Розробка системи теплового контролю i оцінка залишкового ресурсу за цим фактором строку служби iзоляцiї рудникових тягових електродвигунiв

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

РОЗРОБКА СИСТЕМИ ТЕПЛОВОГОКОНТРОЛЮ І ОЦІНКА ЗАЛИШКОВОГО РЕСУРСУ ЗА ЦИМ ФАКТОРОМ СТРОКУ СЛУЖБИ ІЗОЛЯЦІЇ РУДНИКОВИХ ТЯГОВИХ ЕЛЕКТРОДВИГУНІВ

Спеціальність: Електричні машини і апарати

Рак Олександр Миколайович

Донецьк, 1999 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Локомотивний транспорт є важливою ланкою технологічного транспорту на шахтах. Для його приводу використовуються рудникові тягові двигуни постійного струму послідовного збудження. Важкі умови експлуатації (велика кількість пусків та гальмувань) викликають систематичні теплові перевантаження і як наслідок, передчасний вихід з ладу електродвигунів. Ефективне функціонування локомотивів в таких умовах вимагає створення резерву електродвигунів, що скорочує зворотні засоби підприємств та збільшує витрати на ремонт.

Підвищити ефективність експлуатації електродвигунів локомотивів можна за рахунок комплексного підходу до вирішення цього завдання, що полягає у впровадженні засобів теплового контролю та прогнозуванні на цій підставі залишкового строку служби ізоляції рудникових тягових електродвигунів (РТД).

Відомі розробки моделей діагностування, що використовуються під час проектування електродвигунів і в системах безпосереднього контролю їх нерухомих вузлів. Для захисту електродвигунів пересувних об'єктів, в умовах шахт використання цих моделей обмежено. У пристроях непрямого контролю теплового стану, що виконуються на резисторах та ємностях суттєвим недоліком є нестабільність характеристик ємностей та неможливість автоматичного вибору параметрів моделі в залежності від режиму роботи. Відомі методики прогнозування залишкового строку служби ізоляції двигунів використовувалися лише для сталих режимів, а не в системах безперервного контролю.

Таким чином розробка системи теплового контролю та прогнозування залишкового строку служби ізоляції обмоток електродвигунів є досить актуальним завданням. Впровадження систем дасть змогу своєчасно приймати організаційні та технічні заходи, спрямовані на підвищення ефективності функціонування електродвигунів локомотивного транспорту.

Наукова актуальність теми дисертаційної роботи обумовлена необхідністю теоретичного обґрунтування принципів побудови системи теплового контролю i прогнозування залишкового строку служби ізоляції обмоток електродвигунів.

Мета роботи. Розробка системи теплового контролю та прогнозування залишкового строку служби ізоляції обмоток електродвигунів з урахуванням систематичних теплових перевантажень, що надає змогу підвищити ефективність функціонування локомотивів в цілому та зменшити вихід з ладу кількості електродвигунів.

Ідея роботи ґрунтується на здійсненні діагностики електродвигунів засобами непрямого контролю з використанням параметрів математичної моделі теплових перехідних процесів і прогнозування за розробленою методикою.

Основнi задачi дослiджень:

1. Розробка математичної моделi теплових перехідних процесів тягового електродвигуна для встановлення закономiрностей змiни температури вузлів у тривалих і повторно-короткочасних режимах;

2. Розробка методики прогнозування залишкового строку служби iзоляцiї обмоток електродвигуна, що працює у повторно-короткочасних режимах;

3. Розробка системи теплового контролю i пристроїв, що забезпечують підвищення ефективності функціонування системи.

Наукова новизна одержаних результатiв:

1. Математична модель теплових перехідних процесів рудникового тягового електродвигуна, яка враховує взаємний тепловий вплив усiх основних елементiв електродвигуна, i вiдрiзняється вiд інших вiдомих тим, що дозволяє на основі контролю струму якоря моделювати динамiку теплових процесів і використовувати результати моделювання діагностики;

2. Методика прогнозування залишкового строку служби iзоляцiї обмоток, яка вiдрiзняється урахуванням сучасної теорiї течiї хiмiчних реакцiй в iзолюючих матерiалах пiд впливом теплових дiй в повторно-короткочасних режимах роботи електродвигуна і контролем температури для уточнення допустимого її приросту для ізоляції різних класів;

3. Вперше розроблені принципи побудови системи теплового контролю та прогнозування залишкового строку служби ізоляції обмоток рудникових тягових електродвигунів, які базуються на безперервному контролі струму, частоти обертання та стану рейкового шляху.

Практичне значення одержаних результатiв:

1. Розробленi принципи та алгоритм функціонування системи теплового контролю дозволяють підтримувати допустимі рівні температури та виконувати прогноз залишкового строку служби ізоляції обмоток з урахуванням усіх основних факторів, що впливають на тепловий знос;

2. Запропонованi методи аналiзу, фiзичного i математичного моделювання роботи системи теплового контролю та результати дослiджень дозволяють визначити технiко-економiчнi показники режимiв роботи електродвигунів;

3. Розроблений давач вологості дозволяє більш якісно контролювати тепловий стан обмоток, та визначати стан рейкового шляху, коефіцієнт зчеплення, розташування локомотива в просторі.

Обґрунтованiсть та достовiрнiсть наукових висновкiв та рекомендацiй пiдтверджується використанням випробуваних ранiше методiв теплових дослiджень, фундаментальних положень теорiй нагрiву та охолодження електродвигунiв, а також задовiльними співпаданнями результатів розрахункiв та експериментів (похибки не перевищують 10%).

Реалiзацiя результатiв роботи. Функціонування діагностичної системи, в якій використовується розроблена математична модель теплових процесів в електродвигунах, методика прогнозування та визначені перевищення температури реалiзовано за допомогою мікропроцесорного модуля. Цей модуль є завершеним блоком, що легко встановлюється в iснуючому вибухобезпечному корпусi системи керування РТД. Модуль виконано на пiдставi однокристальної ЕОМ типу КР1816ВЕ35. Матерiали дисертацiйної роботи використанi енергоремонтним пiдприємством ш/у “Донбас” ВО “Донецьквугiлля” для виконання ремонтних і регламентних робіт. На пiдставi одержаних результатiв сформульовані основнi рекомендацiї з технiчної експлуатації електродвигунів локомотивiв.

Апробація результатiв роботи. Матерiали дисертацiйної роботи доповiдались та обговорю-вались на семiнарах НАН України (1994 р., м. Донецьк), на першому мiжнародному науково-технiчному семiнарi ”Електромеханiчнi системи з комп'ютерним керуванням на автотранспортних засобах та в їх роботизованому виробництвi” (1993 р., м. Севастополь), на ІІІ міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини" (1998 р., м. Кам'янець - Подільський), на ІІ міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми економії енергії" (1999 р., м. Львів).

Публiкацiї. За темою дисертацiї надруковано 10 робiт: 1-в науково-технiчному журналi, 3- у збiрниках наукових праць ДонДТУ, 1-у збірнику наукових праць Державного університету "Львівська політехніка", 3-депонованi в ДНТБ України, 2- у збірнику наукових праць ІІІ міжнародної науково-практичної конференції "Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини".

Структура та обсяг дисертацiї. Дисертацiйна робота складається з вступу, чотирьох роздiлiв, висновкiв, перелiку лiтератури 89 джерел, чотирьох додаткiв, мiстить 129 машино-друкованих сторiнок основного тексту, 45 рисункiв, 17 таблиць.

2. ОСНОВНИЙ ЗМIСТ РОБОТИ

У вступi обґрунтована актуальнiсть роботи. Сформульована мета й задачi дослiджень та розробок, наведена наукова новизна i практична цiннiсть одержаних результатiв. Наведена загальна структура роботи.

У першому роздiлi розглянутi основнi причини виходу з ладу рудникових тягових електродвигунiв. Їх перелiк наведено в табл. 1.

Доказано, що найбiльша кiлькiсть вiдмов трапляється з причин теплових перевантажень. Встановлено, що iснуючi системи керування електродвигунами обумовлюють збiльшенi витрати енергiї при пусках i гальмуваннях, та вiдповiдно їх тепловi перевантаження. Iмпульсне живлення i керування електродвигунами за допомогою тиристорних перетворювачiв поширення не здобуло.

Проаналiзованi засоби захисту, якi встановлюються на локомотиви. При цьому з'ясовано що прилади, якi використовують, забезпечують лише захист акумуляторної батареї та електродвигунiв вiд струму короткого перемикання. Засоби безперервного теплового контролю стану iзоляцiї обмоток електродвигунiв, використання яких дало б змогу обмежити вплив теплових перевантажень та запобiгти вихiд з ладу електродвигунiв, на локомотивах вiдсутнi. Проаналiзованi iншi види, що використовуються для захисту вiд теплових перевантажень i оцiнена можливiсть їх використання в системах теплового контролю.

Таблиця 1. - Результати дефектоскопiчної eкспертизи найбiльше характерних вiдмов вузлiв електродвигунiв рудникових локомотивiв:

Другий роздiл присвячений розробцi принципiв побудови систем теплового контролю i прогнозування залишкового строку служби iзоляцiї обмоток рудникових тягових електродвигунiв.

Необхідність комплексного підходу до вирішення завдання розробки системи теплового контролю і прогнозування залишкового строку служби ізоляції рудникових тягових електродвигунів вимагає поряд з розробкою приладів захисту електродвигунів постійно контролювати та прогнозувати причину пошкодження двигунів - тепловий стан обмоток. У зв'язку з цим при створенні систем теплового контролю необхідно:

1. Розробити методику прогнозування залишкового строку служби ізоляції обмоток електродвигунів;

2. Проаналізувати різні методи розрахунку температури та вибрати такий, що найбільше задовольняє вирішенню цього завдання;

3. Розробити математичну модель теплових перехідних процесів рудникового тягового двигуна;

4. Виконати розрахунки параметрів математичної моделі для відповідних режимів роботи. Розробити алгоритм розв'язання системи рівнянь і виконати його програмну реалізацію.

Для вирiшення цього завдання проаналiзованi рiзнi методи визначення температури i вико-ристано метод еквiвалентних теплових схем (ЕТС).

У методі ЕТС реальні шляхи передачі теплових потоків замінюються тепловими опорами. Створення математичних моделей, що базуються на цьому методі пов'язано з уникненням труднощів розрахунку двох або трьохмірного поля температури в активних частинах двигунів у порівнянні з чисельним розв'язанням рівнянь Пуасона. Багатомірні теплові потоки розглядаються як результат взаємодії одномірних, кожен з них у відповідному напрямку зазнає тепловий опір. Основні припущення метода дозволяють пристосовувати до нього закони та методи теорії електричних кіл, що полягають в заміні розподілених джерел тепла і теплових опорів деякою кількістю зосереджених еквівалентних теплових опорів.

Недолік метода полягає в тому, що він не дозволяє отримати повну інформацію про поле температур, а тільки деякі середні значення температури окремих вузлів.

Метод дозволяє головне - створити досить точну та зручну модель теплових процесів рудникового тягового електродвигуна. Він має достатньо розвинутий математичний апарат, що є головною умовою урахування усіх особливостей динаміки теплових процесів.

Рудниковi тяговi двигуни серiї ДРТ-13, що розглядаються як об'єкти дослiджень, є вибухозахищеними електричними машинами закритого виконання з природним охолодженням. ЕТС таких двигунiв достатньо складнi та базуються на експериментальних даних про джерела тепла, значеннях теплових опорiв окремих вузлiв машини, про розподiл теплових потокiв у машинi, та їх взаємний вплив.

Коли виникає необхiднiсть моделювати повторно короткочаснi режими роботи двигуна, виконується перiодичне розв'язання рiвнянь на нагрiвання та охолодження до квазiстацiонарного стану. Окрiм розрахункiв динамiчних режимiв, за допомогою системи можна одержати i значення сталих перевищень температури вузлiв еквiвалентної схеми. Для цього в системi виключаються всi члени рiвнянь, якi мають диференцiали. Розв' язання таких систем виконується рiзними методами. У цiй роботi використовується метод Рунге- Кутта.

Результати розв'язання поданої системи використовуються для розрахункiв залишкового строку служби iзоляцiї обмоток електродвигунiв.

У роздiлi розроблена методика прогнозування залишкового строку служби для iзоляцiї різ-них класiв, що використовуються в машинобудуваннi, яка вiдрiзняється вiд вiдомих тим, що дозволяє виконувати прогнозування в повторно-короткочасних режимах з використанням теорiї про хiмiчнi реакцiї в рiзних матерiалах пiд впливом теплових дiй.

Процес можна визначити:

к = Ае - Ea / RТ (2)

Де:

к - постiйна швидкостi реакцiї;

А - постiйна, що враховує хiмiчний склад та структуру матерiалу;

Еа - енергiя активацiї, тобто перевищення енергiї, якою повинна володiти молекула, щоб подолати енергетичний бар'єр та вступити в хiмiчну реакцiю, Дж/моль;

Т - температура, при якiй здiйcнюється хiмiчна реакцiя, град.

У випадку використання цiєї залежностi, необхiдно знати не швидкiсть протiкання хiмiчних реакцiй, а час, протягом якого, внаслiдок старiння, iзоляцiя досягає свого критичного стану. Строк служби iзоляцiї D з температурою нагрівання визначається:

Значення Еа наведенi в лiтературi, а визначене для класiв iзоляцiйних матерiалiв, що використовуються в електромашинобудуваннi - в табл. 2.

Якщо температура iзоляцiї в процесi експлуатацiї електричних машин змiнюється, має глузд визначення не загального, а залишкового ресурсу, або залишкового строку служби iзоляцiї обмоток. Для двигунiв, що працюють в повторно-короткочасних режимах, де температура змiнюється з часом (t), пропонується така методика розрахунку.

Таблиця 2. - Допустимий прирост температури нагрiву ізоляції:

Графiк змiни температури iзоляцiї в циклi апроксимується двома вiдрiзками. Тодi середнє значення температури:

Розраховується коефіцієнт ступеню зменшення строку служби iзоляцiї з температурою в порiвняннi з середньою:

Пiсля цього визначається значення залишкового строку служби за виразом:

Iнформацiя про залишковий строк служби зберiгається в пам'ятi мiкропроцесора.

У табл. 3 наведенi значення коефiцiєнта та деяких значень коефiцiєнта розмаху коливань у циклi.

Таблиця 3. - Залежнicть коефiцiєнта зменшення строку служби iзоляцiї при змiненнi вiдносного розмаху коливань температури:

У випадку роботи двигуна та його iзоляцiї в повторно-короткочасних режимах з довiльним навантаженням, характеристика (t) може бути роздрiбнена на декiлька вiдрiзкiв, для кожного з яких визначаються значення icp, а значення зменшення строку служби iзоляцiї знаходиться як середнє:

На пiдставi наведених розрахункiв можна сказати, що для надiйної експлуатацiї машин, у яких має мiсце квазiсталий температурний режим, необхiдно, щоб середнє значення температури циклу не перевищувало допустимої температури для вiдповiдного класу iзоляцiї при невеликому розмаху коливань температури циклу.

Коли розмах коливань перевищує допустимий, то температура циклу повинна бути знижена з урахуванням коефiцiєнта:

Третiй роздiл присвячений дослідженню теплових перехідних процесів одержаних за розробленою математичною моделлю або експериментально з метою визначення перевищень температури у тривалих режимах роботи (S1).

Безпосередні задачі аналітичних досліджень полягають:

- отриманні конкретних значень перевищень температури в усталеному режимі для всіх основних вузлів двигуна, включно вузли, що недоступні для досліджень (частини що обертаються, повітря), визначати найбільше напружені вузли двигуна;

- отримати закономірності зміни перевищень температури та тривалість теплових перехідних процесів;

- отримати інформацію про тривалість експлуатації з навантаженням, що відрізняється від номінального.

Окрім аналітичних виконані і експериментальні дослідження. Вони дозволяють:

- підтвердити параметри, що отримані аналітично;

- уточнювати закономірності зміни перевищень температури;

- коректувати параметри заступної теплової схеми електродвигуна.

При створеннi систем теплового контролю i прогнозування залишкового строку служби iзоляцiї обмоток електродвигунiв виникає необхiднiсть адекватного моделювання динамiки теплових процесiв. Тому виникає необхiднiсть у визначеннi постiйних часу, вiдносної швидкостi змiни температури рiзних вузлiв ЕТС.

З метою аналiзу теплових перехiдних процесiв використана спецiальна методика, яка до-зволяє визначити всi необхiднi параметри.

Її суть полягає в такому.

В результатi виконання аналiтичних розрахункiв та експериментальних дослiджень одержуємо часовi характеристики процесу нагрiву рiзних вузлiв електродвигуна, або охолодження.

Тодi рiвняння будь-якої характеристики можна подати у виглядi:

У четвертому роздiлi подано розробку системи теплового контролю i прогнозування залишкового строку служби iзоляцiї РТД. Якщо в тепловiй моделi формули електричних втрат представити через квадрат струму та опiр, то їх можна використовувати у реальному часi.

Розроблено алгоритм функціонування системи теплового контролю.

Виконано математичне моделювання роботи системи контролю. Одержанi результати, що дозволяють обирати раціональні параметри системи контролю. Розроблено давач вологостi, принцип дiї якого ґрунтується на стабілізації струму, що надходить скрiзь контролюєму дiльницю рейкового шляху для знайденого кондуктометричного дiапазону та наведенi результати його випробувань.

ВИСНОВКИ

локомотивній тепловий електродвигун

У дисертацiйнiй роботi вирiшене актуальне науково-технiчне завдання розробки системи теплового контролю i прогнозування залишкового строку служби iзоляцiї обмоток електродвигунів за рахунок контролю струму, частоти обертання та стану рейкового шляху і використання характеристик теплових перехiдних процесiв розробленої математичної моделі, що дозволяє підвищити ефективність функціонування рудникового тягового електродвигуна. В основу побудови системи покладені характеристики теплових перехідних процесів, що встановлені і одержані за допомогою розробленої математичної моделі та експериментів.

Основнi науковi та практичнi висновки роботи:

1. Розроблена методика діагностування, яка дозволяє визначити залишковий строк служби iзоляцiї обмоток електродвигунiв з урахуванням сучасної теорії течiї хiмiчних реакцiй пiд впливом теплових дiй для повторно-короткочасних режимів роботи електродвигуна. Одержана залежнiсть, що уточнює межi допустимого приросту температури класiв iзоляцiйних матерiалiв, якi використовуються в електромашинобудуваннi, для повторно-короткочасних режимiв роботи двигунiв. За допомогою методу еквiвалентних теплових схем розроблена модель діагностики та узагальнено методи розрахунку її параметрів. Математична модель у вигляді системи диференцiйних рiвнянь дозволяє виконувати дослiдження як перехiдних, так i сталих теплових режимiв рудникового тягового двигуна;

2. На підставі виконаних експериментальних і теоретичних досліджень розроблена структурна схема системи теплового контролю та прогнозування залишкового терміну служби ізоляції обмоток тягових електродвигунів, яка відрізняється від відомих можливістю контролю стану рейкового шляху та частоти обертання електродвигуна;

3. Вперше розроблено алгоритм функціонування системи теплового контролю i прогнозування залишкового строку служби iзоляцiї (РТД) з урахуванням основних впливаючих факторiв (коефiцiєнта зчеплення, профiлю рейкового шляху, маси составiв, що транспортуються за умовами вирушення з мiсця, допустимої швидкостi пересування навантажених та порожнiх составiв, що транспортують з забезпеченням гальмового шляху i т. д.) при функцiонуваннi в реальних умовах експлуатацiї. Моделюванням i одержаними результатами пiдтверджується адекватнiсть теоретич-них положень реальним фiзичним процесам;

4. Розроблений мiкропроцесорний модуль для забезпечення функціонування системи теп-лового контролю і прогнозування, що виконує програму за поданим алгоритмом, є функцiонально закiнченим компактним блоком, який легко встановлюється в iснуючому вибухобезпечному корпусi блоку керування РТД. Модуль виконано на пiдставi однокристальної мiкроЕОМ типу КР1816ВЕ35. Система теплового контролю та прогнозування залишкового строку служби iзоляцiї обмоток РТД дозволяє обмежити кiлькiсть теплових перевантажень, і цим зменшити кiлькiсть відмов електродвигунів і зупинок локомотивiв;

5. Виконані експериментальні дослідження перехідних опорів дільниць рейкового шляху та теоретичні висновки цих досліджень є основою можливої реалізації способу врахування стану рейкового шляху, та розробки давача вологості принцип дії якого базується на визначенні струму, що надходить скрізь контролюєму дільницю рейкового шляху для знайденого кондуктометричного діапазону;

6. Матерiали дисертацiйної роботи використанi на дiльницi ВШТ шахти “Заперевальна” ш/у “Донбас“ ВО “Донецьквугiлля”.

Размещено на Allbest.ru