Диагностирование состояния коммутации коллекторных электродвигателей с использованием прибора пкк-5м

На основании анализа экспериментальных исследований создана математическая модель, позволяющая выполнять расчет электромеханического износа контактных пар устройств токосъема монорельсового транспорта.

Анализ экспериментальных исследований и результатов расчета показывает, что отклонение значений составляет не более 6 % для различных материалов.

Список литературы

1. Михеев, В. П. Исследование и прогнозирование износа контактных пар устройств токосъема [Текст] / В. П. Михеев, О. А. Сидоров, И. Л. Саля // Известия вузов. Электромеханика. 2003.-№5.-С. 74-79.

2. Пат. на полезную модель № 58463. МПК В60Ь 3/12. Устройство для исследования скользящего контакта между токоприемником и токопроводом [Текст] / О. А. Сидоров, С. А. Ступаков, А. С. Голубков и др. Заявлено 29.06.2006; 2006. Опубл. 27.11.06. Бюл. № 33.

3. Браун, Э. Д. Моделирование трения и изнашивания в машинах [Текст] / Э. Д. Браун, Ю. А. Евдокимов, А. В. Чичинадзе. - М.: Машиностроение, 1982. - 191 с.

4. Мышкин, Н. К. Электрические контакты [Текст] / Н. К Мышкин, В. В. Кончиц, М. Браунович. Долгопрудный: Интеллект, 2008. - 558 с.

УДК 621.313.2

В. В. Харламов, П. К. Шкодун, А. П. Афонин

ДИАГНОСТИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ КОММУТАЦИИ КОЛЛЕКТОРНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИБОРА ПКК-5М

В статье представлены результаты математической обработки экспериментальных данных коммутационных испытаний манаты постоянного тока серии 2П, на основании которых установлен набор диагностических параметров, позволяющих проводить диагностирование с большей достоверностью. С помощью усовершенствованного прибора контроля качества коммутации ПКК-5М проведены экспериментальные исследования в соответствии с составленным планом полного факторного эксперимента. В итоге для электрического машины серии 2П получены уравнения регрессии среднего уровня искрения и среднего квадратичного отклонения интенсивности искрения по коллектору и во времени для режимов пере- и недокоммутации.

Процесс коммутации машин постоянного тока (МПТ) подвержен влиянию множества внешних и внутренних факторов, что особенно сильно проявляется в нестационарных режимах работы. В то же время для оценки уровня искрения щеток МПТ в настоящее время используется ГОСТ 183-74, предполагающий субъективную оценку видимого искрения под сбегающим краем щетки, оцениваемого в баллах при испытаниях в стационарных режимах работы. Однако условия коммутации каждой отдельной секции якорной обмотки в машине зависят от сочетания воздействующих факторов, следовательно, процесс коммутации является случайным и может характеризоваться вероятностными оценками: видом закона распределения интенсивности искрения и его параметрами - математическим ожиданием, дисперсией [1].

Для определения диагностических параметров, позволяющих повысить достоверность диагностирования состояния коммутации МПТ, проведена математическая обработка экспериментальных данных коммутационных испытаний двигателя П2-630-202-8СУХЛ4 главного привода прокатного стана «800» ОАО «Чусовской металлургический завод» [2]. В процессе испытаний двигателя в нестационарных режимах работы цифровым накопителем информации при различных значениях тока подпитки добавочных полюсов фиксировались значения

тока якоря /а, тока подпитки /п, частоты вращения п и интенсивности искрения И от пере- и недокоммутированных секций обмотки якоря.

Интенсивность искрения контролировалась с помощью прибора ГЖК-5, работающего по сигналу со щетки-датчика. Анализ полученных данных проводился для различных режимов работы электродвигателя: при постоянном значении тока якоря, возрастании и спаде значения тока якоря. Для этого из экспериментальных данных выбирались участки с постоянным значением производной тока якоря (на рисунке 1 показан один из фрагментов экспериментальных осциллограмм). Для каждого выбранного режима работы электродвигателя строилась гистограмма распределения интенсивности искрения и рассчитывался средний уровень искрения. Сопоставление полученных результатов позволило сделать вывод о том, что величина математического ожидания интенсивности искрения определяет средний уровень искрения в целом по машине. Среднее квадратичное отклонение уровня искрения по коллектору ак, определяемое в том числе и состоянием профиля коллектора, а также магнитной системы машины остается практически неизменным в переходных режимах работы. В то же время изменение режима работы машины (увеличение или уменьшение значения тока якоря) приводит к изменению интенсивности искрения от оборота к обороту, а следовательно, к увеличению значения среднего квадратичного отклонения уровня искрения во времени ав [3]. Таким образом, использование помимо среднего уровня искрения Иср двух предлагаемых параметров (ак, ав) представляется целесообразным, поскольку позволит повысить достоверность производимой объективной оценки состояния коммутации МПТ.

350 г 2100

усл. ед.

Л

И

250

200

150

100

50

мин

Л

1500

1200

900

600

300

1 1 1 п /

1 1 1 1 1 1

Ша -— 'ш > I ¿//¡/¿Л 1.— «01 — 1 \dljc ^ \ и<

1V. 1

Ж д

\ / \

А, ¥уА /

70 А

50 40 30 20 10

Л

1 2 3 4 5 6 7

t ->

10

Рисунок 1 - Определение участков с постоянным значением производной тока сЛл/с11

Для контроля предложенных параметров на кафедре «Электрические машины и общая электротехника» ОмГУПСа усовершенствован прибор ПКК-5М (рисунок 2), обеспечивающий регистрацию изменения интенсивности искрения по коллектору за время испытания. Прибор выполнен на основе микроконтроллера АТгг^а 8535, управляющего работой всех элементов блока. Выходные сигналы аналогового блока прибора ПКК-5М, пропорциональные интенсивности искрения от недо- и перекоммутированных секций, поступают через входной согласующий блок на входы коммутатора аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера. Управляющая программа производит циклическое преобразование входных сигналов и выводит текущие значения измеренных диагностических параметров (Иср, <тв, сгк) на жидкокристаллический индикатор. В процессе записи осуществляется сохранение измеренных значений в энергонезависимой ДаБИ-памяти блока, реализованной на микросхеме

^р-ИЗВЕСТИЯ Транссиба 53

ОП<1 л -

Яат^оп БМ25256 для обеспечения возможной дальнейшей передачи информации в ЭВМ для более детального анализа.

С целью получения математических зависимостей, связывающих условия работы МПТ со значением уровня искрения и с параметрами, характеризующими закон распределения интенсивности искрения, проведены экспериментальные исследования, в процессе которых изменялись входные параметры, такие как ток якоря /а, ток подпитки (отпнткн) добавочных полюсов /п (/0), частота вращения п и скорость увеличения (уменьшения) тока якоря В качестве выходных приняты параметры закона распределения случайной величины интенсивности искрения от пере- и недокоммутнрованных секций - среднее значение интенсивности искрения Иср, средние квадратичные отклонения интенсивности искрения по коллектору <тк и во времени <тв.

Экспериментальная установка (рисунок 3) состояла из двух однотипных МПТ серии 2П, одна из которых работала в режиме двигателя с независимым возбуждением, другая - генератора, работающего на активную нагрузку 7?н. С целью исключения возможных дополнительных случайных факторов, влияющих на возникновение искрения, была произведена предварительная настройка МПТ: проверено смещение щеток, их установка на геометрическую нейтраль, а также равномерное их распределение по окружности; выполнена предварительная притирка однотипных новых щеток и проверена сила нажатия пружин щеткодержателей (в том числе и с целью исключения значительного разброса в значениях переходных сопротивлений).

Рисунок 3 - Структурная схема экспериментальной установки

Рисунок 2 - Внешний вид прибора контроля качества коммутации ПКК-5М

Необходимое значение производной тока якоря испытуемого двигателя задавалось изменением нагрузки генератора с помощью ключа БА и реостата ^рег. Уровень искрения от пере- и недокоммутированных секций Ипк и Инк контролировался прибором ПКК-5М, работающим по сигналу со щетки-датчика, установленного на сбегающем крае рабочей щетки. Частота вращения двигателя п определялась по импульсам, сформированным оптическим датчиком оборотов (ДО). Аналоговые сигналы подавались на вход контроллера ввода аналоговых сигналов, выход которого подключался к ЭВМ и при помощи специализированного программного обеспечения осуществлялось формирование массивов данных.

Определение коэффициентов уравнений регрессии осуществлялось с помощью математического аппарата метода планирования эксперимента [4]. Интервалы варьирования входных параметров представлены в таблицах 1 и 2. Откликом системы на входные воздействия принимались значения Иср от пере- и недокоммутированных секций, среднее квадратичное отклонение интенсивности искрения по коллектору <тк и во времени <тв. Для четырех входных факторов формировались матрицы планирования полного факторного эксперимента как для пере-, так и для недокоммутации.

Таблица 1 - Интервалы варьирования входных параметров при подпитке

Входные параметры Ль А 4 А п, мин"1 dljdt, А/с

Кодовые обозначения *2 X¿\

Основной уровень 2,25 7 1750 0

Интервал варьирования 0,75 5 250 25

Верхний уровень 3 12 2000 25

Нижний уровень 1,5 2 1500 -25

Анализ полученных данных проводился для различных режимов работы испытуемого двигателя: при постоянном значении тока якоря, возрастании и спаде значения тока якоря. Для этого из экспериментальных данных выбирались участки с постоянным значением производной тока якоря.

Таблица 2 - Интервалы варьирования входных параметров при отпитке

Входные параметры /о, А 4 А п, мин"1 dljdt, А/с

Кодовые обозначения *2 *3 X¿\

Основной уровень 0,5 1 1750 0

Интервал варьирования -2,5 5 250 25

Верхний уровень -2 12 2000 25

Нижний уровень - 3 2 1500 -25

Для каждого выбранного режима работы испытуемого двигателя строилась гистограмма распределения интенсивности искрения и рассчитывался средний уровень искрения. В результате обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии в кодированных величинах.

Уравнения регрессии среднего уровня искрения МПГ имеют следующий вид: для перекоммутации -

Иср пк = 22,120 +17,446xj - 2,405х2 + 2,487х3 +1,893х4 - 3,295ххх2 + 2,587^*3 + + 1,207xjx4 + 3, 053х2Х3 +1,850х2х4 + 0,086х3х4;

для недокоммутации -

Иср нк = 11,903 - 7,065^ - 3, 094х2 +1,735х3 - 0,099х4 + 3,50Цх2 - 2, 117х}х3 + + 0,067x^4 -0,932х2х3 -0,367х2х4 -0,076х3х4.

Получены также уравнения регрессии в кодированных величинах, связывающие входные параметры со значениями среднего квадратичного отклонения интенсивности искрения по коллектору <тк:

для перекоммутации -

<тк пк = 3,574 + 2,225^ - 0,342х2 - 0,063х3 + 0,317х4 - 0,486^х2 + 0,196x^3 + + 0,157x^4 + 0,702х2х3 +0,203х2х4 + 0,050х3х4;

для недокоммутации -

<ткнк = 2,559-1,320^ -0,217х2 +0,200х3 -0,101х4 + 0,256^ -0,22Цх3 + + 0,059x^4 +0,142х2х3 -0,177х2х4 +0,071х3х4

и среднего квадратичного отклонения во времени <тв: для перекоммутации -

<тв пк = 4,832 + 2,986^ +1,343х2 -0,412х3 + 0,491х4 +0,352x^2 -0,736x^3 + + 0,509x^4 -0,068х2х3 +0,442х2х4 -0,206х3х4;

для недокоммутации -

<тв нк = 4,152 - 2,857^ + 0,912х2 + 0,755х3 - 0,138х4 - 0,845^х2 - 0,780^ + + 0,096x^4 +0,103х2х3 + 0,030х2х4 -0,139х3х4.

Проверка адекватности полученных уравнений регрессии проводилась на 5 %-ном уровне значимости по Т7-критерию Фишера, при этом расчетные значения (приведены в таблице 3) оказались меньше табличного значения = 19,3 (для двух степеней свободы при оценке дисперсии воспроизводимости и пяти степеней свободы при оценке дисперсии адекватности).

Таблица 3 - Результаты расчета доверительного интервала и /'-критерия Фишера для полученных моделей

Регрессионная модель ^ср.пк ^ср.нк СГ К. ПК СГ к.нк (7 В.ПК (7 в.нк

^-критерий Фишера (расчетное значение) 8,947 14,425 8,737 0,478 17,236 1,191

Доверительный интервал коэффициента регрессии 1,028 0,269 0,179 0,331 0,117 0,09

Оценка значимости коэффициентов регрессии проводилась путем сравнения абсолютной величины коэффициентов уравнений со значением доверительного интервала (см. таблицу 2), определяемого с помощью критерия Стьюдента (для принятого уровня значимости 5 % и двух степеней свободы значение критерия составило 4,3).

В результате проведенных преобразований и упрощения модели путем исключения незначимых слагаемых получены уравнения регрессии среднего уровня искрения МПТ, имеющие следующий вид после перехода от кодированных обозначений к натуральным: для перекоммутации -

Иср пк = 22,12 + 5,265/п - 2,778/а - 0,038и - 0,17Ъ(еИа / Л\- 0,879/п/а + 0,0141пп +

+0,064/п(Ша / Ж) + 0,002/а и + 0,015/а (Ша / сИ\

для недокоммутации -

56 ИЗВЕСТИЯ ТрансСШВ^^И №3

И н = 9,229 + 5,71IL + 4, 188L - О,03п +1,401LL -0,01 II п - 0,0007Д п -

ир.НК 7 7 О7 а7 7 О а 7 U 7 а /0\

- 0,0014/a (dljdt).

Получены также уравнения регрессии, связывающие входные параметры со значениями среднего квадратичного отклонения интенсивности искрения по коллектору <тк: для перекоммутации -

°"к.пк = -4,665 + 5,869/п - 0,4915/а + 0,0013(dla / dt) - 0,130/п/а - 0,001 \Iun + + 0,0004Ian + 0,00\6Ia(dIa /dt);

для недокоммутации -

о-к нк = 2,21 - 0,261 0 +0,013/а - 0,004п + 0,006{dla ! dt) + 0,103I0Ia -0,001810n + + 0,0001Ian-0,0014Ia

и среднего квадратичного отклонения во времени <тв:

для перекоммутации -

<тв пк = -17,095 +10,19/п + 0,05741а + 0,0072п - 0,0662(dla / dt) + 0,0939/п/а -- 0,0039/пи + 0,0272/п (dla / dt) + 0,0035/а (dla / dt);

для недокоммутации -

<тв нк = 16,537 + 7,578/0 - 0,6631а - 0,01 Ъп + 0,033(i//a / dt) - 0,338/0/а - 0,0062/ои -

- 0,00002n(dla / dt).

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что на величину среднего уровня интенсивности искрения Иср наибольшее влияние оказывает ток подпитки, характеризующий отклонения магнитной системы. Величина среднего квадратичного значения уровня искрения по времени <тв в значительной степени зависит от производной тока якоря двигателя. Значение среднего квадратичного отклонения по коллектору <тк в большой степени определяется состоянием профиля коллектора.

Полученные регрессионные уравнения (7) - (12) могут быть использованы при формировании алгоритма диагностирования состояния коммутации МПТ серии 2П, что позволяет повысить достоверность определения возможных причин неудовлетворительной работы электрических машин данной серии. Представленная модель может быть уточнена для каждого конкретного типа МПТ или их серий путем использования предложенной аппаратной, программной части и представленного математического аппарата.

Список литературы

1. Авилов, В. Д. Методы анализа и настройки коммутации машин постоянного тока. [Текст] / В. Д. Авилов. - М.: Энергоиздат, 1995. - 237 с.

2. Диагностирование и настройка коммутации двигателей постоянного тока главных приводов прокатных станов [Текст] / В. Д. Авилов, Е. Н. Савельева и др. // Промышленная энергетика. 2003. -№ 10. - С. 15 - 19.

3. Выбор диагностических параметров для оценки состояния коммутации машин постоянного тока в условиях нестационарных режимов работы [Текст] / В. В. Харламов, П. К. Шкодун и др. // Электромеханические преобразователи энергии: Материалы IV между-нар. науч.-техн. конф. / Томский политехи, ун-т. - Томск, 2009. - С. 33 - 37.

4. Спиридонов, А. А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов [Текст] / А. А. Спиридонов. -М.: Машиностроение, 1981. - 184 с.