УСТРОЙСТВО ДИАГНОСТИКИ ТЯГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ЭЛЕКТРОВОЗА

Полезная модель относится к электромашиностроению, в частности к системам контроля температуры тяговых электродвигателей постоянного тока (ТЭД) электровозов и тепловозов в процессе эксплуатации (мониторинг).
Защита от перегрузок вращающихся электрических машин предназначена для обеспечения средства предотвращающего значительный перегрев обмоток электрической машины. Исходя из того, что основным видом повреждения является пробой изоляции (до 40%), температурный фактор в основном определяет ресурс ТЭД. Превышение температуры на 10°C (для класса изоляции B) снижает ресурс изоляции в два раза. Таким образом, для прогнозирования ресурса ТЭД очень важно иметь объективную информацию о температуре ТЭД.
Обычно в таких системах защиты используются встроенные датчики температуры обмоток. Чаще всего, в промышленных двигателях для этого используют резистивные датчики температуры, встроенные в статорные обмотки для непосредственной регистрации температуры статорной обмотки. Более сложное оборудование описано в статье "Thermal Tracking-a Rational Approach to Motor Protection," IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol.PAS-93 (Sept.-Oct. 1974), pp. 1335-1344». В статье описано аналоговое реле с конструкцией, основанной на знании тепловой схемы вращающейся машины, и содержащей обратную связь от встроенного датчика температуры. Тепловая модель, которая используется для прогнозирования температуры вращающегося ротора, известна. Эта модель использует известную температуру статора и ток статорной обмотки. Система прогнозирует температуру двигателя и обеспечивает сигнал отключения, если превышены предельные условия.
Известно устройство для автоматического регулирования температуры обмоток электрической машины постоянного тока (РФ №2177669), содержащее математическую модель электрической машины, как теплового объекта, причем на входы блока, содержащего математическую модель, подают сигналы с выходов датчиков тока и напряжения электрической машины, частоты вращения вала электрической машины, частоты вращения вала вентилятора, температуры охлаждающей среды, а также воздействие, корректирующее процесс вычисления значений максимальной локальной температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов. Устройство выполняет вычисление максимальной локальной температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов.
Недостатками указанного устройства являются сложность устройства, заключающаяся в том, для его функционирования необходимо знать падения напряжения на обмотках главных и добавочных полюсов электрической машины. В тяговом двигателе это является большой проблемой из-за невозможности размещения кабелей в пространстве двигателя. Проблемой также является измерение скорости вращения вала двигателя. Кроме того, данное устройство производит вычисление температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов, которая может не соответствовать локальным температурам наиболее нагретых областей, а соответственно, и перегревам. Необходимо иметь тепловую расчетную модель ТЭД для мониторинга теплового состояния двигателя в процессе изменения нагрузки при эксплуатации и прогноза состояния изоляции в наиболее нагреваемых точках.
Известна система тепловой защиты, содержащая электронное моделирующее устройство (RU 21211209), по величине выходного сигнала которого автоматически ступенями изменяется подача воздуха мотор - вентиляторов в системе охлаждения тяговых электродвигателей электровозов. В основу его работы положена аналогия между динамическими процессами нагревания и остывания якорных обмоток электрических машин и процессами заряда и разряда конденсатора в R-C цепи.
Недостатком системы, содержащей это устройство, является то, что вследствие ее разомкнутости, (если рассматривать ее как автоматическую систему регулирования температуры, на вход исполнительно-регулирующего устройства которой подается выходной сигнал электронной модели, а не измеренное значение температуры обмоток тяговых электродвигателей), система имеет большую статическую неравномерность и повышенные затраты электроэнергии на функционирование.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является устройство для мониторинга теплового состояния тягового двигателя при эксплуатации путем определения наиболее нагретой точки тягового электродвигателя с каналом для охлаждающей среды и с вентилятором с управляемым приводом (патент РФ №79840, МПК B60L 11/02, H02H 7/06, оп. 20.01.2009), содержащее датчик температуры охлаждающей среды, установленный на входе канала для охлаждающей среды, вычислительный блок, содержащий математическую модель двигателя, как теплового объекта, на вход которого подают преобразованные сигналы с датчика температуры, установленного на входе канала для охлаждающей среды, отличающееся тем, что в устройство введены датчики температуры, установленные на выходе охлаждающей среды и на корпусе под главным полюсом электродвигателя, соединенные с входом блока преобразования, выход которого присоединен к входу вычислительного блока, содержащего математическую модель, а выход указанного вычислительного блока соединен с системой управления тяговым двигателем, на вход которой по программе вычислительного блока поступают рассчитанные значения максимальных локальных температур самых нагретых точек внутреннего пространства двигателя.
Недостатками указанного устройства являются сложность устройств. Кроме того точность измерения зависит от точности реакции датчика. Так как используется математическая модель, то возникает проблема ее точности в сравнении с реальными процессами, происходящими в двигателе.
Задача полезной модели заключается в создании эффективного и удобного устройства диагностики, а также расширение арсенала систем диагностики электродвигателей переменного тока и связанных с ними механических устройств.
Технический результат изобретения заключается в упрощении устройства за счет установки датчиков в доступных местах с одновременным повышением точности определения локальных наиболее нагретых областей внутреннего пространства двигателя.
Это достигается за счет того, что в устройстве диагностики тягового двигателя электровоза путем определения наиболее нагретой точки, содержащем датчики температуры, установленные на двигателе для измерения выбранных рабочих параметров и соединенные с вычислительным блоком, представляющим собой программно-вычислительный комплекс, согласно полезной модели, в устройство введены волоконно-оптические датчики температуры рабочих параметров двигателя, волоконно-оптическая линия связи, оптический лазерный источник оптического сигнала, анализатор характеристик оптического сигнала, производящего необходимые измерения и передающего их в программно-вычислительный комплекс; при этом программно-вычислительный комплекс состоит из компьютера с соответствующим программным обеспечением, соединенного с датчиками. При этом рабочие параметры включают в себя температурные характеристики двигателя.
На рисунке изображена принципиальная схема измерительного комплекса.
Позиции обозначают: волоконно-оптическая линия связи (1); волоконно-оптический датчик параметров двигателя (2); лазерный источник оптического сигнала (3); анализатор характеристик оптического сигнала (4); компьютер (5).
Устройство диагностики тягового двигателя электровоза состоит из волоконно-оптической линии связи (1), волоконно-оптического датчика параметров двигателя (2), оптического лазерного источника оптического сигнала (3), анализатора характеристик оптического сигнала (4) и компьютера (5) с соответствующим программным обеспечением, соединенного с датчиками.
Устройство работает следующим образом.
Сигнал формируется оптическим лазерным источником оптического сигнала (3), и передается по волоконно-оптической линии (1) в волоконно-оптический датчик параметров двигателя (2), требуемой характеристики двигателя (например - температура). После прохождения волоконно-оптического датчика параметров двигателя (2). параметры оптического сигнала изменяются под действием влияния измеряемых параметров тягового двигателя (например: температуры). Далее по волоконно-оптической линии связи (1) оптический сигнал с измененными параметрами поступает в анализатор характеристик оптического сигнала (4). В анализаторе характеристик оптического сигнала (4) производится сравнение параметров оптического сигнала исходного, полученного от источника, и сигнала полученного после прохождения датчика с изменившимися параметрами. По расхождению параметров оптического сигнала определяют насколько изменился контролируемый (диагностируемый) параметр двигателя (в данном случае температура). Изменения параметров двигателя, после обработки от анализатора характеристик оптического сигнала (4) передаются на компьютер (5), в котором происходит визуализация шкалы контролируемого параметра (шкала температуры двигателя и ее предельные значения).
Преимущества данного устройства состоят в том, что используются современные волоконно-оптические технологии. Данные технологии имеют существенные достоинства:
Устойчивость к агрессивным и горючим средам.
Абсолютная взрыво-пожаробезопасность.
Помехозащищенность.
Многопараметровая чувствительность (один датчик на несколько параметров двигателя).
Высокое быстродействие.
Распределенные измерения (система датчиков в одном протяженном волокне).
Длительные непрерывные измерения (от 25 лет).
Малые габариты (2-5 см.) и малая масса и стоимость.
Разработанное техническое средство позволит увеличить эксплуатационную надежность тяговых электродвигателей, увеличить их пробег и межремонтные сроки, и, следовательно, удешевить их эксплуатацию.
Это устройство наиболее эффективен, так как позволяет хранить на компьютере большие базы данных с информацией об отслеживаемой динамике повреждений электродвигателя с последующим прогнозированием выхода его из строя.