Разработка цифрового прибора контроля коммутации тяговых электродвигателей подвижного состава

У не совсем искущенного исследователя, вероятно, возникнет вопрос - зачем мы переходим в другую парадигму, если ничего в чистом виде нельзя наблюдать. Ответ на это «немой» вопрос такой. Во-первых, мы учли только продольную, шпальную неравноупру-гость железнодорожного пути, но хорошо известно из работ ученых ДИИТа, что имеются и другие длины скрытых периодичностей в спектральной плотности жесткости пути и по величине они гораздо больше междушпального расстояния. Следовательно, на них могут среагировать как кузов, так и тележка экипажа. Во-вторых, нельзя забывать о том, что продольная, шпальная неравноупругость железнодорожного пути создает аддитивное возмущение в правой части (это - переносные ускорения соответствующих частей экипажа).

Кроме того, в зонах простых параметрических колебаний обычно возможно возникновение и развитие явления взаимодействия параметрически возбуждаемых и чисто вынужденных колебаний (в рассматриваемом случае внешнее возмущение обязано содержать скрытую периодичность с длиной волны, равной, например, двум междушпальным расстояниям).

Таким образом, остаются пока неразрешенными две проблемы - это исследование влияния продольной неравноупругости железнодорожного пути на случайное возмущение, действующее со стороны пути на колесные пары (прохождение геометрических неровностей). Конечно же, математической моделью такой задачи является система дифференциальных уравнений (17), когда в правой части отсутствует аддитивное возмущение от продольной неравноупругости пути. Вторая из них: необходимо, на наш взгляд, нормировать продольную неравноупругость пути, как это уже сделано для геометрической неровности, где нормируется градиент. Математическая модель для решения данного вопроса также выводится из системы дифференциальных уравнений (17) при условии, что геометрических неровностей на пути нет. Напоминаем, что хотя исходная математическая модель является параметрической, она остается линейной и для нее справедлив принцип суперпозиции.

Кроме того, развитие данной области исследований требует учета изложенного выше, что в конечном счете позволит оценить границы применения и погрешности ныне используемых математических моделей.

Список литературы

1. Нехаев, В. А. Неравноупругость железнодорожного пути как возмущающий фактор [Текст] / В. А. Нехаев, Р. Д. Сабиров // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2013. - № 3. - С. 42 - 54.

2. Нехаев, В. А. Особенности составления математической модели условной двухосной тележки, движущейся по неравноупругому железнодорожному пути в продольном направлении [Текст] / В. А. Нехаев, Р. Д. Сабиров // Материалы II всерос. конф. с междунар. участием «Технологическое обеспечение ремонта и повышение качества подвижного состава» / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2013. - С. 185 - 191.

3. Нехаев, В. А. Взаимодействие экипажа с квазиинвариантной системой подвешивания и неравноупругого по протяженности пути [Текст] / В. А. Нехаев: Дис.. канд. техн. наук. -Омск, 1983. - 217 с.

4. Болотин, В. В. Динамическая устойчивость упругих систем [Текст] / В. В. Болотин / ГИТТЛ. - М., 1956. - 600 с.

5. Понтрягин, Л. С. Обыкновенные дифференциальные уравнения [Текст] /Л. С. Понтря-гин. - М.: Наука, 1970. - 332 с.

6. Смирнов, В. И. Курс высшей математики: В 5 т. [Текст] / В. И. Смирнов. - М.: Наука, 1974. - Т. 2. - 656 с.

7. Диментберг, М. Ф. Случайные процессы в динамических системах с переменными параметрами [Текст] / М. Ф. Диментберг. - М.: Наука, 1989. - 176 с.

8. Пахомов, М. П. Исследование вертикальных колебаний и воздействия электровозов на путь [Текст] / М. П. Пахомов: Дис... доктора техн. наук. - М., 1958. - 311 с.

52 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 2(30) 2017

1

9. Панькин, Н. А. Колебательные движения экипажей при параметрическом стохастическом возмущении [Текст] / Н. А. Панькин, И. М. Стесин, В. П. Ценов // Вестник ВНИИЖТа. -М. - № 1. - 1978. - С. 27 - 30.

10. Гавриленко, А. К. Планирование подъемочного ремонта и планово-предупредительной выправки железнодорожного пути с учетом критерия неравноупругости [Текст] / А. К. Гавриленко: Дис... канд. техн. наук. - Екатеринбург, 2007. - 121 с.

11. Привалов, С. В. Влияние жесткости подрельсового основания на взаимодействие экипажа и пути [Текст] / С. В. Привалов: Дис... канд. техн. наук. - М., 2004. - 118 с.

12. Курган, Д. Н. К решению задач расчета пути на прочность с учетом неравноупруго-сти подрельсового основания [Текст] / Д. Н. Курган. https://cyberleninka.ru/article/n/k-resheniyu-zadach-rascheta-puti-na-prochnost-s-uchetom-neravnouprugosti-podrelsovogo-osnovaniya

13 Болотин, В. В. Случайные колебания упругих систем [Текст] / В. В. Болотин. - М.: Наука, 1979. - 336 с.

14. Вибрации в технике: Справочник: В 6 т. / Под ред. В. Н. Челомея. - М.: Машиностроение, 1978. - Т.1. Колебания линейных систем / Под ред. В. В. Болотина. 1978. - 352 с.

References

1. Nekhaev V. A., Sabirov R. D. Non-elasticity of the railway track as a disturbing factor [Neravnouprugost' zheleznodorozhnogo puti kak vozmushchaiushchii faktor]. Izvestiia Transsiba -The journal of Transsib Railway Studies, 2013, no. 3, pp. 42 - 54.

2. Nekhaev V. A., Sabirov R. D. Features of the compilation of a mathematical model of a conditional biaxial trolley moving along an unequal-elastic railway track in the longitudinal direction [Osobennosti sostavleniia matematicheskoi modeli uslovnoi dvukhosnoi telezhki, dvizhushcheisia po neravnouprugomu zheleznodorozhnomu puti v prodol'nom napravlenii]. Materialy II vse-rossiyskoy konferencii «Tekhnologicheskoe obespechenie remonta i povyshenie kachestva podvizhnogo sostava» - Proceedings of the II All-Russian Conference «Technological maintenance of repair and improvement of quality of a rolling stock». - Omsk, 2013, pp. 185 - 191.

3. Nekhaev V. A. Vzaimodeistvie ekipazha s kvaziinvariantnoi sistemoi podveshivaniia i neravnouprugogo po protiazhennosti puti (Interaction of a crew with a quasi-invariant suspension system and a non-uniformly elastic path length). PhD thesis, Omsk, OSTU, 1983, 217 p.

4. Bolotin V. V. Dinamicheskaia ustoichivost' uprugikh sistem (Dynamic stability of elastic systems). Moscow: GITTL, 1956, 600 p.

5. Pontriagin L. S. Obyknovennye differentsial'nye uravneniia (Ordinary differential equations). Moscow: Nauka, 1970, 332 p.

6. Smirnov V. I. Kurs vysshei matematiki (The course of higher mathematics). Moscow: Nauka, 1974, 656 p.

7. Dimentberg M. F. Sluchainye protsessy v dinamicheskikh sistemakh s peremennymi pa-rametrami (Random processes in dynamical systems with variable parameters). Moscow: Nauka, 1989, 176 p.

8. Pakhomov M. P. Issledovanie vertikal'nykh kolebanii i vozdeistviia elektrovozov na put' (Investigation of vertical oscillations and the impact of electric locomotives on the path). Doctor's thesis, Moscow, 1958, 311 p.

9. Pan'kin N. A., Stesin I. M., Tsenov V. P. Oscillatory motion of crews under a parametric stochastic perturbation [Kolebatel'nye dvizheniia ekipazhei pri parametricheskom stokhastiche-skom vozmushchenii]. Vestnik VNIIZhT- Vestnik VNIIZhT, 1978, no. 1, pp. 27 - 30.

10. Gavrilenko A. K. Planirovanie pod"emochnogo remonta i planovo-predupreditel'noi vypravki zheleznodorozhnogo puti s uchetom kriteriia neravnouprugosti (Planning of lifting repair and preventive adjustment of the railway track, taking into account the criterion of non-equal-elasticity). PhD thesis, Ekaterinburg, USTU, 2007, 121 p.

11. Privalov S. V. Vliianie zhestkosti podrel'sovogo osnovaniia na vzaimodeistvie ekipazha i puti (Influence of the rigidity of the under-rail base on the interaction of the crew and the track). PhD thesis, Moscow, 2004, 118 p.

12. Kurgan D. N. K resheniiu zadach raschetaputi naprochnost's uchetom neravnouprugo-sti podrel'sovogo osnovaniia (To solving problems of calculating the path to strength with allowance for the non-equal-elasticity of the under-rail base) https://cyberleninka.ru/article/n7k-resheniyu-zadach-rascheta-puti-na-prochnost-s-uchetom-neravnouprugosti-podrelsovogo-osnovaniya

13. Bolotin V. V. Sluchainye kolebaniia uprugikh sistem (Random oscillations of elastic systems). Moscow: Nauka, 1979, 336 p.

14. Chelomei V. N. Vibratsii v tekhnike. Kolebaniia lineinykh sistem (Vibration in engineering). Moscow: Mashinostroenie, 1978, 352 p.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Николаев Виктор Александрович

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).

Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.

Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Теоретическая механика», ОмГУПС. Тел.: +7 (3812) 37-60-82. E-mail: NikolaevVA@omgups.ru

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Nikolaev Viktor Aleksandrivich

Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russiаn Federation. Doctor of Technical Sciences, Professor, leader of the department «Theoretical Mechanics», OSTU. Phone: +7 (3812) 37-60-82. E-mail: NikolaevVA@omgups.ru

Нехаев Виктор Алексеевич

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).

Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.

Доктор технических наук, профессор кафедры «Теоретическая механика», ОмГУПС.

Тел.: +7 (3812) 37-60-82.

E-mail: NehaevVA@omgups.ru

БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ

Нехаев, В. А. О парадигме математических моделей динамики подвижного состава и их устойчивости [Текст] / В. А. Нехаев, В. А. Николаев // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. -Омск. - 2017. - № 2 (30). - С. 42 - 54.

Nekhaev Viktor Alekseevich

Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russiаn Federation. Doctor of Technical Sciences, Professor of the department «Theoretical Mechanics», OSTU. Phone: +7 (3812) 37-60-82. E-mail: NehaevVA@omgups.ru

BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION

Nehaev V. А, Nikolaev V. A. On the paradigm of mathematical models of rolling stock dynamics and stainability of them Journal of Transsib Railway Studies, 2017, vol. 30, no. 2, pp. 42 - 54 (In Russian).

УДК 629.423.31; 629.4.01

В. В. Харламов, Д. И. Попов, А. И. Стретенцев

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация,

РАЗРАБОТКА ЦИФРОВОГО ПРИБОРА КОНТРОЛЯ КОММУТАЦИИ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Аннотация. В статье сформулированы основные требования к цифровому прибору контроля коммутации тяговых электродвигателей подвижного состава и приведены результаты разработки и апробирования данного устройства на испытательном стенде. Обоснована целесообразность применения входного фильтра верхних частот при питании испытуемого тягового двигателя от тиристорного преобразователя. Описана методика обработки диагностического сигнала с разнополярных щеток с целью фильтрации помех различной физической природы.

54 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 2(30) 2017

1

Ключевые слова: коммутация, тяговый электродвигатель, подвижной состав, диагностирование, разно-полярные щетки, микроконтроллер, обработка сигнала.

Victor V. Kharlamov, Denis I. Popov, Andrey I. Stretentsev

Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation

DEVELOPMENT OF RAILWAY TRACTION MOTORS COMMUTATION CONTROL

DIGITAL DEVICE

Abstract. The article presents the main requirements for the development of traction motors commutation control digital device and the results of the development and testing of this device on the test bench. Justified the expediency of application of the input highpass filter when the power of the testing traction engine from the thyristor converter. Presented the technique of processing the diagnostic signal from bipolar brushes to filter out noise of different physical nature.

Keywords: commutation, traction motor, rolling stock, diagnosis, bipolar brush, microcontroller, signal processing.

В процессе диагностирования тяговых электродвигателей (ТЭД) подвижного состава железных дорог важной проблемой является потеря информации, связанной с обработкой диагностического сигнала. Как правило, исходный диагностический сигнал подвергается нескольким ступеням обработки. При этом на каждой ступени обработки сигнал претерпевает искажения, связанные с особенностями работы элементов электронных схем.

Не менее важным вопросом является способ фильтрации сигнала от помех различного рода, обусловленных внешними магнитными полями, генерацией помех самой электронной схемой, которая его обрабатывает, а также формой напряжения питания испытуемого ТЭД. При этом, как правило, при деповских испытаниях ТЭД используются тиристорные источники питания, вносящие значительные помехи.

Таким образом, решение задачи уменьшения количества ступеней преобразования сигнала и рационального подбора способа и алгоритмов его обработки позволит повысить достоверность диагностирования ТЭД.

Решения поставленной задачи можно добиться путем применения в известном приборе контроля коммутации (ПКК) [1] системы, позволяющей произвести оцифровку диагностического сигнала и его последующую математическую обработку наиболее приемлемым способом.

Для целей цифровой обработки сигналов в зависимости от требований, предъявляемых к устройству, в большинстве случаев применяют либо стационарные персональные ЭВМ, либо встраиваемые системы и микроконтроллеры. К недостаткам систем, построенных на базе микроконтроллеров, можно отнести низкую производительность по сравнению с персональными компьютерами (ПК). Этот недостаток компенсируется мобильностью и низким энергопотреблением таких систем. Выбор в пользу мобильности позволит производить диагностирование тяговых электродвигателей непосредственно в эксплуатации, что значительно ускоряет процесс постановки диагноза. Кроме того, современные микроконтроллеры обладают достаточной производительностью для решения широкого спектра задач цифровой обработки сигналов.

Наличие встроенного в микроконтроллер аналого-цифорового преобразователя (АЦП) упрощает задачу разработки прибора контроля коммутации, так как не требуется интерфейс взаимодействия между микроконтроллером и АЦП, а следовательно, нет необходимости заниматься его разводкой на плате.

При выборе частоты дискретизации АЦП нужно задаться приемлемым количеством измерений на минимально значимом по длительности импульсе искрения. Длительность импульсов напряжения дуговых разрядов тяговых электрических машин варьируется в преде-

лах от единиц до сотен микросекунд [2]. При регистрации импульса в 1 мкс зададимся десятью измерениями. При таких параметрах период дискретизации должен составлять 100 нс.

Следующим немаловажным критерием выбора микроконтроллера является его возможность цифровой обработки сигналов. Здесь следует отдать предпочтение микроконтроллерам со специальным набором инструкций, который содержит типовые операции, используемые при обработке массивов оцифрованных значений аналогового сигнала. Скорость математических расчетов зависит также от наличия аппаратной поддержки вычислений чисел с плавающей запятой, поэтому приоритетными являются устройства с поддержкой набора операций над числами с плавающей запятой и 32-разрядной архитектурой.

В целях статистической обработки необходимо хранить и обрабатывать одновременно выборку сигнала за несколько оборотов якоря, поэтому нужно иметь достаточный для этого объем оперативной памяти. Чтобы определить объем оперативной памяти, необходимой для хранения выборки сигнала, нужно знать продолжительность измерения и разрядность АЦП. Частота вращения тяговых электродвигателей в часовом режиме составляет порядка 700 -800 об/мин. Например, для хранения выборки четырех оборотов в часовом режиме при разрядности АЦП 12 бит и частоте дискретизации 10 МГц потребуется 6,8 Мбайт оперативной памяти. Скорость обработки крупных массивов данных во многом зависит от скорости обмена информацией между АЦП, оперативной памятью и процессором, поэтому предпочтительны микроконтроллеры с наличием встроенного контроллера прямого доступа к памяти.

Автономность устройства подразумевает наличие в его составе помимо собственного источника питания средств ввода-вывода информации, а также энергонезависимого запоминающего устройства для сохранения результатов диагностирования. В качестве внешнего энергонезависимого накопителя информации предпочтительнее использовать SD-карты, которые имеют большой объем памяти и собственный контроллер памяти при малых габаритах самой карты, а также могут быть легко извлечены из устройства для передачи данных на ПК.

Для того чтобы использовать прибор при контроле коммутации ТЭД без дополнительных инструментов, таких как осциллограф, важно предусмотреть возможность отображения графической информации об оцифрованном сигнале, поэтому микроконтроллер должен иметь интерфейс связи с контроллером графического дисплея. В лучшем случае микроконтроллер должен иметь встроенный контроллер графического дисплея, что позволяет упростить разработку печатной платы и сократить количество элементов в схеме. Ввод управляющей информации можно организовать, задействовав готовый дисплейный модуль с сенсорной панелью. В таком случае достигается максимальная эргономичность и компактность прибора за счет сокращения площади панели управления до размеров дисплейного модуля.

В итоге добавлены следующие требования к микроконтроллеру для цифрового прибора контроля коммутации (МПКК) ТЭД: наличие интерфейса взаимодействия с SD-картами; наличие интерфейса взаимодействия с контроллером графического дисплея (либо наличие встроенного контроллера графического дисплея); наличие периферийных последовательных интерфейсов (SPI, I2C) для взаимодействия с контроллером сенсорной панели; наличие USB-интерфейса для связи с ПК.

На основании описанных требований был выбран микроконтроллер STM32F746NG фирмы STMicroelectronics. Краткое описание технических характеристик выбранного микроконтроллера [3]:

32-разрядный процессор Cortex-M7 с поддержкой однотактных операций над числами с плавающей запятой одинарной точности, набором команд для цифровой обработки сигналов (ЦОС) и максимальной тактовой частотой 216 МГц;

1 Мбайт Flash памяти программ, 320 кбайт статической оперативной памяти;

контроллер графического дисплея стандарта XGA со встроенным контроллером прямого доступа к памяти;

56 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 2(30) 2017

1

32-битный контроллер внешней оперативной памяти;

три 12-разрядных АЦП с максимальной частотой дискретизации 7,2 МГц (10 МГц при разрядности 8 бит);

два 8-канальных контроллера прямого доступа к памяти;

интерфейсы: I2C - 4 шт., УСАПП - 4 шт., SPI - 6 шт., SDMMC, HDMI, USB 2.0 HS, USB 2.0 FS и др.

Максимальная частота дискретизации АЦП, как указано в документации, менее 10 МГц, но благодаря системе делителей тактовой частоты микроконтроллера есть возможность запустить АЦП при повышенной частоте дискретизации, но с меньшим разрешением - 8 бит.

Дополнительным преимуществом в выборе микроконтроллера стало наличие большого количества демонстрационных отладочных плат для микроконтроллеров фирмы STMicroe-lectronics, а в частности, для выбранного STM32F746NG. Отладочная плата STM32F746G-DISCO содержит в своем составе дисплейный модуль с емкостной сенсорной панелью и микросхему синхронной динамической оперативной памяти объемом 8 Мбайт [3].

При большом объеме испытаний тяговых электродвигателей подвижного состава оценку состояния коммутации целесообразно осуществлять по сигналу с разнополярных щеток. Данный метод измерений прост, эффективен в условиях массового производства, не требует каких-либо первичных преобразователей и позволяет осуществлять оценку интенсивности искрения раздельно от пере- и недокоммутированных секций якорной обмотки испытуемой машины [4].

Однако сигнал с разнополярных щеток содержит не только импульсы напряжения дуговых разрядов, но и другие составляющие, которые не несут полезной информации о процессе коммутации. Во-первых, высоковольтная постоянная составляющая напряжения питания, попадание которой на измерительную схему может привести к выходу последней из строя. Во-вторых, если питание электродвигателя осуществляется от тиристорного преобразователя (ТП), то переменная составляющая сигнала содержит импульсные помехи с частотой 300 Гц, амплитуда которых в несколько раз выше амплитуды импульсов напряжения дуговых разрядов. В-третьих, наличие низкочастотных оборотных, полюсных и зубцовых пульсаций напряжения [2].

Постоянную составляющую напряжения питания можно исключить с помощью разделительного конденсатора. Период импульсных помех тиристорного преобразователя T2 является большим по сравнению с периодом импульсов дуговых разрядов Tx, поэтому можно предположить, что такую помеху можно ослабить путем цифровой фильтрации сигнала. Однако в случае оцифровки сигнала с тиристорными импульсами число квантов АЦП n1 , приходящихся на импульс дугового разряда, оказывается значительно меньшим, чем число квантов n2 , приходящихся на тиристорный импульс (рисунок 1, а). И после цифровой фильтрации размах сигнала n' оказывается в значительно меньшем диапазоне значений, чем полный диапазон АЦП N (рисунок 1, б), т. е. теряется достаточно большой объем диагностической информации. Чтобы минимизировать потери информации при ЦОС, нужно уравнять напряжения тиристорных и дуговых импульсов до оцифровки сигнала, применив аналоговый фильтр верхних частот (ФВЧ).

Таким образом, для разрабатываемого прибора реализован активный фильтр верхних частот второго порядка по схеме фильтра Чебышева. Частота среза фильтра fc выбрана равной

700 Гц по методике, предложенной в монографии [2, с. 107 - 113]. Такая частота среза обеспечивает затухание низкочастотных пульсаций и помех ТП, но при этом не оказывает значительного влияния на импульсы напряжения дуговых разрядов. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) фильтра представлена на рисунке 2.

Уровень высокочастотных помех, находящихся в области выше частоты Найквиста (5 МГц), является достаточно низким по сравнению с полезным сигналом, поэтому этими помехами можно пренебречь.

255

127

255

127

1

и 1 п 1 N 1

Т1 м-— 1

Т2 1

15

0

а б

Рисунок 1 - Оцифрованный сигнал: а - без обработки; б - после цифрового фильтра верхних частот

3 дБ

10 102 103 104 105 106 Гц 108

f -»

Рисунок 2 - Амплитудно-частотная характеристика ФВЧ второго порядка

Блок-схема разработанного устройства МПКК представлена на рисунке 3.

Сигнал от разноплярных щеток поступает на входное устройство (ВУ), которое представляет собой два разделительных конденсатора и резистивный делитель напряжения. Переменная составляющая сигнала через ФВЧ попадает на масштабирующее устройство (МУ), предназначенное для смещения нулевой точки сигнала и приведения его к диапазону АЦП от 0 до 3 В. Сигнал оцифровывается при частоте дискретизации 10 МГц и разрядности 8 бит и сохраняется в синхронной динамической оперативной памяти (СДОЗУ) до момента обработки. После ввода параметров обработки сигнала и подачи соответствующей управляющей

№ 2(30) 2017

0

0

г

г

1

команды с помощью сенсорной панели сохраненная выборка обрабатывается микроконтроллером. Результат обработки выводится на дисплей и может быть сохранен на цБВ-карте или передан на ПК через ИББ-порт. Блок питания (БП) преобразует напряжение двух аккумуляторных батарей и осуществляет питание всего устройства.

Рисунок 3 - Блок-схема МПКК

Качество коммутации определяет надежность коллекторно-щеточного узла, следовательно, и оценка искрения должна быть связана с надежностью его работы. При этом диагностический сигнал должен иметь функциональную связь с процессами износа щеток и коллектора, а параметры сигнала должны достаточно просто измеряться в процессе испытаний ТЭД.

Оценка качества коммутации, определяемая интенсивностью износа контактной пары, как и любая диагностическая задача, должна осуществляться путем измерения параметра, характеризующего исследуемый процесс, и сравнения его с эталонным значением. Износ контактной пары зависит от количества электричества, прошедшего через дугу [5]:

а = 1;

^ = т

\и д &.

где /р - ток разрыва коммутируемой секции, А;

Тд - длительность импульса дугового разряда, с;

Тр - индуктивность коммутируемой секции, Гн;

ид - напряжение импульса дугового разряда, В.

С учетом того, что ток в дуге спадает до нуля по линейному закону, значение, полученное путем интегрирования выражений (1) и (2), прямо пропорционально количеству электричества 0д, прошедшему при дуговом разряде через контактную пару «щетка - коллектор» [2, 6]:

1

Qд

и!

2ЬР

где ид - среднее значение напряжения импульса дугового разряда, В.

Поэтому для определения интенсивности импульсов дуговых разрядов при ЦОС достаточно просто реализуется расчет площади под кривой напряжения импульса. При этом учитывается не только длительность импульсов тд, но и их напряжение ид .

Разработанный прибор МПКК применен для оценки состояния коммутации двигателя постоянного тока П31М, входящего в состав экспериментального стенда для испытания электрических машин методом взаимной нагрузки.

На рисунке 4 представлен участок оцифрованного массива, на котором отмечены один период импульсов дуговых разрядов Т и длительность т1 и т2 двух соседних импульсов дуговых разрядов при питании машины от генератора постоянного тока и частоте вращения 3049 об/мин.

120

о.е.

40-

и

-401

и- 4 1с Т1 н

Л Л

т 1

1.9

2.1

2.3

2.9

МС

3.3

г

Рисунок 4 - Сигнал с разнополярных щеток испытуемого двигателя при питании от генератора постоянного тока

Кроме импульсов дуговых разрядов в сигнале присутствуют высокочастотные помехи. Отфильтровать такие помехи с помощью фильтра нижних частот не представляется возможным, так как диапазон частот этих помех пересекается с диапазоном частот импульсов дуговых разрядов. Для исключения данных помех из диагностического сигнала используют такой параметр, как напряжение селекции ис, с которым сравнивается текущее значение сигнала.

Если текущее значение ниже напряжения селекции, то оно не учитывается при подсчете результата. Напряжение селекции зависит от типа испытуемой машины и задается оператором во время калибровки прибора. На рисунке 4 заливкой выделена площадь, которая будет учитываться при данном уровне Ис. Таким образом, интенсивность искрения щеток Ак к-го оборота двигателя, определяемая количеством электричества Q, рассчитывается по формуле:

60 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 2(30) 2017

1

А = N  £ х,

где хI - значение /-го отсчета выборки к-го оборота, удовлетворяющее условию х^ > ис; N - количество отсчетов х{ за к-й оборот.

После расчета интенсивности Ак для каждого оборота остается только получить среднее

арифметическое полученных значений А, которое показывает среднюю интенсивность искрения по коллектору:

1 м

М£ Ак

где м - число оборотов в общей выборке.

Питание диагностируемого тягового электродвигателя от ТП требует внесения корректив в алгоритм работы прибора контроля коммутации, так как импульсы ТП оказываются выше напряжения селекции и могут быть ошибочно учтены при подсчете результата как импульсы дуговых разрядов.

На рисунке 5 представлен участок оцифрованного массива при питании испытуемой машины от ТП и частоте вращения 3012 об/мин. На графике обозначены Тти1 и Ттп2 - длительность двух соседних импульсов тиристорной помехи, Ттп - период импульсов тири-

сторного преобразователя. Из рисунка видно, что импульсы тиристорной помехи имеют большую длительность и амплитуду, чем импульсы напряжения дуговых разрядов. Этим можно воспользоваться для разработки методики исключения влияния тиристорной помехи на результат диагностирования.

Рисунок 5 - Сигнал с разнополярных щеток испытуемого двигателя при питании от тиристорного преобразователя

Зная период следования импульсной помехи, можно определить ее фазу путем умножения исходной выборки на прямоугольную оконную функцию единичной амплитуды. Сдвигая оконную функцию от начала до конца периода Ттп с шагом, равным одному отсчету,

нужно суммировать значения отсчетов, попавших в окно, и сохранять суммы для каждого шага окна:

/=0

S = I xl+J при i = ^,^ +1,^ + 2,...ТШ + ^

j=0 2 2 2 2

где xi+j - i + j отсчет выборки;

Т0 - ширина окна, с.

После этого необходимо сравнить полученные суммы Si и выявить наибольшую, индекс которой и будет указывать на местонахождение импульса помехи в периоде Ттп. Для увеличения точности можно находить сумму сразу для нескольких периодов импульсов помехи.

Следует обратить внимание на то, что длительность тиристорной помехи может колебаться от периода к периоду (ттп1 ФТтп2). После проведения измерений была установлена средняя длительность импульса тиристорного преобразователя, равная 800 мкс. При подсчете интенсивности искрения эти участки должны исключаться в каждом периоде Ттп, из-за

чего попавшие на данный участок импульсы дуговых разрядов не будут учтены. Это вносит некоторую погрешность в результат. На рисунке 5 импульсы под номерами 1, 3 и 4 будут учтены при подсчете интенсивности искрения, а импульс под номером 2, который совпал с тиристорной помехой, не будет учтен. Импульс под номером 5 значительно смещен относительно нулевого потенциала, поэтому при суммировании не вся его площадь попадет в результат.

Представленный метод измерения интенсивности искрения при питании электродвигателя от ТП имеет два недостатка:

1) не учитываются импульсы дуговых разрядов, совпавшие с импульсами тиристорного преобразователя;

2) площадь импульсов дуговых разрядов, смещенных относительно нулевого потенциала, учитывается некорректно.

Однако данные недостатки не связаны с применением цифровой обработки сигнала, а присущи также и устройствам с аналоговой обработкой сигнала.

При частоте следования импульсов дуговых разрядов, кратной частоте следования импульсов ТП, погрешность, связанная с первым недостатком, зависит от сдвига фазы импульсов дуговых разрядов относительно импульсов ТП. Устранение данной погрешности возможно при таком рассогласовании частоты ТП /тп и частоты вращения якоря и/60, когда за время оцифровки сигнала T фазовый сдвиг между импульсами ТП и импульсами искрения изменяется на величину периода следования импульсов искрения Тд, т. е. выполняется условие [7]

T = Т

где п' - требуемая частота вращения, об/мин;

п - текущая частота вращения, об/мин.

Следует отметить, что при аналоговой обработке сигнала для исключения влияния тиристорной помехи на результат диагностирования, как правило, применяют опорный сигнал напряжения из сети, что приводит к увеличению подключаемых кабелей и усложнению схемы испытаний, усложнению монтажных и отладочных работ и увеличению количества преобразователей сигнала в составе ПКК. Следовательно, применение ЦОС позволяет избавиться от всех указанных недостатков.

Таким образом, применение прибора контроля коммутации на базе микроконтроллера с ЦОС позволяет получить следующие практически значимые результаты:

ИЗВЕСТИЯ Транссиба

№ 2(30) 2017

n

1

n

62

повысить достоверность диагностирования состояния коммутации тяговых двигателей постоянного тока за счет уменьшения количества аналоговых преобразований диагностического сигнала и более точного учета количества электричества, прошедшего при дуговых разрядах между щеткой и коллектором;

повысить мобильность и эргономичность диагностического устройства;

упростить работу оператора по настройке, калибровке и проведению диагностических операций.

Представленный в данной работе подход может быть применен для определения параметров разрабатываемого прибора контроля коммутации тяговых двигателей электровозов подвижного состава.

Список литературы

1. Харламов, В. В. Диагностирование состояния коммутации коллекторных электродвигателей с использованием прибора ПКК-5М [Текст] / В. В. Харламов, П. К. Шкодун, А. П. Афонин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2011. -№ 3 (7). - С. 52 - 57.

2. Харламов, В. В. Методы и средства диагностирования технического состояния коллек-торно-щеточного узла тяговых электродвигателей и других коллекторных машин постоянного тока: Монография [Текст] / В. В. Харламов. - Омск, 2002. - 233 с.

3. STM32F746NG - High-performance and DSP with FPU, ARM Cortex-M7 MCU with 1 Mbyte Flash, 216 MHz CPU, Art Accelerator, L1 cache, SDRAM, TFT - STMicroelectronics [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.st.com/content/st_com/en/products/microcon trollers/stm32-32-bit-arm-cortex-mcus/stm32f7-series/stm32f7x6/stm32f746ng.html

4. Карасев, М. Ф. Оценка искрения и контроль качества коллекторов электрических машин [Текст] / М. Ф. Карасев, В. П. Суворов / Известия вузов. Электромеханика. - 1962. -№ 7. - С. 818 - 823.

5. Хольм Р. Электрические контакты [Текст] / Р. Хольм. - М.: Иностранная литература, 1961. - 464 с.

6. Стрельбицкий, Э. К. Износ коллекторов машин постоянного тока коммутационным искрением и расчет долговечности коллекторов [Текст] / Э. К. Стрельбицкий, В. С. Стукач, А. Я. Цирулик // Известия Томского ордена Трудового Красного Знамени политехн. ин-та им. С. М. Кирова / Томский политехн. ин-т. - Томск, 1970. - С. 111 - 115.

7. Харламов, В. В. Оценка качества работы коллекторно-щеточного узла машин постоянного тока инструментальными методами [Текст] / В. В. Харламов: Дис... канд. техн. наук: 05.09.01. - Томск, 1990. - 254 с.

References

1. Kharlamov V. V., Shkodun P. K., Afonin A. P. Application device PKK-5M for commutation condition diagnostic of dc motors (Diagnostirovanie sostoiania kommutacii kollektornikh el-ektrodvigatelei s ispolzovaniem pribora PKK-5M). Izvestiia Transsiba - The journal of Transsib Railway Studies, 2011, no. 3 (7), pp. 52 - 57.

2. Kharlamov V. V. Metodi i sredstva diagnostirovaniya tehnicheskogo sostoyania kollektorno-schetochnogo uzla tyagovih electrodvigatalei i drugih kollektornyh mashin postoyannogo toka: monographiya (Methods and means for diagnosing the technical condition of the traction motors collector-brush assembly and other collector DC machines: monograph). Omsk: OSTU, 2002, 233 p.

3. STM32F746NG - High-performance and DSP with FPU, ARM Cortex-M7 MCU with 1 Mbyte Flash, 216 MHz CPU, Art Accelerator, L1 cache, SDRAM, TFT - STMicroelectronics. Access mode: http://www.st.com/content/st_com/en/products/microcontrollers/stm32-32-bit-arm-cortex-mcus/stm32f7-series/stm32f7x6/stm32f746ng.html

4. Karasev M. F., Suvorov V. P. Sparking evaluation and electrical machines commutators quality control (Ocenka iskrenia i control kachestva kollektorov elektricheskih mashin). Izvestia vuzov. Elektromehanika - Izvestiya Vuzov. Electromechanics, 1962, no. 7, pp. 818 - 823.

5. Holm R. Electric contacts (Elektricheskie kontakty). Moscow: Foreign literature, 1961, 464 p.

6. Strelbitski E. K., Stukach V. S., Tsirulik A. I. Sparking wear of DC machines commutator and commutator durability computation (Iznos kollektorov mashin postoiannogo toka kommu-tatsionnym iskreniem I raschet dolgovechnosti kollektorov). Izvestia Tomskogo ordena trudovogo krasnogo znameni politehnicheskogo instituta imeni S. M. Kirova - Proceedings of the Tomsk Order of the Red Banner Institute. Tomsk, 1970, 211, pp.111 - 115.

7. Kharlamov V. V. Otsenka kachestva raboty kollektorno-shetochnogo uzla mashin postoiannogo toka instrumentalnymi metodami (Evaluation of DC machines commutator work quality by instrumental methods). PhD thesis, Tomsk, 1990, 254 p.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

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» ОмГУПСа.

E-mail: emoe@omgups.ru

Kharlamov Victor Vasilyevich

Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation. Doctor of technical science, professor, the head of department «Electrical machines and general electrical engineering» OSTU.

E-mail: emoe@omgups.ru

Попов Денис Игоревич

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).

Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.

Кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрические машины и общая электротехника» ОмГУПСа.

E-mail: Popovomsk@yandex.ru

Popov Denis Igorevich

Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation. PhD, associate professor of the department «Electrical machines and general electrical engineering» OSTU. E-mail: Popovomsk@yandex.ru

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» ОмГУПСа. E-mail: utes.gorniy@yandex.ru

Stretentsev Andrey Igorevich

Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation. Postgraduate of the department «Electrical machines and general electrical engineering» OSTU. E-mail: utes.gorniy@yandex.ru

БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ

BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION

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.

Kharlamov V. V., Popov D. I., Stretentsev A. I. Development of traction motors commutation control digital device. Journal of Transsib Railway Studies, 2017, vol. 30, no. 2, pp. 52 - 64. (In Russian).

64 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 2(30) 2017

i