Моделирование теплового состояния тягового электродвигателя для прогнозирования ресурса

Из анализа полученных результатов видно, что КПД по активной мощности в системе асинхронный двигатель - асинхронный генератор равен 87 %, а на покрытие потерь в двигателе и генераторе из сети потребляется не более 13 % активной мощности.

Выводы

1. Предложенная схема испытаний асинхронных машин методом взаимной нагрузки с возбуждением генератора от сети дает возможность су-

щественно экономить электроэнергию в процессе испытания.

2. Разработанная модель схемы испытаний асинхронных машин методом взаимной нагрузки правильно описывает работу двигателей и позволяет исследовать их как в статическом, так и в динамическом режимах.

3. Схема взаимной нагрузки может быть применена не только для послеремонтных испытания АТЭД, но и для испытаний общепромышленных асинхронных машин большой мощности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Щербаков В.Г. Тяговые электродвигатели электровозов. - Новочеркасск: Агентство Наутилус, 1998. - 672 с.: ил.

2. Вольдек А.И. Электрические машины. - Л.: Энергия, 1978. -832 с.: ил.

3. Герман-Галкин С.Г., Карданов Г.А. Электрические машины: Лабораторные работы на ПК. - СПб.: КОРОНА принт, 2003. -256 с.: ил.

4. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в МАТМВ 6.0. - СПб.: КОРОНА принт, 2001. - 320 с.: ил.

5. Находкин М.Д. Проектирование тяговых электрических машин. - М.: Транспорт, 1976. - 624 с.: ил.

УДК 621.313

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕСУРСА

В.В. Щербатов, О.Л. Рапопорт, А.Б. Цукублин

Томский политехнический университет E-mail: shervv@mail.tpu.elti.ru

Разработана тепловая математическая модель для определения установившихся температур всего объема ТЭД, которая может использоваться для прогнозирования ресурса по тепловому состоянию изоляции.

Прогнозирование ресурса тяговых электродвигателей (ТЭД) является актуальной задачей в транспортном электромашиностроении, решение которой позволяет определить срок восстановления ТЭД в зависимости от условий эксплуатации. Ресурс ТЭД количественно определяется совокупностью вероятностных характеристик и параметров, отражающих закономерности возникновения отказов в конкретных условиях эксплуатации.

Возможность решения задачи прогнозирования ресурса ТЭД обуславливается тем обстоятельством, что в большинстве случаев их отказы являются следствием постепенного накапливания повреждений, постепенного старения и изнашивания. Понятие [1] «внезапный отказ» относительно, т.к. скачкообразному изменению параметров технических устройств предшествует постепенное изменение каких-либо физических величин, о которых отсутствует информация.

Оценка ресурса становится прогнозируемой, когда на основе анализа физических процессов, изучения закономерностей, которым подчиняется процесс формирования показателей надежности,

делается предположение о состоянии надежности изделия.

Тяговые электродвигатели относятся к наиболее нагруженному оборудованию электровозов с точки зрения комплексного воздействия на них тепловых, электрических, механических и климатических факторов. Поэтому, несмотря на постоянно проводимые мероприятия конструктивно-технологического характера при изготовлении и ремонте локомотивов, уровень повреждаемости ТЭД в эксплуатации хотя и снижается, но остается довольно высоким [1].

Повреждаемость в эксплуатации составляет около 20 % по порчам и 30 % по числу заходов на внеплановый ремонт от соответствующих видов отказов по всему оборудованию электровозов. Устранение отказов, а также плановые регламентные ремонтно-восстановительные работы и текущее обслуживание щеточно-коллекторного узла, изоляционных конструкций и подшипниковых узлов составляют основную долю затрат по содержанию тяговых двигателей в эксплуатации.

Статистика отказов по локомотивному депо ст. Тайга (журнал учета) показывает, что наиболее

часто двигатели попадают в ремонт по следующим причинам:

• пробой изоляции и межвитковые замыкания обмотки якоря - 16...25 %;

• пробой изоляции и межвитковые замыкания главных и дополнительных полюсов и компенсационной обмотки - 12.16 %;

• нарушение коммутации (круговой огонь) -8.16 %;

• повреждение якорных подшипников - 14.16%;

• нарушение распайки соединений обмотки якоря в петушках коллектора - 5.6 %.

Для решения задачи прогнозирования ресурса необходимо создание математической модели, которая описывает закономерности изменения свойств материалов основных узлов тягового электродвигателя. Как видно из статистики отказов, основной вид повреждения ТЭД - это пробой изоляции (до 40 %), поэтому температурный фактор является определяющим для его ресурса. Превышение температуры на 10 °С (для класса изоляции В) снижает ресурс изоляции в два раза. Таким образом, для прогнозирования ресурса ТЭД очень важно иметь объективную информацию о температурном поле во всем его объеме.

В связи с этим система прогнозирования ресурса тягового электродвигателя представляется как совокупность вычислительно-программных средств, в числе которых важное место занимает тепловая математическая модель, позволяющая определить температуру всех частей тягового электродвигателя, и модель, описывающая закономерность изменения свойств изоляции от температуры.

Эта закономерность лучше других поддается количественному учету, поэтому она сравнительно хорошо исследована.

Математическая зависимость ресурса Ь от температуры 3 представлена как Ь=АеВ/3 или ^Ь=А +В/3 где А, В, А', В'- постоянные.

Нагрев также лежит в основе многообразных термохимических, термофизических и термомеханических явлений, которые могут угрожать жизнеспособности конструкции. Опасность немедленного или отсроченного повреждения машины связана не только с уровнем достигнутой температуры, но и с пространственными температурными градиентами, длительностью и частотой температурных воздействий, скоростью нагревания или охлаждения и т.п. Отсюда вытекает необходимость в достоверной и подробной информации о распределении температуры в электрической машине при различных режимах ее работы.

Получение экспериментальной информации требует присутствия в машине средств измерения температуры. Текущие измерения температуры в эксплуатационных режимах выполняются с целью предупреждения аварийных ситуаций и предполагают сопоставление достигнутых температур с пре-

дельно допустимыми безотносительно к параметрам режима.

Подробную информацию о температурном поле машины можно получить теоретическим путем на основе уравнения теплопроводности. Действительно, корректная математическая модель обеспечивает полную картину поля, если имеются надежные сведения о распределении потерь, свойствах материалов и течении охлаждающих агентов.

В задачи теплового расчета входит определение средней температуры активных частей машины, вычисление тепловых потоков между смежными элементами конструкции, т.е. расчет поля температуры в машине для номинального режима работы. Для ТЭД номинальным является продолжительный режим работы. Многочисленные теоретические разработки, применяемый математический аппарат и большое число экспериментальных исследований принципиально позволяют производить тепловой расчет с большой точностью.

Исходными данными для теплового расчета служат: распределение потерь энергии по объему машины, значения физических величин, в первую очередь теплопроводности и теплоемкости, и условий охлаждения на граничных поверхностях.

Для расчета температур активных частей ТЭД используется метод тепловых схем замещения [5], основанный на уравнении теплообмена (закон Фурье):

Ж АЗ ДЗ

P = -

где P - потери энергии; Scp - средняя площадь те-плопередающей поверхности; Я - коэффициент теплопроводности; A3 - падение температуры на длине 5; Rx - тепловое сопротивление данного участка пути теплового потока.

Исходя из того, что обмотки полюсов не оказывают влияние на нагрев якоря [2], предложенные схемы [3-5] для отображения общей картины тепловых процессов объединены в единую, с опорным узлом (общей точкой) по внутреннему воздуху.

Развернутая тепловая схема замещения ТЭД, состоящая из 7 самостоятельных источников тепла, приведена на рис. 1: Р1 - потери в меди главных полюсов; Р12 - потери в меди дополнительных полюсов; Р9 - потери в меди компенсационной обмотки; Р3 - потери в стали полюсного наконечника; Р14 - потери на коллекторе; Р16 - потери в меди якоря; Р18 - потери в стали сердечника якоря.

На рис. 1, рассмотрены пути теплопередачи, представленные тепловыми сопротивлениями: R1 - от меди катушек главного полюса (г.п.) к внутреннему воздуху (в.в.); R2 - от меди катушек г.п. к стали через изоляцию; R3 - от стали г.п. к в.в.; R4 - от стали г.п. к остову; R5 - от меди катушек компенсационной обмотки к полюсу через изоляцию; R6 - от внутренней поверхности остова к в.в.; R7 - от стали дополнительного полюса (д.п.) к ос-

тову; R8 - от наружной поверхности остова к воздуху; R10 - от меди катушек д.п. к полюсу через изоляцию; R11 - от стали д.п. к в.в.; R12 - от меди катушек д.п. к в.в.; R141 - от поверхности коллектора к в.в.; R142 - от пластин коллектора по площади соприкосновения с нажимными конусами кольца и втулки; R143 - от внутренних каналов коллектора к в.в.; R144 - от манжеты коллектора к в.в.; R15 - от меди обмотки якоря с пазовой части на коллектор; R161 - от наружной поверхности лобовых соединений якоря к в.в.; R162 - от обмотко-держателей лобовых соединений якоря к в.в.; R17 - от пазовой изоляции якоря; R181 - от наружной поверхности зубцов якоря к в.в.; R182 - от поверхности вентиляционных каналов якоря к в.в. R13 учитывает среднее превышение температуры воздушного потока внутри машины над температурой окружающего воздуха.

Рис. 1. Развернутая тепловая схема замещения ТЭД

На основании приведенной тепловой схемы составлена система уравнений, представленная ниже в матричной форме и реализованная в среде МАТЬАВ.

Разработанная модель рассчитывает установившиеся температуры узлов ТЭД постоянного тока, учитывает температуру окружающей среды и производительность вентилятора воздушного принудительного охлаждения.

В качестве примера произведен расчет ТЭД ТЛ-2К1 мощностью при длительном режиме 575 кВт с изоляцией обмотки якоря класса В, обмотки возбуждения - Б, установленный на электровозах ВЛ-10. Результаты расчета нагрева обмоток в сравнении с экспериментальными данными [6] приведены в табл. Здесь же приведена погрешность расчета с использованием математической модели.

Таблица. Результаты расчета ТЭД ТЛ-2К1 при номинальном токе 400 А

Участки машины Температура, °С Погрешность, %

Расчетная По [6]

Обмотка якоря 97,65 94 3,74

Обмотка возбуждения 143,74 142 1,2

Обмотка дополнительных полюсов 106,43 102 4,16

Компенсационная обмотка 96,65 93 3,78

Коллектор 62,04 - -

Расхождение результатов расчета с результатами испытаний не превышают 5 %.

Разработанная тепловая модель может применяться для других типов ТЭД и позволяет в кратчайшее время рассчитать установившееся тепловое поле любой машины при введении соответствующих параметров.

Прогнозирование ресурса ТЭД может осуществляться как в процессе его разработки, так и в период эксплуатации. В последнем случае целью прогнозирования является своевременное обнаружение неблагоприятного состояния двигателя и разработка рекомендаций по повышению его ресурса.

Рассмотрим применение алгоритма прогнозирования ресурса ТЭД по тепловому состоянию на примере изоляции якоря ТЭД ТЛ-2К1.

1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 -1 1 1 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0

0 0 0 -1 0 1 -1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 1 0 0 -1 1 0 0 0 0 0 0 0

-1 0 -1 0 0 -1 0 0 -1 0 -1 -1 1 -1 0 -1 0 -1

R1 - R2 - R3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 R3 - R4 0 - R6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 - R3 0 - R5 0 0 0 R9 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 - R10 - R11 R12 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 - R 6 - R7 0 0 0 R11 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 - R 6 0 R8 0 0 0 0 - R13 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 -1 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 -1 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1 1

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 R14 R15 - R16 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 R16 - R17 -R

51 P1

32 P3

33 P9

34 P12

35 0

36 0

37 0

38 0

39 0

310 0

311 0

312 0

313 0

314 P14

315 P16

316 P18

317 0

318 0

Один из материалов корпусной изоляции якоря ТЛ-2К1 - стеклолента толщиной 0,1 мм, теплопроводностью 0,23 Вт/(м-К), уложенная в один слой с перекрытием в половину ширины ленты.

Данная изоляция относится к классу нагрево-стойкости В. При испытаниях образцов данного материала был определен ресурс изоляции, он составляет 20000 ч при 120 °С.

20000

Рис. 2. Иллюстрация расчета прогнозирования ресурса ТЭД по тепловому состоянию

При эксплуатации в результате мониторинга получены данные по максимальным температурам якоря за время работы ТЭД 600 ч, рис. 2.

После обработки данных ресурс изоляции якоря составил 19911 ч при 120 °С. Рисунок наглядно подтверждает правило 10 °С для изоляции класса В.

Данная модель представляет стационарный процесс. Находится наиболее нагретый узел и по его средней температуре делается предположение, что ресурс будет такой, как показывает наклонная линия. После этого производится расчетная корректировка наклона линии и новый прогноз ресурса изоляции.

Задача определения текущих максимальных значений температуры требует создания модели динамического процесса на основе дифференци-ональных уравнений. Для этого необходимы дальнейшие эксперименты и расчеты.

Таким образом, наличие тепловой математической модели позволит реализовать алгоритм прогнозирования ресурса ТЭД на локомотивах. Разработанная тепловая математическая модель позволяет с достаточной точностью рассчитать установившиеся температуры разных узлов ТЭД, определить температуру недоступных для непосредственного измерения частей в период эксплуатации. Это предполагает использование тепловой модели при мониторинге ТЭД с целью прогнозирования ресурса.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Правила ремонта электрических машин электроподвижного состава / Под ред. Е.М. Зубкович. - М.: Транспорт, 1992. - 295 с.

2. Богаенко И.Н. Обобщенные и местные коэффициенты теплоотдачи тяговых двигателей магистральных электровозов // Электричество. - 1966. - № 1. - С. 40-46.

3. Проектирование тяговых электрических машин / Под ред. М.Д. Находкина. - М.: Транспорт, 1976. - 624 с.

4. Сипайлов Г.А., Санников Д.И., Жадан В.А. Тепловые, гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах. - М.: Высшая школа, 1989. - 239 с.

5. Алексеев А.Е. Тяговые электрические машины и преобразователи. - Л.: Энергия, 1967. - 432 с.

6. Электровоз ВЛ10. Руководство по эксплуатации / Под ред. Н.И. Кикнадзе. - М.: Транспорт, 1975. - 326 с.

7. Тяговые двигатели электровозов / Под ред. В.Г. Щербакова. -Новочеркасск: Агентство Наутилус, 1998. - 627 с.

8. Исмаилов Ш.К. Тепловое состояние тяговых и вспомогательных электрических машин электровозов постоянного и переменного тока. - Омск, 2001. - 75 с.