе предлагаемых математических моделей с использованием минимального количества оборудования для ее реализации.
При решении поставленных задач по исследованию теплового состояния тяговых асинхронных электродвигателей в диссертационной работе использовались методы теории расчета электрических машин и расчета, тепловых полей электродвигателей, численного моделирования и экспериментальных натурных испытаний.
В проведенных исследованиях использованы следующие программные продукты: Matlab 7, Mathcad 14, Elcut 5.8.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Разработан алгоритм работы системы мониторинга теплового состояния асинхронного тягового электродвигателя для всех режимов эксплуатации электровоза.
2. Разработана математическая модель теплового состояния асинхронного тягового электродвигателя для неустановившихся режимов работы.
3. Разработана математическая модель установившегося теплового поля тягового асинхронного электродвигателя, отличающаяся от известных ранее вариантов подробным рассмотрением элементов статора и ротора электродвигателя, учитывающая влияние температуры и расхода охлаждающего воздуха на параметры температурного поля машины.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:
1. Созданная система мониторинга теплового состояния может быть использована для оценки и контроля теплового состояния тяговых асинхронных электродвигателей электровозов при эксплуатации, а также при проведении технического обслуживания электродвигателей.
2. Создана компьютерная программа для расчета температур узлов асинхронного тягового двигателя с определением наиболее нагретого узла для установившегося режима.
3. Разработаны методики определения температурного поля тягового электродвигателя в неустановившихся режимах работы с определением наиболее нагретого узла.
4. Смоделированы установившиеся температурные поля АТЭД в режиме перегрузки электродвигателя, с помощью которых выявлены места локального перегрева обмоток статора электродвигателя.
Результаты диссертационной работы использованы при выполнении ряда научно-исследовательских тем, а также при создании автоматической испытательной станции тяговых электродвигателей электровозов компанией ООО «Салют-М» г. Новосибирск. Разработанные в диссертационной работе математические модели асинхронных тяговых электродвигателей и рекомендации по расчетам температурных полей электрических машин используются в учебном процессе Национального исследовательского Томского политехнического университета при подготовке бакалавров по направлению
13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», магистров
(13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника») и специалистов по направлению 140601.65 «Электромеханика» по дисциплинам: «Проектирование электрических машин и аппаратов», «Учебно-исследовательская работа студентов», а также в выпускных квалификационных работах студентов. Подтверждением реализации результатов диссертационной работы является наличие актов о внедрении. Акты внедрения представлены в Приложении 9.
На защиту выносятся:
1. Математическая модель установившегося теплового состояния асинхронного тягового электродвигателя.
2. Математическая модель теплового состояния для неустановившихся режимов работы.
3. Система мониторинга теплового состояния асинхронного тягового электродвигателя, предназначенная для использования при эксплуатации на электровозе.
4. Экспериментальные исследования для оценки адекватности математических моделей.
Апробация работы и публикации. Материалы исследования докладывались и получили одобрение на следующих конференциях.
- IV Международная научно-техническая конференция
«Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы» (EECCES-2011), Екатеринбург - 2011 г.
- XVII Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» СТТ 2011, Томск - 2011 г.
- XVIII Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва - 2012 г.
- IX международная научно-техническая конференция «Повышение
эффективности эксплуатации коллекторных электромеханических
преобразователей энергии», Омск - 2013 г.
- VII Международная научная конференция молодых ученых «Электротехника. Электротехнология. Энергетика», Новосибирск, - 2015.
По результатам проведенных исследований опубликовано 9 печатных работ, 4 из них - в изданиях, рекомендованных ВАК.
Содержание работы. Диссертационная работа изложена на 155 страницах машинописного текста, содержит 18 иллюстраций и 8 таблиц, состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 102 наименований и 9 приложений.
Во введении обоснована актуальность создания системы теплового мониторинга асинхронных тяговых электродвигателей и, в частности, необходимость контроля теплового состояния АТЭД на электровозах при эксплуатации.
В первой главе приведены особенности конструкции тяговых электрических машин и требования, предъявляемые к ним. Выполнен анализ отказов ТЭД. Представлены методы контроля теплового состояния асинхронных тяговых электродвигателей. Проведен критический обзор существующих систем теплового мониторинга тяговых электродвигателей. Сформулированы основные задачи исследования.
Вторая глава посвящена разработке тепловой математической модели асинхронного тягового электродвигателя. Приведен обзор методов, с помощью которых можно проводить расчет температурных полей электрических машин. Описан необходимый математический аппарат, позволяющий моделирование температурных нагрузок машины. Представлена математическая модель установившегося теплового состояния АТЭД (на примере двигателя НТА-1200). Проведено сравнение результатов расчета по математической модели с моделированием в программном комплексе Elcut.
В третьей главе предложена математическая модель расчета температур узлов тягового асинхронного электродвигателя при работе в нестационарных режимах, включающая в себя два способа расчета. С помощью экспериментальных данных проведено сопоставление разработанных способов и оценка их точности. По результатам оценки представлены рекомендации, показывающие области применения и возможности использования того или иного способа расчета неустановившегося температурного поля АТЭД.
В четвертой главе приведен принцип действия и алгоритм работы разработанной системы мониторинга теплового состояния тяговых электродвигателей переменного тока. Представлена апробация работы тепловой математической модели как основы системы мониторинга в установившемся и неустановившемся режимах работы. Проведен анализ полученных результатов.
В заключении приведены основные выводы: по проделанной работе.
В приложениях представлены иллюстративные материалы, таблицы с результатами расчетов, акты внедрения результатов работы в производственный и учебный процессы.
Автор выражает благодарность научному консультанту
Цукублину Анатолию Борисовичу за неоценимую помощь при работе с диссертацией.
В России железнодорожный транспорт остается ведущим элементом транспортной системы. Значительная часть пригородных и дальних перевозок как пассажирских, так и грузовых производится с помощью железной дороги. По данным на 01.01.2012 года 43,3 % от общего грузооборота, осуществляемого всеми видами транспорта (с учетом трубопроводного) производится РЖД [2]. Актуальность использования железнодорожного транспорта обоснована возможностью круглогодичного регулярного движения, перевозок грузов на большие расстояния, а также в районы со слабым развитием коммуникаций других видов транспорта, в частности в регионы Сибири и Дальнего Востока. Развитие железнодорожного комплекса позволяет поддерживать высокий уровень конкурентоспособности национальной экономики страны, увеличивать мобильность населения, производить оптимизацию товародвижения и снижать совокупные транспортные издержки грузоперевозок [1].
Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года, утвержденная Правительством РФ от 17 июня 2008 года № 877-р [1], включает в себя много аспектов. Одним из них является совершенствование локомотивного парка. Локомотивы являются основными техническими средствами системы железнодорожного транспорта, обеспечивающими его надежное функционирование. Для поддержания конкурентоспособности системы РЖД в области электроподвижного состава (ЭПС) необходимо выполнение следующих важных задач [3]:
- повышение скорости пассажирских поездов для увеличения дальности перевозок и веса грузовых поездов с целью увеличения провозной способности электрифицированных железных дорог;
- снижение себестоимости перевозок, в основном за счет уменьшения затрат на обслуживание и ремонт.
В настоящее время пассажирский и грузовой электровозный парк в основном оснащен электровозами с тяговым электроприводом постоянного или пульсирующего тока. Использование данных видов электродвигателей обусловлено их высокой перегрузочной способностью и хорошими регулировочными свойствами, обеспечивающими возможность управления скоростью электропоезда в широком диапазоне. Однако необходимо отметить, что применение данного типа электропривода не позволяет полностью решить задачу повышения скорости поездов, поскольку резерв увеличения мощности коллекторных машин, применяемых в качестве тяговых, еще к концу 70-х годов XX века был практически исчерпан.
Снижение затрат на обслуживание и ремонт является возможным с применением в подвижном составе бесколлекторных машин. Начало внедрения этих типов электродвигателей, в частности асинхронных, в качестве тяговых стало возможным только в 80-е годы ХХ века в связи с развитием управляемых силовых полупроводниковых приборов (ППП). Появление мощных запираемых силовых НИИ. GTO-тиристоров, а в дальнейшем и IGBT-транзисторов дало возможность эффективного использования асинхронных тяговых электродвигателей (АТЭД) на локомотивах. С этого времени началось теоретическое и практическое освоение асинхронного тягового электропривода в электроподвижном составе. Большой вклад в развитие теории проектирования и эксплуатации тяговых машин внесли отечественные ученые: В.Д. Авилов, В.А. Винокуров, Ш.К. Исмаилов, М.Ф. Карасев, В.А. Кучумов, М.Д. Находкин, В.С. Хвостов и многие другие.
К настоящему моменту существует тенденция оснащения локомотивного парка РЖД грузовыми электровозами, оснащенными асинхронными тяговыми приводами. Согласно программам модернизации Российских железных дорог предусматривается внедрение локомотивов с улучшенными техническими характеристиками и локомотивов нового поколения, оснащенных тяговым приводом как постоянного, так и переменного тока. По плану закупки техники ОАО «РЖД» до 2015 года предполагается приобретение большого количества электровозов с асинхронным электроприводом [4, 5]. Таким образом, удельный вес локомотивов, оснащенных АТЭД, в системе РЖД будет постоянно увеличиваться.
Статистика эксплуатации тяговых электродвигателей постоянного тока локомотивов показывает сниженное значение сроков эксплуатации и межсервисного интервала тяговых электродвигателей (ТЭД) по сравнению с установленными регламентом [6]. Это является следствием того, что эксплуатация тягового электропривода происходит в постоянно тяжелых условиях работы, которые способствуют более частому выходу их из строя. Главными причинами выхода являются: пробои изоляции обмоток; межвитковые замыкания в обмотках машины [6]. Основной причиной приведенных неисправностей является ускоренное старение изоляции из-за частого перегрева обмоток электродвигателя при работе его в режимах, отличных от номинального.
К настоящему времени накопилось большое количество исследований, посвященных проблемам, связанным с тепловым состоянием тяговых машин постоянного тока. Сюда можно отнести работы И.Н. Богаенко, А.И. Борисенко,
Э.И. Гуревича, Ш.К. Исмаилова, Д.И. Санникова, Г.А. Сипайлова,
В.П. Смирнова, Н.А. Платова, И.Ф. Филиппова, А.И. Яковлева и другие. Однако исследования теплового состояния тяговых электродвигателей переменного тока в эксплуатации только начинаются. Данные исследования отображены в работах Е.Ю. Логиновой, Ф.В. Тихонова, В.В. Чащина. Объяснением этому является то, что сейчас основное применение АТЭД имеют на пассажирском подвижном составе. Как известно, эксплуатация тягового электропривода пассажирских локомотивов осуществляется в более щадящих режимах по сравнению с грузовыми (при не высоких нагрузках и высокой интенсивности охлаждения), поэтому вероятность их отказа по причине предельного теплового состояния является маловероятной. Эксплуатация грузовых локомотивов с асинхронным приводом происходит в тяжелых аналогичных условиях, что и у локомотивов, оснащенных ТЭД постоянного тока, поэтому вероятность перегрева элементов конструкции электродвигателя является достаточно высокой.
Нужно отметить, что выпускаемые в настоящее время электровозы с АТЭД оснащаются тепловыми системами защиты оборудования. Так, для тяговых электродвигателей локомотива предусмотрена установка блока защиты, представляющая собой термодатчик, установленный в сердечник статора, с блоком управления, который при превышении допустимого значения температуры данного узла выводит сообщение на рабочий монитор машиниста поезда. В свою очередь, машинист может принять решение и изменить параметры работы электровоза и электродвигателя в частности. Необходимо отметить, что данная система контролирует значение температуры только одного элемента конструкции тягового двигателя, который не всегда является наиболее нагретым. То есть получаемая информация не всегда позволяет корректно оценить тепловую нагрузку всей машины. Для получения же достоверной информации о тепловом состоянии всего объекта необходимо использование большего количества контрольных узлов, а соответственно установка большего количества термодатчиков. Это не всегда является возможным по причине загромождения пространства внутри машины и усложнения системы защиты. Таким образом, исследования асинхронных тяговых электродвигателей как тепловых объектов и создание для них систем оптимального мониторинга теплового состояния становятся актуальными. Применение таких систем необходимо как при испытаниях, так и в период эксплуатации, чтобы не допустить предельного температурного состояния АТЭД.
Целью диссертационной работы является разработка системы мониторинга теплового состояния тяговых асинхронных электродвигателей локомотивов при различных режимах работы, которая позволит непрерывно контролировать тепловое состояние АТЭД и своевременно предотвращать возможные аварийные ситуации.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Выполнить обзор существующих систем теплового мониторинга тяговых электродвигателей электровозов.
2. Определить минимальное количество необходимых входных данных для работы тепловой математической модели.
3. Разработать математическую модель теплового состояния АТЭД для определения установившихся температур узлов тягового электродвигателя.
4. Разработать тепловую математическую модель для определения температур элементов конструкции электродвигателя, работающего в нестационарных режимах.
5. Разработать систему мониторинга теплового состояния АТЭД на основе предлагаемых математических моделей с использованием минимального количества оборудования для ее реализации.
При решении поставленных задач по исследованию теплового состояния тяговых асинхронных электродвигателей в диссертационной работе использовались методы теории расчета электрических машин и расчета, тепловых полей электродвигателей, численного моделирования и экспериментальных натурных испытаний.
В проведенных исследованиях использованы следующие программные продукты: Matlab 7, Mathcad 14, Elcut 5.8.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Разработан алгоритм работы системы мониторинга теплового состояния асинхронного тягового электродвигателя для всех режимов эксплуатации электровоза.
2. Разработана математическая модель теплового состояния асинхронного тягового электродвигателя для неустановившихся режимов работы.
3. Разработана математическая модель установившегося теплового поля тягового асинхронного электродвигателя, отличающаяся от известных ранее вариантов подробным рассмотрением элементов статора и ротора электродвигателя, учитывающая влияние температуры и расхода охлаждающего воздуха на параметры температурного поля машины.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:
1. Созданная система мониторинга теплового состояния может быть использована для оценки и контроля теплового состояния тяговых асинхронных электродвигателей электровозов при эксплуатации, а также при проведении технического обслуживания электродвигателей.
2. Создана компьютерная программа для расчета температур узлов асинхронного тягового двигателя с определением наиболее нагретого узла для установившегося режима.
3. Разработаны методики определения температурного поля тягового электродвигателя в неустановившихся режимах работы с определением наиболее нагретого узла.
4. Смоделированы установившиеся температурные поля АТЭД в режиме перегрузки электродвигателя, с помощью которых выявлены места локального перегрева обмоток статора электродвигателя.
Результаты диссертационной работы использованы при выполнении ряда научно-исследовательских тем, а также при создании автоматической испытательной станции тяговых электродвигателей электровозов компанией ООО «Салют-М» г. Новосибирск. Разработанные в диссертационной работе математические модели асинхронных тяговых электродвигателей и рекомендации по расчетам температурных полей электрических машин используются в учебном процессе Национального исследовательского Томского политехнического университета при подготовке бакалавров по направлению
13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», магистров
(13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника») и специалистов по направлению 140601.65 «Электромеханика» по дисциплинам: «Проектирование электрических машин и аппаратов», «Учебно-исследовательская работа студентов», а также в выпускных квалификационных работах студентов. Подтверждением реализации результатов диссертационной работы является наличие актов о внедрении. Акты внедрения представлены в Приложении 9.
На защиту выносятся:
1. Математическая модель установившегося теплового состояния асинхронного тягового электродвигателя.
2. Математическая модель теплового состояния для неустановившихся режимов работы.
3. Система мониторинга теплового состояния асинхронного тягового электродвигателя, предназначенная для использования при эксплуатации на электровозе.
4. Экспериментальные исследования для оценки адекватности математических моделей.
Апробация работы и публикации. Материалы исследования докладывались и получили одобрение на следующих конференциях.
- IV Международная научно-техническая конференция
«Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы» (EECCES-2011), Екатеринбург - 2011 г.
- XVII Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» СТТ 2011, Томск - 2011 г.
- XVIII Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва - 2012 г.
- IX международная научно-техническая конференция «Повышение
эффективности эксплуатации коллекторных электромеханических
преобразователей энергии», Омск - 2013 г.
- VII Международная научная конференция молодых ученых «Электротехника. Электротехнология. Энергетика», Новосибирск, - 2015.
По результатам проведенных исследований опубликовано 9 печатных работ, 4 из них - в изданиях, рекомендованных ВАК.
Содержание работы. Диссертационная работа изложена на 155 страницах машинописного текста, содержит 18 иллюстраций и 8 таблиц, состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 102 наименований и 9 приложений.
Во введении обоснована актуальность создания системы теплового мониторинга асинхронных тяговых электродвигателей и, в частности, необходимость контроля теплового состояния АТЭД на электровозах при эксплуатации.
В первой главе приведены особенности конструкции тяговых электрических машин и требования, предъявляемые к ним. Выполнен анализ отказов ТЭД. Представлены методы контроля теплового состояния асинхронных тяговых электродвигателей. Проведен критический обзор существующих систем теплового мониторинга тяговых электродвигателей. Сформулированы основные задачи исследования.
Вторая глава посвящена разработке тепловой математической модели асинхронного тягового электродвигателя. Приведен обзор методов, с помощью которых можно проводить расчет температурных полей электрических машин. Описан необходимый математический аппарат, позволяющий моделирование температурных нагрузок машины. Представлена математическая модель установившегося теплового состояния АТЭД (на примере двигателя НТА-1200). Проведено сравнение результатов расчета по математической модели с моделированием в программном комплексе Elcut.
В третьей главе предложена математическая модель расчета температур узлов тягового асинхронного электродвигателя при работе в нестационарных режимах, включающая в себя два способа расчета. С помощью экспериментальных данных проведено сопоставление разработанных способов и оценка их точности. По результатам оценки представлены рекомендации, показывающие области применения и возможности использования того или иного способа расчета неустановившегося температурного поля АТЭД.
В четвертой главе приведен принцип действия и алгоритм работы разработанной системы мониторинга теплового состояния тяговых электродвигателей переменного тока. Представлена апробация работы тепловой математической модели как основы системы мониторинга в установившемся и неустановившемся режимах работы. Проведен анализ полученных результатов.
В заключении приведены основные выводы: по проделанной работе.
В приложениях представлены иллюстративные материалы, таблицы с результатами расчетов, акты внедрения результатов работы в производственный и учебный процессы.
Автор выражает благодарность научному консультанту
Цукублину Анатолию Борисовичу за неоценимую помощь при работе с диссертацией.
Основными результатами теоретической и практической работы по созданию система мониторинга теплового состояния асинхронных тяговых электродвигателей электровозов состоят в следующем:
1. Разработанная система теплового мониторинга тяговых асинхронных двигателей позволяет осуществлять непрерывный контроль теплового состояния всех элементов конструкции АТЭД (на неподвижных и вращающихся частях) во время его эксплуатации на электровозе в режиме реального времени. Данная система мониторинга может быть использована для любых асинхронных двигателей при условии введения соответствующих параметров, геометрических размеров и свойств используемых изоляционных материалов.
2. Минимальным количеством входных параметров, необходимых для нормальной работы системы теплового мониторинга для всех режимов эксплуатации АТЭД, являются: напряжение сети, фазный ток статора АТЭД, скорость движения локомотива, расход охлаждающего воздуха, температура входного воздуха и температура выбранного опорного узла. Для реализации работы системы мониторинга АТЭД на электровозе необходима только установка датчика расхода охлаждающего воздуха и его температуры, а остальные входные параметры можно получить с установленной штатной аппаратуры.
3. Математическая модель теплового состояния асинхронного тягового электродвигателя, разработанная на основе метода тепловых схем замещения, имеет большую детализацию элементов конструкции статора и ротора, связанными с условиями охлаждения, учитывает подогрев охлаждающего воздуха, проходящего через электродвигатель, что позволяет с большей точностью рассчитывать установившееся тепловое поле АТЭД. При этом необходимыми входными данными являются: фазный ток статора, напряжение и частота питающей сети, температура входного воздуха, расход охлаждающего воздуха.
4. В разработанной модели теплового состояния тягового электродвигателя в неустановившихся режимах следует:
• при температуре опорного узла меньше установившейся использовать методику определения температур узлов АТЭД, базирующуюся на расчете постоянных нагрева;
• при температуре опорного узла выше установившейся использовать методику, основанную на определении корреляционной зависимости между температурами узлов.
При этом величины погрешностей определения температур узлов АТЭД не превышают 10 %.
5. Моделирование установившихся температурных полей во всех режимах работы электродвигателя показало необходимость контроля температур лобовых частей обмоток как имеющих наивысшую температуру нагрева. Поэтому температуру данного узла следует использовать как выходной параметр для корректировки загрузки тяговых электродвигателей электровоза. Данное обстоятельство было также подтверждено моделированием режимов работы в среде ELCUT.
6. Результаты экспериментальных исследований подтверждают, что
использование тепловых математических моделей дает достоверную информацию о величинах температур узлов электродвигателя. При этом погрешности расчетов в установившемся режиме и режимах, близких к установившемуся, не превышает 5 %. Наибольшая погрешность расчетов
температур узлов АТЭД в неустановившихся режимах составляет
1. Разработанная система теплового мониторинга тяговых асинхронных двигателей позволяет осуществлять непрерывный контроль теплового состояния всех элементов конструкции АТЭД (на неподвижных и вращающихся частях) во время его эксплуатации на электровозе в режиме реального времени. Данная система мониторинга может быть использована для любых асинхронных двигателей при условии введения соответствующих параметров, геометрических размеров и свойств используемых изоляционных материалов.
2. Минимальным количеством входных параметров, необходимых для нормальной работы системы теплового мониторинга для всех режимов эксплуатации АТЭД, являются: напряжение сети, фазный ток статора АТЭД, скорость движения локомотива, расход охлаждающего воздуха, температура входного воздуха и температура выбранного опорного узла. Для реализации работы системы мониторинга АТЭД на электровозе необходима только установка датчика расхода охлаждающего воздуха и его температуры, а остальные входные параметры можно получить с установленной штатной аппаратуры.
3. Математическая модель теплового состояния асинхронного тягового электродвигателя, разработанная на основе метода тепловых схем замещения, имеет большую детализацию элементов конструкции статора и ротора, связанными с условиями охлаждения, учитывает подогрев охлаждающего воздуха, проходящего через электродвигатель, что позволяет с большей точностью рассчитывать установившееся тепловое поле АТЭД. При этом необходимыми входными данными являются: фазный ток статора, напряжение и частота питающей сети, температура входного воздуха, расход охлаждающего воздуха.
4. В разработанной модели теплового состояния тягового электродвигателя в неустановившихся режимах следует:
• при температуре опорного узла меньше установившейся использовать методику определения температур узлов АТЭД, базирующуюся на расчете постоянных нагрева;
• при температуре опорного узла выше установившейся использовать методику, основанную на определении корреляционной зависимости между температурами узлов.
При этом величины погрешностей определения температур узлов АТЭД не превышают 10 %.
5. Моделирование установившихся температурных полей во всех режимах работы электродвигателя показало необходимость контроля температур лобовых частей обмоток как имеющих наивысшую температуру нагрева. Поэтому температуру данного узла следует использовать как выходной параметр для корректировки загрузки тяговых электродвигателей электровоза. Данное обстоятельство было также подтверждено моделированием режимов работы в среде ELCUT.
6. Результаты экспериментальных исследований подтверждают, что
использование тепловых математических моделей дает достоверную информацию о величинах температур узлов электродвигателя. При этом погрешности расчетов в установившемся режиме и режимах, близких к установившемуся, не превышает 5 %. Наибольшая погрешность расчетов
температур узлов АТЭД в неустановившихся режимах составляет