Способ оценки надежности изоляционного покрытия обмоток якоря тягового двигателя локомотива и устройство для его осуществления
METHOD OF ESTIMATION OF INSULATING COATING OF WINDINGS ANCHOR OF TRACTION ENGINES LOCOMOTIVE RELIABILITY AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области машиностроения и может быть применено для оценки состояния изоляционного покрытия в тяговых двигателях локомотивов.
Надежность работы тяговых коллекторных электродвигателей электровозов имеет решающее значение для функционирования железнодорожного транспорта. Работа всех узлов локомотива и его тягового двигателя при этом сопровождается интенсивными динамическими нагрузками. В частности, изоляция обмоток тяговых двигателей сопровождается интенсивными динамическими нагрузками.
Изоляция обмоток тяговых двигателей воспринимает не только механические перегрузки, инициируемые динамикой двигателя как такового, но и воспринимает упругие колебания обмоток и передающиеся упругие колебания ротора и статора, возбуждаемые бегущими электромагнитными полями.
Изоляционные покрытия обмоток кроме механических нагрузок воспринимают давление акустических полей, перепады температуры и действия центробежных сил и др.
Многие вопросы оценки динамических нагрузок изоляции обмоток рассмотрены в работах по теории и практике обслуживания тяговых двигателей. Вопросам обеспечения прочности изоляции также посвящены работы, в которых регламентируется технология изготовления покрытий, их нанесения и упрочнения свойств.
В последние годы широкое применение находят лакокрасочные изоляционные покрытия на кремнеорганической основе. Вместе с тем проблемы обеспечения стойкости и надежности работы изоляции еще не решены, а долговечность работы изоляции обмоток тяговых двигателей могла бы быть улучшена.
Известен ряд способов обеспечения долговечности и надежности изоляционных покрытий тяговых двигателей.
Известен способ оперативного контроля и защиты обмоток трансформатора [Гольдштейн Е.И., Панкратов А.В. Патент на изобретение №2339963 С1. МПК G01R 31/06. Приоритет 22.06.2007]. Способ оперативного контроля и защиты обмоток трансформатора в рабочем режиме заключается в том, что во время работы контролируемого силового трансформатора производят измерение мгновенных значений напряжения первичной обмотки, напряжения и тока вторичной обмотки, приводят вторичные величины к первичным. Определяют разность приведенных напряжений первичной и вторичной обмоток. Одновременно определяют индуктивную составляющую разности напряжений, вычитая из полученной разности напряжений произведение приведенного тока вторичной обмотки и активного сопротивления обмоток, и определяют мгновенные значения производной приведенного тока вторичной обмотки по времени. Находят мгновенные значения индуктивности обмоток как отношение мгновенных значений индуктивной составляющей разности напряжений к мгновенным значениям производной приведенного тока вторичной обмотки, усредняют полученные значения индуктивности на периоде. Согласно изобретению определяют мощность активных потерь в обмотках и действующее значение приведенного тока вторичной обмотки, которые используют для определения активного сопротивления обмоток. При усреднении мгновенных значений индуктивности исключают пиковые значения. Затем определяют относительные отклонения полученных значений индуктивности и активного сопротивления обмоток от величин, определенных на заведомо исправном трансформаторе. Далее сравнивают полученные отклонения с заранее заданной уставкой, и если хотя бы одно из этих отклонений больше заданной уставки, то делают вывод о неисправном состоянии обмоток контролируемого трансформатора и подают сигнал на его отключение.
cp
Благодаря тому, что частота сети и напряжение реальных силовых трансформаторов остаются практически неизменными в различных режимах их работы, изменения индуктивности рассеяния и активных сопротивлений обмоток указывают на наличие внутренних повреждений, таких как межвитковые замыкания, деформация, снижение усилия прессовки и другие. Поэтому, определив значения индуктивности и активного сопротивления обмоток для заведомо исправного трансформатора предложенным способом, задав некоторую уставку е, определенную эмпирическим путем, и сравнивая относительное отклонение текущих значений индуктивности обмоток L и активного сопротивления от значений исправного трансформатора с этой уставкой, можно непрерывно контролировать состояние обмоток трансформатора. В случае необходимости будет подан сигнал на отключение трансформатора и тем самым обеспечена защита трансформатора от развития внутренних повреждений.
Способ может быть осуществлен с помощью схемы, содержащей блок приведения (БПр), блок вычисления разности (БВр), блок вычисления сопротивления (БВС), блок индуктивной составляющей напряжения (БИСН), блок дифференцирования (БД), блок вычисления индуктивности (БВИ), блок усреднения (БУср) и программатор контроля (П).
Соответствующие входы блока приведения (БПр) и блока вычисления разности (БВр) соединены с аналого-цифровыми преобразователями. Входы программатора контроля (П) соединены с кнопочной клавиатурой. Выходы блока приведения (БПр) соединены с соответствующими входами блока вычисления разности (БВр), блока вычисления сопротивления (БВС), блока индуктивной составляющей напряжения (БИСН) и блока дифференцирования (БД). Выход блока вычисления разности (БВр) соединен с соответствующими входами блока вычисления сопротивления (БВС) и блока индуктивной составляющей напряжения (БИСН). Выход блока вычисления сопротивления (БВС) соединен с соответствующими входами блока индуктивной составляющей напряжения (БИСН) и программатора контроля (П). Выходы блока индуктивной составляющей напряжения (БИСН) и блока дифференцирования (БД) соединены с соответствующим входом блока вычисления индуктивности (БВИ), выход которого соединен с входом блока усреднения (БУср), выход которого соединен с соответствующим входом программатора контроля (П).
Блок приведения (БПр), блок вычисления разности (БВр), блок вычисления сопротивления (БВС), блок индуктивной составляющей напряжения (БИСН), блок дифференцирования (БД), блок вычисления индуктивности (БВИ), блок усреднения (БУср) и программатор контроля (П) могут быть выполнены на микроконтроллере серии 51 производителя atmel AT89S53.
К недостаткам данного изобретения следует отнести сложность реализации способа, а также остановку работы трансформатора, что приводит к простоям в работе системы электрической системы.
Известен способ контроля технического состояния однофазных и трехфазных двухобмоточных трансформаторов в рабочем режиме [Гольд-штейн Е.И., Прохоров А.В. Патент на изобретение №2390035 С1. МПК G01R 31/06. Приоритет 10.03.2009]. Для каждой фазы трансформатора по массивам мгновенных значений тока первичной обмотки определяют действующее значение тока. По массивам мгновенных значений напряжений первичной и вторичной обмоток определяют действующие значения этих напряжений. По массивам мгновенных значений и величинам действующих значений напряжения и тока первичной обмотки определяют угол сдвига фаз между напряжением и током первичной обмотки трансформатора. По массивам мгновенных значений и действующим значениям напряжений первичной и вторичной обмоток определяют угол сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток трансформатора. Приводят действующее значение тока первичной обмотки к номинальному напряжению первичной обмотки и номинальной частоте сети. Определяют действующие значения активной и реактивной составляющих приведенного тока первичной обмотки. По результатам расчетов формируют пакет базовых данных об угле сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток, действующих значениях активной и реактивной составляющих приведенного тока первичной обмотки. Далее, повторяя выше приведенную последовательность действий, определяют угол сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток, действующие значения активной и реактивной составляющих приведенного тока первичной обмотки и формируют пакеты базовых данных еще для двух различных нагрузочных режимов трансформатора. По указанным базовым данным о трех различных нагрузочных режимах определяют коэффициенты уравнения характеристической плоскости. Затем по массивам мгновенных значений тока первичной обмотки и напряжений первичной и вторичной обмоток для любого нагрузочного режима работы трансформатора определяют угол сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток, действующие значения активной и реактивной составляющих приведенного тока первичной обмотки. По действующим значениям активной и реактивной составляющих приведенного тока первичной обмотки и коэффициентам уравнения характеристической плоскости определяют величину контрольного угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток. Определяют отклонение величины угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток текущего режима от величины контрольного угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток. Затем по величине данного отклонения формируют сигнал об изменении технического состояния трансформатора. Таким образом, предлагаемый способ позволяет по трем различным нагрузочным режимам определить зависимость угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток от нагрузочного режима трансформатора для его текущего технического состояния. Это обеспечивает возможность осуществления оперативного контроля технического состояния как однофазного, так и трехфазного двухобмоточного трансформатора по отклонению величины угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток, определяемого по массивам мгновенных значений напряжений для любого режима работы трансформатора, от величины контрольного угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток. При этом нет необходимости располагать информацией о конструкции трансформатора и, в частности, его обмоточными данными.
Регистратор электрических сигналов (РЭС) подключен через коммутатор к трансформаторам тока и напряжения схемы измерений двухобмоточного трансформатора. Выходы регистратора соединены с входом блока расчета действующих значений тока (БРТ), входами блока расчета действующих значений напряжений (БРН), входами блока расчета угла сдвига фаз между напряжениями (БРФн-н), входами блока расчета угла сдвига фаз между напряжением и током (БРФн-т). Выходы блока расчета действующих значений тока (БРТ) соединены с входом блока расчета угла сдвига фаз между напряжением и током (БРФн-т) и входом блока приведения тока (БПТ). Выходы блока расчета действующих значений напряжений (БРН) соединены с входами блока расчета угла сдвига фаз между напряжениями (БРФн-н), с входом блока расчета угла сдвига фаз между напряжением и током (БРФн-т) и входом блока приведения тока (БПТ). Один из входов блока приведения тока (БПТ) соединен с выходом устройства измерения частоты сети. Выходы блока расчета угла сдвига фаз между напряжением и током (БРФн-т) и блока приведения тока (БПТ) соединены с входами блока расчета активной составляющей тока (БРАТ) и входами блока расчета реактивной составляющей тока (БРРТ). Выход блока расчета угла сдвига фаз между напряжениями (БРФн-н) соединен с входом блока расчета коэффициентов (БРК). Выходы блока расчета активной составляющей тока (БРАТ) и блока расчета реактивной составляющей тока (БРРТ) соединены с входами блока расчета коэффициентов (БРК) и входами блока расчета контрольного угла (БРКУ). Выход блока расчета коэффициентов (БРК) соединен с входом блока расчета контрольного угла (БРКУ). Выход блока расчета угла сдвига фаз между напряжениями (БРФн-н) и выход блока расчета контрольного угла (БРКУ) соединены с входами блока расчета отклонений угла (БРОУ), выход которого соединен с устройством сбора и передачи данных. В качестве регистратора электрических сигналов (РЭС) может быть выбран цифровой регистратор электрических сигналов типа «Парма» или «Черный ящик». Блок расчета действующих значений тока (БРТ), блок расчета действующих значений напряжений (БРН), блок расчета угла сдвига фаз между напряжениями (БРФн-н), блок расчета угла сдвига фаз между напряжением и током (БРФн-т), блок приведения тока (БПТ), блок расчета активной составляющей тока (БРАТ), блок расчета реактивной составляющей тока (БРРТ), блок расчета коэффициентов (БРК), блок расчета контрольного угла (БРКУ), блок расчета отклонений угла (БРОУ) могут быть выполнены на микроконтроллере серии С51 производителя Atmel AT89S8253.
К недостатку данного способа следует отнести то обстоятельство, что при работе электрической системы не учитывается действие вибрации, вызывающее дополнительное влияние на работу трансформатора.
В качестве прототипа следует принять изобретение «Способ эксплуатационного контроля состояния изоляции и ресурса обмоток электродвигателей» [Некрасов А.И., Борисов Ю.С., Некрасов А.А., Марчевский С.В., Ефимов А.В. Патент на изобретение №2491560 С2, МПК G01R 31/00, приоритет 11.11.2011]. Контроль состояния изоляции и прогнозирование ресурса обмоток электродвигателей осуществляют в эксплуатационных условиях с учетом параметров окружающей среды производственных помещений, в которых эксплуатируются электродвигатели, режима работы электродвигателей и величины сопротивления изоляции обмотки в момент ввода электродвигателя в эксплуатацию, при этом измеряют и учитывают температуру, влажность, концентрацию в воздухе агрессивных примесей, а также степень загрузки и число пусков электродвигателей в сутки, причем все измерения выполняют в конце технологических пауз перед пуском электродвигателей технологического оборудования в работу, по результатам полученных измерений, после их статистической обработки, получают математические уравнения (зависимости) изменения электрического сопротивления изоляции и ресурса обмоток электродвигателей во времени, при этом для заданного сочетания эксплуатационных факторов определяют коэффициенты этих уравнений по полученным уравнениям, исходя из первоначальной величины сопротивления изоляции, строят для данного сочетания эксплуатационных факторов окружающей среды и режима работы электродвигателей графические зависимости изменения сопротивления изоляции и расхода ресурса обмоток электродвигателей во времени, по этим графическим зависимостям определяют в процессе эксплуатации ожидаемое сопротивление изоляции и ресурс обмоток электродвигателей на данный момент времени, на основании которых принимают решение о продолжении использования в работе, проведении мероприятий по техническому обслуживанию и ремонту для поддержания и работоспособности или замене электродвигателей.
Недостатком данного способа является отсутствие учета воздействий динамического характера, что приводит к неполной картине оценки ресурса обмоток электродвигателя.
Целью данного изобретения является оценка долговечности и надежности изоляционных покрытий на основе сравнительного анализа составов лакокрасочных смесей и их возможностей обеспечивать необходимый ресурс надежности, основанный на проведении испытаний составов в условиях, имитирующих комплексный характер динамических нагружений, по интенсивности приближенный к условиям практического нагружения.
Способ оценки надежности изоляционного покрытия обмоток якоря тягового двигателя, реализуемый на испытательной установке путем нанесения исследуемого состава изоляции на тонкую упругую пластину в рамке, в которой вибратором возбуждают вынужденные колебания, отличающийся тем, что на пластине создают из порошка пространственные волны динамических деформаций покрытия в условиях электромагнитных полей, перемещая точку приложения силового возмущения, наблюдают за формированием зон деформации, имеющих вид фигур Хладни, и дают оценку о надежности исследуемого покрытия.
Устройство для оценки надежности изоляционных покрытий обмоток якоря тягового двигателя, состоящее из основания, установленного на нем каркаса, внутри которого имеется вибратор, упругая тонкая пластина в рамке с нанесенным исследуемым изоляционным покрытием, расположенная вверху и закрепленная на каркасе, телекамера, отличающееся тем, что вибратор приводится в действие электромагнитными волнами, создаваемыми электродвигателем, причем положение вибратора меняется с помощью позиционного стола в одной плоскости в двух направлениях.
На фиг. 1 обозначены объемное изображение и виды устройства в различных плоскостях сечения. Приняты обозначения: 1 - основание; 2 - каркас; 3 - пластина; 4 - телекамера; 5 - манипулятор.
Два вида вертикальной проекции установки (вид А и В) приведены на фиг. 2 а, б, где дополнительно показаны, помимо выше приведенных, следующие элементы: 6 - вибратор; 7 - позиционный стол.
Способ основан на испытаниях наносимого изоляционного покрытия на упругую пластину, которая может возбуждаться за счет приложения точечного вибратора, создающего пространственное поле стоячих волн, а при определенных условиях и смену состояния общей картины и взаимодействий с источником вибраций.
Нанесенное для испытания на долговечность изоляционное покрытие (определенного химического состава, толщины и технологии нанесения) после проведения соответствующих подготовительных работ подвергается действию вибрационных полей.
Сущность способа оценки надежности заключается в определении срока службы покрытия при многократных знакопеременных возмущениях, воспринимаемых пленкой, контактирующей с поверхностью, по которой распространяются волны деформации или составляют некоторую сменяемую последовательность фигур (фигуры Хладни).
Способ оценки надежности изоляционного покрытия осуществляется следующим образом. На массивном основании 1 закрепляют каркас 2, внутри которого устанавливают позиционный стол 7, на котором располагают вибратор 6, с помощью которого создают колебания пластины 3. С помощью телекамеры 4 наблюдают за состоянием изоляции на пластине 3 на локальном участке, затем перемещают телекамеру 4 с помощью манипулятора 5, а пластину 3 - на позиционном столе 7 для исследования следующего участка.
Способ реализован с помощью устройства, которое работает следующим образом. На основании 1 располагается каркас 2, в котором устанавливается позиционный стол 7, который позволяет совершать движения в двух направлениях (фиг. 2 а, б). На позиционном столе 7 устанавливается вибратор 6, который передает колебания пластине 3, которая жестко закрепляется на каркас 2 (Крепления обозначены знаком «+»). Пластина 3 обработана изоляционным покрытием. С помощью телекамеры 4 выполняется наблюдение динамического состояния пластины 3. Положение телекамеры 4 управляется манипулятором 5, позволяющим регулировать положение камеры в поступательном и вращательном движениях.