Тестирование межвитковой изоляции якорной обмоткитягового электродвигателя по методу волнового отклика

References

1. Ovcharenko S. M. Modeling and evaluation of the effectiveness of cleaning systems of motor oil different series of diesel locomotives [Modelirovanie raboti I ocenka effectivnosti systemi ochistki motornogo masla razlychnih seriy teplovozov]. Vestnik RGUPS - Bulletin of RSTU, 2006, no. 1, pp. 21 - 27.

2. Kachanova L. S. Sovershenstvovanie ochistki otrabotannogo motornogo masla tsentrobezh-nymi apparatami (Improvement of purification of used engine oil centrifugal machines). Ph. D. thesis, Zernograd, ACHGAI, 2004, 120 p.

3. Grigorev M. A. Ochistka masel i topliva v avtotraktornykh dvigateliakh (Oils and fuels in automotive engines). - Moscow: Machinostroenie, 1970, 271 p.

4. Strebkov S. V. Primenenie topliva, smazochnykh materialov i tekhnicheskikh zhidkostei v agropromyshlennom komplekse (The use of fuels, lubricants and technical liquids in agriculture). Belgorod: Belgorodskaya GSHA, 1999, 404 p.

УДК 620.192.63

В. В. Харламов, П. К. Шкодун, И. В. Шестаков

ТЕСТИРОВАНИЕ МЕЖВИТКОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ ЯКОРНОЙ ОБМОТКИ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПО МЕТОДУ ВОЛНОВОГО ОТКЛИКА

Целью работы, результаты которой приведены в данной статье, является установление пригодности метода волнового отклика для диагностирования межвитковой изоляции якорной обмотки тягового электродвигателя постоянного тока, а также разработка адекватной модели тестируемой обмотки для последующего исследования сложных физических процессов, происходящих в процессе диагностирования. В статье приведена методика фиксации волновой затухающей характеристики (отклика) в якорной обмотке электродвигателя постоянного тока. Предложена схема замещения якорной обмотки применительно к рассматриваемому методу диагностирования. Приведен волновой отклик, полученный экспериментально при испытаниях на физической модели. Представлен волновой отклик, полученный при моделировании эксперимента в программной среде MatLab. Выполнен анализ результатов реального и имитационного моделирования, который позволяет судить об адекватности предложенной схемы замещения якорной обмотки. Впоследствии данная схема замещения будет использована для имитационного моделирования повреждений изоляции тягового электродвигателя применительно к методу волнового отклика.

Тяговый электродвигатель (ТЭД) является важнейшей частью подвижного состава железных дорог. Критическим элементом, а также источником наибольшего числа отказов ТЭД является система изоляции. По статистике около 30 % отказов электродвигателей связано с нарушением изоляции. Скрытые процессы деградации в изоляции могут вызывать повреждения, затраты на исправление которых по стоимости могут быть сравнимы с созданием новой машины [1].

Изоляция в процессе эксплуатации подвергается комплексному воздействию многих факторов, что в конечном итоге приводит к ее деградации [2]. Однако это не означает, что ТЭД немедленно выходит из строя. Проблемы с изоляцией могут вызывать существенное снижение КПД электрической машины, появление локальных нагревов (которые, в свою очередь, существенно ускоряют процессы деградации), нарушение герметичности конструкции и структуры изоляции с повышением степени ее увлажненности.

Повсеместный переход от планово-предупредительного обслуживания к обслуживанию по техническому состоянию предъявляет новые требования к методикам исследования изоляции. Так, современные методы должны не только устанавливать факт несоответствия изоляции требованиям, но и указывать на причину несоответствия. Именно поэтому формированию современных комплексных методов диагностирования уделяется сейчас большое внимание.

Применение комплексного метода диагностирования подразумевает анализ сложных процессов, происходящих в изоляции при наличии определенных диагностических воздействий. Отсюда следует, что схема замещения диагностируемого объекта (в нашем случае это система «обмотка - межвитковая изоляция») должна быть не только адаптированной к определенному методу, но и должна обладать достаточной избыточностью для возможности моделирования сложных процессов.

Одним из наиболее перспективных методов диагностирования состояния межвитковой изоляции электрических машин в настоящее время является метод волнового отклика. Принцип метода заключается в том, что на обмотку подается постоянное напряжение, обеспечивающее ток в обмотке порядка 10 % от номинального значения [3]. Затем цепь разрывается, а переходный процесс, происходящий в обмотке, фиксируется осциллографом.

Данный переходный процесс в большинстве случаев имеет форму волновых затухающих колебаний. Параметры отклика зависят от сопротивления межвитковой изоляции, межвитко-вой емкости и общего состояния изоляции. Таким образом, определив значения параметров затухающих колебаний, можно судить о качестве изоляции электродвигателя [4].

Метод волнового отклика нашел применение в диагностировании межвитковой изоляции обмоток асинхронных двигателей [5, 6] и силовых трансформаторов [7].

Для успешного формирования схемы замещения физического объекта необходима предварительная фиксация его реакции на диагностические воздействия, которая в дальнейшем будет служить критерием адекватности построенной модели. Испытания на реальной машине необходимы также для определения наличия или отсутствия соответствующих реакций. Для проведения испытаний в качестве физической модели была выбрана коллекторная машина постоянного тока ПБ90МГ, схема фиксации волнового отклика в якорной обмотке данной электрической машины приведена на рисунке 1.

Испытания проводились в соответствии с приведенной выше методикой. Подключение коммутационных проводов осуществлялось непосредственно к щеткам, фиксация отклика производилась при помощи цифрового осциллографа Rigol DS1052e, работающего в ждущем режиме. Данный осциллограф имеет сертификат соответствия и нормированные метрологические характеристики.

Полученный волновой отклик приведен на рисунке 2.

8

А В

6 5 4 3 2 1

U 0 -1

0,5 1,0 мкс 2

t -

Рисунок 2 - Волновой отклик, снятый на якорной обмотке машины 2ПБ90МГ

/V

I

300мА

Рисунок 1 - Схема фиксации электрического волнового отклика

40 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ^^ № 2(22) 2015

= _

Сигнал представляет собой волновую затухающую характеристику с частотой порядка 0,5 МГц.

Форма сигнала позволяет судить о том, что внутри обмотки происходит сложный переходный процесс. Соответственно схема замещения должна обладать достаточной избыточностью. При разработке схемы замещения учитывались следующие требования:

- модель должна учитывать существующие наработки в данной области;

- схема должна быть адаптирована к моделированию различного рода повреждений изоляции;

- схема должна быть адаптирована к применению метода волнового отклика. Основой для составления схемы замещения якорной обмотки ТЭД послужили известные

схемы замещения обмоток асинхронных двигателей и силовых трансформаторов для исследования по методу волнового отклика [8, 9].

На рисунке 3 представлена полученная схема замещения якорной обмотки применительно к описанному методу.

Рисунок 3 - Предлагаемая схема замещения якорной обмотки

Схема представляет собой масштабируемую развернутую модель якорной обмотки с учетом сопротивления щеточных контактов. Межвитковая емкость представлена равномерно распределенной по секции системой параллельных контуров из конденсаторов (емкость) и резисторов (потери в емкости). Сопротивление изоляция представлено резистором Яту, включенным параллельно условно определенной границе витка или секции (в зависимости от глубины моделирования).

Преимуществом схемы является ее масштабируемость, что позволяет моделировать как локальные повреждения (межвитковое замыкание), так и глобальные (нарушение изоляции секции, локальные увлажнения и др.).

На приведенной схеме обозначены следующие элементы:

Rper1 и Rper2 - переходные сопротивления щеточных контактов;

Rpop и Cpop - поперечные составляющие распределенной модели межвитковой емкости;

Rprod и Cprod - продольные составляющие распределенной модели межвитковой емкости.

Обозначения элементов содержат префиксы «1» и «2», обозначающие принадлежность к соответствующей параллельной ветви.

Значения Rs и соответствуют паспортным значениям сопротивления и индуктивности якорной цепи машины, равномерно распределенным по обеим параллельным ветвям. Так, для физической модели (машины 2ПБ90МГ) паспортные значения сопротивления и индуктивности якорной цепи составляют 1,46 Ом и 34 мкГн соответственно [10].

С использованием составленной схемы замещения было проведено имитационное моделирование переходных процессов в якорной обмотки с помощью программной среды Ма1ЬаЬ (пакет 81шиНпк), заданы необходимые начальные условия моделирования, параметры элементов и выбрано время моделирования. На рисунке 4 приведен соответствующий фрагмент рабочей области Ма1ЬаЬ.

Рисунок 4 - Имитационная модель якорной обмотки в Ма1ЬаЪ

42 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ^^ № 2(22) 2015

= _

На рисунке 5 приведен волновой отклик, полученный при имитационном моделировании переходного процесса в якорной обмотке с использованием среды MatLab.

t -

Рисунок 5 - Волновой отклик, полученный при имитационном моделировании

При первом рассмотрении можно отметить сходство в смоделированных и полученных экспериментально формах сигнала. Частота затухающих колебаний в смоделированной модели отличается от реальной не более чем на 10 кГц (по итогам серии из десяти измерений на реальной модели).

Для более детального сравнения полученные отклики были приведены к нулю, масштабированы, подогнаны по фазе и построены на одном графике. Полученный график приведен на рисунке 6, где смоделированный отклик показан штриховой линией.

и

10 В 6 4 2 0 -2 -4 -6

*

1 * ft*

1 у

Л f~

\l vv>

0,25 t -

0,5

0

1

Рисунок 6 - Сравнение экспериментального и смоделированного откликов

При помощи пакета статистического анализа Microsoft Excel произведен анализ остатков (разностей значений сигнала, реального и смоделированного откликов в каждом шаге дискретизации). Анализ показал, что отклонения имеют нормальное распределение с математическим ожиданием, близким к нулю.

Таким образом, проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать вывод о том, что метод волнового отклика может быть использован для оценки технического состояния межвитковой изоляции якорной обмотки тягового электродвигателя.

Сформированная схема замещения и имитационная модель якорной обмотки тягового электродвигателя дают возможность определить диагностические параметры волнового отклика для оценки состояния изоляции.

Список литературы

1. Grubic S., Aller J. M., Lu B., Habetler T. G. A Survey on Testing and Monitoring Methods for Stator Insulation Systems of Low-Voltage Induction Machines Focusing on Turn Insulation Problems IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2008, № 12, pp. 4127 - 4136.

2. Jones D. O., Jowett J. R., Thomson S. G., Danner D. S. - Megger: Guide to Diagnostic Insulation Testing Above 1 kV, Second Edition. - 2002. - 47 p.

3. Харламов, В. В. Оценка технического состояния изоляции тяговых электродвигателей подвижного состава [Текст] / В. В. Харламов, П. К. Шкодун, И. В. Шестаков // Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов: материалы всерос. техн. конф. с междунар. участием / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2014. - С. 211 - 222.

4. Методы и приборы диагностирования изоляции асинхронных двигателей [Текст] / Н. П. Воробьев, С. Н. Воробьева и др. // Ползуновский вестник. - 2011. - № 2/2. - С. 261 - 269.

5. Pollak A. The use of DC current to testing condition of the insulation of electrical machines. -Przegl^d elektrotechniczny, 2013, № 1, pp. 123 - 131.

6. Сташко, В. И. Моделирование состояния изоляции обмоток асинхронных двигателей сезонно эксплуатируемого электрооборудования на основе использования показателей волнового переходного процесса [Текст] / В. И. Сташко, И. Б. Губин// Ползуновский вестник. -2002. - № 1. - С. 51 - 56.

7. Грибанов, А. А. Повышение достоверности диагностики силовых трансформаторов на основе спектрального анализа параметров переходного процесса в обмотках фаз одного напряжения [Текст] / А. А. Грибанов // Ползуновский вестник. - 2009. - № 4. - С. 54 - 61.

8. Decner A., Glinka T., Polak A. Diagnostic Tests Method of Turn to Turn Insulation. -Zeszyty Problemowe - Maszyny Elektryczne, 2008, № 79, рр. 103 - 106.

9. Грибанов, А. А. Математическое моделирование диагностического сигнала при оценке состояния силовых трансформаторов по методу низковольтных импульсов [Текст] / А. А. Грибанов, С. О. Хомутов // Ползуновский вестник. - 2010. - № 2. - С. 232 - 238.

10. Справочник по электрическим машинам: В 2 т. [Текст] / Под ред. И. П. Копылова, Б. К. Клокова. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - Т.1. - 456 с.

References

1. Grubic S., Aller J. M., Lu B., Habetler T. G. A Survey on Testing and Monitoring Methods for Stator Insulation Systems of Low-Voltage Induction Machines Focusing on Turn Insulation Problems IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2008, no. 12, pp. 4127 - 4136.

2. Jones D. O., Jowett J. R., Thomson S. G., Danner D. S. - Megger: Guide to Diagnostic Insulation Testing Above 1kV, Second Edition. - 2002, 47 p.

3. Harlamov V. V., Shkodun P. K., Shestakov I. V. Evaluation of traction motors insulation technical condition on rolling stock [Ekspluatatsionnaya nadezhnost lokomotivnogo parka i povy-ishenie effektivnosti tyagi poezdov]. Materialyi vtoroy vserossiyskoy tehnicheskoy konferentsii s mezhdunarodnyim uchastiem «Ekspluatatsionnaia nadezhnost' lokomotivnogo parka i povyshenie effektivnosti tiagi poezdov» (Materials all-russian technical conference with international participation «The operational reliability of the locomotive fleet and improving the efficiency of traction trains»). Omsk, 2014, pp. 211 - 222.

4. Vorobev N. P., Vorobjeva S. N., Suhankin G. V., Gertsen N. T. Methods and devices for testing of induction machines insulation [Metody i pribory diagnostirovaniia izoliatsii asink-hronnykh dvigatelei]. Polzunovskiy vestnik - Polzunovsky Gazette, 2011, no. 2/2, pp. 261 - 269.

5. Pollak A. The use of DC current to testing condition of the insulation of electrical machines. -Przegl^d elektrotechniczny, 2013, № 1, pp. 123 - 131.

6. Stashko V. I., Gubin I. B. Simulation of seasonal operating induction machines insulation condition using wave transient process parameters [Modelirovanie sostoianiia izoliatsii obmotok asinkhronnykh dvigatelei sezonno ekspluatiruemogo elektrooborudovaniia na osnove ispol'zovaniia pokazatelei vol-novogo perekhodnogo protsessa]. Polzunovskiy vestnik - Polzunovsky Gazette, 2002, no. 1, pp. 51 - 56.

7. Gribanov A. A., Homutov S. O. Improoving reliability of supply transformers insulation testing using spectral analysis of transient process parameters in same voltage phase windings [Pov-

44 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 2(22) 2015

—— = 1 V

yshenie dostovernosti diagnostiki silovykh transformatorov na osnove spektral'nogo analiza par-ametrov perekhodnogo protsessa v obmotkakh faz odnogo napriazheniia]. Polzunovskiy vestnik -Polzunovsky Gazette, 2009, no. 4, pp. 54 - 61.

8. Decner A., Glinka T., Polak A. Diagnostic Tests Method of Turn to Turn Insulation. -Zeszyty Problemowe - Maszyny Elektryczne, 2008, №79, pp. 103 - 106.

9. Gribanov A. A., Homutov S. O. Mathematical simulation of testing signal in state assessment process by low-voltage impulses [Matematicheskoe modelirovanie diagnosticheskogo signala pri otsenke sostoianiia silovykh transformatorov po metodu nizkovol'tnykh impul'sov]. Polzunovskiy vestnik - Polzunovsky Gazette, 2010, no. 2, pp. 232 - 238.

10. Kopilov I. P. Klokov B. K. Spravochnikpo elektricheskim mashinam (Electrical machines guide). Moscow: Energoatomizdat, 1988, T. 1, 456 p.

УДК 621.313

А. С. Хлопцов, А. В. Долгова, Д. А. Ахунов

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОВИЗИОННОГО МЕТОДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ЗОНЕ КОЛЛЕКТОРНО-ЩЕТОЧНОГО УЗЛА ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Целью работы, результаты которой приведены в данной статье, является выявление эффективного диагностического параметра процесса нагрева в зоне коллекторно-щеточного узла тягового электродвигателя подвижного состава. В статье предложена развернутая эквивалентная тепловая схема замещения коллек-торно-щеточного узла тягового электродвигателя. Проведен эксперимент на лабораторной установке согласно теории планирования эксперимента при центральном ротатабельном плане второго порядка с анализом полученных результатов. Предложена методика обработки результатов термографического исследования машины. Составлены уравнения регрессии, отражающие степень влияния параметров режимов работы машины на интенсивность нагрева в зоне коллекторно-щеточного узла тягового электродвигателя. Корректность использования математического аппарата подтверждается количественным расчетом ^критерия Стьюдента при оценке значимости коэффициентов уравнений и F-критерия Фишера для 5 % уровня значимости. Результаты исследования могут быть использованы для дополнения методики диагностирования технического состояния коллекторно-щеточного узла тягового электродвигателя.

Работа тягового электродвигателя (ТЭД), составляющего основу тягового электропривода подвижного состава железнодорожного транспорта, сопровождается нагревом его частей и элементов вследствие действия факторов электрической и механической природы [1]. В настоящее время значительное внимание уделяется исследованиям тепловых процессов в ТЭД, в том числе изучаются вопросы нагрева обмотки якоря. При анализе распределения температуры в коллекторно-щеточном узле (КЩУ) ТЭД, как правило, рассматриваются только потери при протекании тока в щеточном контакте. Однако при подробном рассмотрении процессов нагрева в зоне КЩУ можно выделить несколько источников тепловых потерь различной природы. Характер нагрева в зоне КЩУ ТЭД зависит от действия нескольких факторов, влияющих также на качество коммутации машины: температура в зоне контакта «щетка - коллектор» влияет на величину падения напряжения в щеточном контакте и, соответственно, на процесс коммутации секций якорной обмотки [2].

Тепловые процессы в ТЭД принято описывать с использованием эквивалентных тепловых схем замещения [3]. Такие схемы строятся по аналогии с принципиальной электрической схемой, где потери представлены в виде источников ЭДС, а тепловые сопротивления между источниками тепла или узлами схемы, - как резистивные элементы. Эквивалентная тепловая схема замещения исследуемого КЩУ ТЭД представлена на рисунке 1, на котором можно выделить следующие источники тепла: Pщ - потери в щетке, представляющие собой тепло, выделяемое при протекании электрического тока; Pк0нт - потери в контакте «щетка -