Автоматизированные системы управления на электровозах

Размещено на http://allbest.ru

Курсовая работа

«Автоматизированные системы управления на электровозах»

Автор: Шафиков Т.Р.

Ташкент - 2012.

Введение

Стабильное функционирование отраслей промышленности и сельского хозяйства обеспечивается развитой транспортной системой, в числе которой ведущее место занимает железнодорожный транспорт.

Сегодня в Республике Узбекистан проводятся целенаправленные мероприятия по дальнейшему развитию транспортного потенциала, что способствует укреплению политической и экономической независимости страны, обеспечивает её активную интеграцию в мировое сообщество. В частности, ведется строительство новых железнодорожных линий внутри страны, проводится реконструкция и электрификация основных транзитных железнодорожных участков, производится организация новых маршрутов и формирование контейнерных поездов, с целью открытия клиентоориентированных, коротких и удобных путей перевозок.

За годы независимости в Узбекистане сделаны достаточно весомые шаги по формированию единой сети железных дорог - сданы в эксплуатацию железнодорожные линии: Навои-Учкудук-Нукус и Ташгузар-Байсун-Кумкурган; электрифицированы линии Ташкент-Самарканд и Ташкент-Ходжикент; продолжается электрификация линии Тукимачи-Ангрен; построен совмещенный железнодорожно-автомобильный мост через реку Амударья: проведена реабилитация пути на участке Ташкент-Самарканд-Бухара; завершено строительство волоконно-оптических линий связи протяженностью более 600 км на участке Келес -- Бухара.

Железнодорожным транспортом страны перевозится грузов больше, чем всеми остальными видами транспорта. Особенно велико его значение в экспорте и импорте грузов.

На сегодняшний день ГАЖК «Узбекистан темир йуллари» является единым производственно-хозяйственным комплексом, предоставляющим транспортные железнодорожные услуги народному хозяйству и населению Республики Узбекистан.

Общая протяженность сети железных дорог составляет более 6020 км, в т.ч. общего пользования -- 4230 км. Средняя плотность железных дорог Узбекистана составляет 13,5 км на 1000 кв. км площади страны. В Узбекистане электрифицировано около 15% железных дорог общего пользования.

Охват средствами диспетчерской централизации составляет 43%, автоблокировкой -- 54,6%, бесстыковыми путями --55,8%о.

За период 2004-2008 гг. рост объема перевозок грузов составил 45%, пассажирооборот вырос на 24%. грузооборот на 38%, объемы транзитных перевозок увеличились на 52%.

Несмотря на мировой финансово-экономический кризис, который способствует снижению объемов перевозок грузов в целом в большинстве стран мира, в Республики Узбекистан продолжается рост объемов перевозок. Особо следует отметить рост объема перевозок транзитных грузов в направлении Афганистана и Ирана.

В ГАЖК «Узбекистан темир йуллари» проводится работа по обновлению парка подвижного состава, до настоящего времени продлены сроки службы более 7000 грузовых, более 300 пассажирских вагонов и около 350 секций локомотивов. Кроме того, организовано строительство пассажирских вагонов, цистерн, крытых вагонов и полувагонов на базе имеющихся промышленных предприятий.

Железная дорога за годы независимости и создания государственной акционерной железнодорожной компании не только получила свое мощное развитие в виде новых линий и мостов, выхода на линию скоростных комфортабельных поездов «Регистан» (Ташкент-Самарканд), «Насаф» (Ташкент-Карши), «Шарк» (Ташкент-Бухара), но и украсилась красивейшими зданиями вокзалов, которые стачи олицетворением мощи и прогресса страны, щедрости и гостеприимства нашего народа.

В целях организации первого в Центральной Азии высокоскоростного пассажирского движения от Ташкента до Самарканда, ведутся переговоры с компанией «Тальго» (Испания) по приобретению высокоскоростного электропоезда, согласно подписанного Меморандума. Применение подвижного состава компании Тальго» позволит минимизировать затраты на модернизацию верхнего строения пути на участке высокоскоростного движения.

В целях обеспечения непрерывного и безопасного перевозочного процесса осуществляются проекты по обновлению и модернизации подвижного состава, как за счет собственных средств компании, так и с привлечением кредитных средств международных финансовых институтов.

Управление эксплуатации локомотивов является одним из важных подразделений ГЛЖК «Узбекистан темир йуллари» и имеет в своем распоряжении мощный парк тяговой силы -- тепловозов, электровозов и обеспечивает все виды пассажирских, пригородных и грузовых перевозок, маневровые работы. В восьми, имеющихся в распоряжении управления, депо выполняются работы по обслуживанию и ремонту техники.

Начиная с 2000 года управлением эксплуатации локомотивов на УП «Узжелдорреммаш» проводится капитально- восстановительный ремонт магистральных и маневровых тепловозов с продлением срока их службы, что позволяет увеличивает их пробег, сэкономить значительные валютные средства, как на покупку новых тепловозов, так и на их содержание, а также обеспечивает снижение эксплуатационных расходов по ГСМ на 15-20 %. Так, за указанный период через капитально-восстановительный ремонт прошли 372 секции.

В целях более высокого сервисного обслуживания пассажиров в 2004 году компанией за счет кредитной линии ЕБРР были приобретены 12 современных электровозов производства Чжучжоуского электровозостроительного завода (КНР) общей стоимостью 40 млн. долл. США. Производство локомотивов на данном заводе осуществляется под контролем и на основе высокотехнологического оборудования компании Siemens, которое соответствует европейским стандартам качества. Указанные электровозы

используются как для грузового, гак и для пассажирского движения.

Также приобретены четыре пассажирских тепловоза серии ТЭП70БС производства Коломенского тепловозостроительного завода, продукция которого полностью отвечает техническим требованиям по эксплуатации и ремонту на предприятиях ГРЖК «Узбекистон темир йуллари».В период 2009-2013 годов предусматривается приобретение 13 единиц пассажирских тепловозов и 10 секций электровозов.

Компанией также реализуется проект «Модернизация дизельных локомотивов», который предусматривает установку 90 комплектов дизелей производства Коломенского завода (Россия) и вспомогательного оборудования на существующие тепловозы серии ТЭ10М.

На предприятиях республики освоен выпуск триплекса для локомотивов и МВПС, силовых контактов для главного контроллера электровоза, для тепловозов типа ТЭМ-2 и ТЭ-10 изготавливаются цилиндры компрессора КТ-76. Согласно ежегодного Единого комплексного плана повышения технического уровня компании в текущем году внедрены в локомотивное депо комплексы интеллектуальных производственных автоматизированных реостатных испытаний «Кипарис», стенды по обкатке топливных насосов высокого давления дизелей типа «-100, Д-49, Д-50, комплекс оперативной диагностики «Прогноз-1 М».

ГЛАВА 1. КОНСТРУКЦИЯ И ОСНОВНЫЕ НЕИСПРАВНОСТИ ЯКОРЯ ТЭД ЭЛЕКТРОВОЗА ВЛ80С

1.1 Конструкция якоря ТЭД электровоза ВЛ80С

Якорь ТЭД НБ-418.

1 - кольцо; 3 - гайка; 5 - груз балансировочный; 7 - катушка якоря;

2 - шайба; 4 - втулка; 6 - бандаж; 8 - вал якоря.

На поверхности сердечника якоря в его пазах уложена обмотка выполненная из медной изолированной проволоки. Концы секций обмотки соединены с коллекторными пластинами Чтобы обмотка якоря при вращении вала двигателя не выпадала из пазов, в пазовую часть сердечника забивают текстолитовые клинья, а лобовые части обмотки укрепляют бандажами из стеклобан-дажной ленты.

Коллектор служит для изменения направления тока в секциях обмотки якоря при переходе их под главный полюс другой полярности (чтобы якорь вращался в какую-либо определенную сторону). Коллектор собирают из медных пластин -- ламелей.

На задней стороне каждой коллекторной пластины сделан выступ -- "петушок", в продольную прорезь (шлиц) которого впаяны концы проводников секций обмотки якоря. Число коллекторных пластин зависит от числа секций якорной обмотки. Пластины не должны касаться друг друга, чтобы между ними не было электрического контакта, приводящего к замыканию накоротко секций обмоток якоря, присоединенных к этим пластинам. Поэтому коллекторные пластины изолированы друг от друга миканитовыми пластинами (межламельная изоляция).

Миканитовые пластины тверже коллекторных и изнашиваются медленнее. Чтобы на поверхности коллектора не образовались выступы изоляции, нарушающие контакт щеток с коллектором, изолирующие пластины периодически профрезеровывают на 0,8-1,2 мм ниже поверхности коллектора.

Эту операцию называют продороживанием коллектора. При вращении якоря коллекторные пластины под действием центробежной силы стремятся сместиться наружу. Но этому препятствуют нижние части коллекторных пластин, имеющие форму ласточкина хвоста и зажатые между втулкой коллектора и нажимным конусом. От нажимного конуса и корпуса коллектор изолирован фигурными манжетами и цилиндром (втулкой), выполненными из формовочного миканита. Нажимной конус и коллекторная втулка стянуты восемью болтами.

1.2 Основные неисправности и их влияние на безопасность движения

В процессе эксплуатации якоря электрических машин подвергаются механическим воздействиям.

Одновременно якоря подвергаются резким колебаниям подводимого к ним напряжения и тока.

Эти явления могут приводить к появлению повышенного износа, задиров и трещин на отдельных элементах якорей ил роторов, а повышенные значения тока и напряжения вызывают недопустимое искрение под щетками, и как следствие - оплавление коллекторных пластин, прожоги изоляции.

Рисунок 1. Якорь тягового электродвигателя НБ 418

Местная выработка может возникать как в металлических деталях, так и в изоляции. электровоз коллектор обмотка якорь

Повышенный износ посадочных поверхностей приводит ослаблению посадочных колец, втулок

Износ резьбы - к снижению ее электрической прочности и пробою.

Наиболее часто повышенные износы возникают на рабочей поверхности

Простой или отказ которых может привести к большому экономическому ущербу.

Наиболее часто встречающиеся дефекты и их проявления, характерные для основных элементов конструкции тяговых электродвигателей.

Сердечник статора:

- повреждение межлистовой изоляции, вызывающее местные перегревы;

- ослабление прессовки, вызывающее вибрацию пластин стали с повреждением межлистовой изоляции; распушение крайних пакетов, вызывающее излом листов;

- изменение формы статора из-за ослабления стыковки секторов статора, что может привести к касанию ротора и статора.

Обмотка статора:

- ослабление крепления стержней в пазу, вызывающее истирание изоляции стержня;

- повреждение полупроводящего покрытия стержня, вызывающее появление частичных разрядов; расслоение изоляции, вызывающее её ускоренное старение;

- нарушение изоляции элементарных проводников, вызывающее увеличение циркуляционных токов и местный перегрев обмотки;

- ослабление крепления лобовых частей, вызывающее истирание изоляции, смещение проводников и повышенную вибрацию лобовых частей;

- загрязнение, замасливание и увлажнение изоляции, вызывающее снижение электрической прочности изоляции;

- трещины в изоляции, приводящие к снижению её электрической прочности.

Для машин с непосредственным водяным охлаждением весьма опасным дефектом является увлажнение изоляции из-за нарушении герметичности системы охлаждения, вызывающее пробой в зоне стержня на выходе из паза.

Рисунок 2. Ослабление крепления стержней в пазу

Рисунок 3. Повреждения обмотки якоря

Система непосредственного охлаждения:

- закупорка каналов непосредственного охлаждения, приводящая к местным перегревам обмотки;

- нарушение герметичности, приводящее к появлению дистиллята внутри корпуса и увлажнению изоляции.

Якорь:

- трещины в различных частях якоря, приводящие к повышенным вибрациям на оборотной частоте и изменению фазы вибрации;

- нарушение целости бандажных колец и клиньев обмотки якоря, приводящее к повышенным вибрациям.

Обмотка возбуждения:

- повреждение корпусной изоляции и витковые замыкания, приводящие к повышенным вибрациям на оборотной частоте и появлению подшипниковых токов;

Воздушный зазор

- изменение формы зазора или соосности сердечников статора и якоря, приводящее к асимметрии тока в параллельных ветвях и к возможному задеванию якоря о статор с последующим разрушением последних.

Рисунок 4. Нарушение целости бандажных колец и клиньев обмотки якоря

Подшипники и подпятники:

- нарушение изоляции, приводящее к появлению подшипниковых токов и повышенному нагреву подшипников;

- износ рабочих поверхностей и перекосы, которые также приводят к увеличению температуры и уровня вибрации.

Уплотнения вала якоря:

- износ уплотнений их повреждение, перекос уплотнений, приводящий к их повышенному нагреву.



Рисунок 5. Повреждение корпусной изоляции

Рисунок 6. Разрушение коллекторных пластин.

ГЛАВА 2. ОТДЕЛЕНИЕ ПО РЕМОНТУ И ДИАГНОСТИКЕ ЯКОРЯ ТЭД

2.1 План отделения

Рис 2.1 план отделения по ремонту якоря ТЭД

Отделение по ремонту якоря состоит из четырёх участков:

· участок разборки,

· участок ремонта,

· участок сборки,

· участок диагностических испытаний.

Схема технологического процесса ремонта якоря при смене обмотки:

- снятие проволочного бандажа,распайка проводов на коллекторе.

- Выемка из пазов старых секций.

- Очистка пазов

- Испытание коллектора на пробой.

- Изолирование нажимных шайб на якоре.

- Укладка секций в пазы

- Наладка временных бандажей.

- Испытание на межвитковые замыкания.

- Испытание на диэлектрическую прочность

- Пайка коллектора

- Проточка коллектора.

- Диагностические испытания якоря ТЭД

- Испытание на межвитковое замыкание

- Сушка 6 часов

- Пропитка

- Сушка 12 часов

- Вторая пропитка.

- Сушка 6 часов

- Покрытие изоляционным лаком с естественной шуков.

- Продороживание коллектора.

- Шлифовка коллектора.

- Испытание на межвитковые замыкания.

- Балансировка якоря

Диагностические испытания якоря ТЭД. При ремонте электрических машин, помимо Правил ремонта, руководствуются чертежами заводов-изготовителей, чертежами и технологическими инструкциями. Правила ремонта электрических машин электроподвижного состава НТ-60 устанавливают объем ремонта электрических машин, их узлов и деталей, нормы допусков и износов, объем и режимы приемо-сдаточных испытаний, методы и способы их проведения с учетом требований ГОСТ 2582--81. Предусматривается выполнение следующих работ:

· разборка машин;

· освидетельствование и ремонт при необходимости электрической части остова с проверкой состояния межкатушечных соединений перемычек и выводных проводов, правильности установки главных и добавочных полюсов, плотности посадки катушек на сердечниках и компенсационных катушек в их пазах;

· покрытие полюсных катушек электроизоляционной эмалью;

· освидетельствование, проверку и ремонт якоря, покрытие его сердечника и конуса изоляционными эмалями;

· замена ослабших или поврежденных бандажей, клиньев:

· обточка, продорожка и шлифовка коллектора;

· ревизия первого объема узлов с подшипниками качения, ремонт моторно-осевых букс, крышек, уплотнительных и лабиринтных втулок и колец, щеткодержателей и их кронштейнов, траверс, крышек люков, механической части остова и якоря; ревизию первого объема узлов с подшипниками качения выполняют согласно требованиям Инструкции;

· проверка симметрии магнитной системы остова и якоря;

· сборка электрических машин, настройка коммутации тяговых двигателей;

· приемо-сдаточные испытания электрических машин на стенде.

Диагностические испытания. Перед началом ремонта двигатели очищают. Затем проверяют состояние двигателя, в том числе измеряют сопротивление его изоляции, активное сопротивление обмоток, прослушивают работу якорных подшипников, измеряют вибрацию двигателя, осматривают коллектор.

Осуществляют разборку двигателя. Трещины в остове, буксах и щитах устраняют электросваркой.

Резьбовые отверстия в остове проверяют калибрами. Восстанавливают резьбу заваркой отверстий, по следующим их сверлением и нарезкой резьбы или запрессовкой ремонтных втулок с соответствующей резьбой.

Проверяют состояние посадочных и приварочных поверхностей щитов, букс и остовов, рабочих и посадочных поверхностей деталей якорных и моторно-осевых подшипников, радиальные зазоры в собранных якорных и моторно-осевых подшипниках, надежность крепления букс и щитов к корпусу двигателя, натяги щитов и букс в остове двигателя, наружных колец в подшипниковых щитах, вкладышей в буксах, внутренних колец подшипников на валу, износ моторно-осевых горловин остова, горловин остова под подшипниковые щиты.

2.2 Стенд диагностики якоря ТЭД

На стенде проверяется электрическое сопротивление изоляции,определяется целостность обмотки качество пайки шин и проводов в петушках коллектора.

Регулирование нагрузки осуществляется путём изменения сопротивления нагрузочных реостатов или путём регулирования напряжения генераторов. Испытания в этом режиме проводятся либо для генераторов и трансформаторов небольшой мощности (до 10 кВ*А), либо для генераторов специальных типов, которые не могут работать совместно с электрическими двигателями. Нагрузка трансформаторов с масляным охлаждением может осуществляться и в режиме короткого замыкания так, чтобы потери в его обмотках были равны сумме номинальных потерь короткого замыкания и холостого хода.

Нагрузочные реостаты могут быть регулируемыми или нерегулируемыми. Отметим, что нецелесообразно использовать жидкостные реостаты на постоянном токе из-за электролиза жидкости, оседания на контактах продуктов электролиза и разъедания контактных поверхностей. Что касается индуктивной нагрузки, то её можно обеспечить с помощью регулируемых реакторов или машин переменного тока, работающих в режиме холостого хода. В зависимости от мощности нагрузки может применяться естественное воздушное, форсированное воздушное или жидкостное охлаждение нагрузочных устройств.

Метод непосредственной нагрузки электрических машин с отдачей энергии в сеть. Реализация этого метода требует, как правило, многократного преобразования энергии и сложного комплекта испытательного оборудования. Поэтому его применение экономически оправдано при испытаниях электрических машин средней и большой мощности.

Рассмотрим использование метода непосредственной нагрузки с возвратом энергии в сеть применительно к электрическим машинам различного типа.

Машины постоянного тока. При испытаниях двигателя постоянного тока его питание осуществляется либо от сети постоянного тока, либо от управляемого выпрямителя. Нагрузкой испытуемого двигателя ИД (рис. 6.1, а) является электромашинный тормоз, в качестве которого используется генератор постоянного тока с независимым возбуждением ГПТ. К генератору ГПТ подключен якорь двигателя постоянного тока с независимым возбуждением ДПТ по так называемой схеме «генератор-двигатель», при использовании которой частота вращения п₂ двигателя ДПТ может поддерживаться постоянной при изменении частоты вращения n₁ двигателя ИД в широких пределах. Двигатель ДПТ приводит во вращение синхронный генератор СГ, который отдаёт часть потребляемой при испытаниях энергии в сеть. Регулирование нагрузки двигателя ИД, осуществляется увеличением тока возбуждения генератора ГПТ, что приводит к увеличению момента двигателя ДПТ и мощности синхронного генератора СГ, отдаваемой в сеть.

Рис. 2.1 Принципиальная схема диагностических испытания под нагрузкой электрических машин постоянного тока:

а - двигателя; б - генератора

При испытаниях под нагрузкой испытуемый генератор постоянного тока ИГ (рис. 6.1, б) приводится во вращение с частотой n₁ двигателем Д (асинхронным при п₁ = const или постоянного тока при необходимости изменения n₁ в соответствии с паспортными данными генератора ИГ). В качестве нагрузки генератора ИГ используется двигатель постоянного тока ДПТ1, энергия которого после тройного преобразования в машинах постоянного тока (генераторе ГПТ и двигателе ДПТ2) и синхронном генераторе СГ отдаётся в сеть переменного тока. Использование генератора

ГПТ и двигателя ДПТ2, соединённых по схеме «генератор-двигатель», вызвано необходимостью стабилизации частоты вращения п₃ синхронного генератора СГ. На рис. 2.2 стрелками показано направление активной мощности, преобразуемой электрическими машинами.

Рис. 2.2. Принципиальная схема диагностики якоря ТЭД по методу взаимной нагрузки:

а - при параллельном включении источника электрической энергии; б - при последовательном включении; в - при включении механического источника энергии

В ряде случаев для упрощения схем испытания машин постоянного тока с возвратом энергии в сеть вместо механически связанных двигателя постоянного тока и синхронного генератора используют статический преобразователь постоянного тока в переменный требуемой частоты (инвертор), вход которого подключён к генератору ГПТ, а выход - к сети. Регулирование мощности в этом случае осуществляется за счёт изменения длительности проводящего состояния преобразователя.

Метод взаимной нагрузки электрических машин. При испытаниях по этому методу две одинаковые электрические машины соединяются между собой механически и электрически и подключаются к внешнему источнику энергии. Одна из машин работает в режиме генератора и отдаёт всю вырабатываемую электрическую энергию другой машине, которая работает в режиме двигателя и расходует всю свою механическую энергию на вращение первой машины. При взаимной нагрузке двух одинаковых трансформаторов они включаются параллельно, а их первичные обмотки соединены с общим источником питания или сетью.

Расход энергии при испытаниях по методу взаимной нагрузки определяется суммарными потерями в обеих испытуемых машинах или трансформаторах. Компенсация этих потерь осуществляется от внешнего источника электрической или механической энергии или от обоих источников одновременно. Если учесть, что КПД электрических машин средней и большой мощности составляет 90 % и более, а трансформаторов - свыше 95 %, то окажется, что с помощью ограниченного источника мощности (10...20% от мощности одной испытуемой машины или трансформатора) можно испытывать две крупные электрические машины или два трансформатора одновременно. Резкое уменьшение затрат энергии при испытаниях является важным достоинством метода взаимной нагрузки.

При испытаниях машин постоянного тока по методу взаимной нагрузки могут быть использованы три способа введения в контур испытуемых машин энергии, необходимой для компенсации потерь: параллельное и последовательное включение источника электрической энергии, а также подключение механического источника энергии.

При использовании способа параллельного включения источника электрической энергии обе машины - двигатель ИД и генератор ИГ (рис. 6.4, а) соединяются друг с другом механически и к ним подводится питание от генератора постоянного тока ГПТ требуемого напряжения, приводимого во вращение двигателем Д. Цепи возбуждения всех трёх машин постоянного тока включены независимо от якорных цепей и на рис. 6.4 не показаны.

После включения рубильника Р1 осуществляется пуск возбуждённого двигателя ИД с помощью пускового реостата или путём плавного увеличения напряжения на выходе генератора постоянного тока ГПТ. После достижения заданной частоты вращения n₁ возбуждают испытуемый генератор ИГ до номинального напряжения, соответствующего напряжению генератора ГПТ. Контроль за выполнением этого условия осуществляется с помощью вольтметра, включённого на зажимы рубильника Р2. После выравнивания напряжений (показания вольтметра в этом случае равны нулю) рубильник Р2 замыкается и генератор ИГ включается параллельно генератору ГПТ.

Нагружение испытуемых машин осуществляется путём увеличения возбуждения генератора ИГ и ослабления возбуждения двигателя ИД. Для поддержания заданного уровня напряжения питания одновременно необходимо регулировать возбуждение генератора ГПТ. При параллельном включении источника питания напряжение испытуемых машин одинаково и из баланса их мощностей получаем

Ui_Г/з_Г = Ui_Дз_Д,

где

i_Г, i_Д - токи в цепях якорей генератора и двигателя; з_Г, з_Д - КПД генератора и двигателя.

Из приведённого выражения следует, что отношение токов в цепях якорей двигателя и генератора больше единицы и обратно пропорционально произведению КПД этих машин, поэтому при номинальной нагрузке двигателя генератор оказывается недогруженным, а при номинальной нагрузке генератора двигатель перегружается.

При использовании способа последовательного включения источников питания якоря вспомогательного генератора постоянного тока ГПТ и испытуемых машин ИГ и ИД соединяются последовательно в замкнутый контур (рис. 2.2, б).

В цепях обмоток возбуждения устанавливается такое значение тока, которому в режиме холостого хода соответствует номинальное напряжение U_Н. Затем от двигателя с частотой вращения n₂ приводится в движение генератор ГПТ и за счёт плавного увеличения его напряжения осуществляется разгон испытуемых машин до номинальной частоты вращения n₁. После этого увеличивают напряжение машины, предназначенной к испытанию в режиме генератора, и уменьшают напряжение машины, предназначенной к испытаниям в режиме двигателя, устанавливая ток якорей ИД, ИГ и ГПТ, равным номинальному i_Н или любому требуемому значению i.

Поскольку возбуждение всех трёх машин полагается независимым, номинальное напряжение вспомогательного генератора ГПТ имеет следующий вид:

,

где - суммарные потери в схеме без учёта потерь на возбуждение, поскольку возбуждение всех трёх машин полагается независимым.

На основании второго закона Кирхгофа можно записать:

,

где Е_Д, Е_Г - ЭДС испытуемых двигателя и генератора, В; , - суммарные активные сопротивления якорных цепей генератора и двигателя, Ом.

Поскольку U_ГПТ превышает величину , при номинальной нагрузке генератора ИГ двигатель ИД будет перевозбуждён, а при номинальной нагрузке двигателя генератор оказывается невозбуждённым.

При использовании способа подключения механического источника энергии испытуемые машины ИГ и ИД механически соединяются со вспомогательным двигателем Д, с помощью которого они приводятся во вращение с номинальной частотой n₁ (рис..4, в), после чего они возбуждаются до номинального напряжения. Мощность вспомогательного двигателя должна быть не меньше суммарных потерь обеих испытуемых машин. Обмотки возбуждения испытуемых машин подключены к независимому источнику питания.

Правильность полярности испытуемых машин проверяется по вольтметру, включённому на зажимы рубильника Р1 (при равенстве напряжений генератора и двигателя вольтметр должен давать нулевые показания). Для этого замыкают рубильник P1, увеличивают возбуждение машины, предназначенной к испытаниям в режиме генератора, и уменьшают возбуждение машины, предназначенной к испытаниям в режиме двигателя. Для рассматриваемого контура справедливо выражение (6.3) при U_ГПТ = 0, из которого следует, что при номинальной нагрузке генератора ИГ двигатель ИД будет недовозбуждён, а при номинальной нагрузке двигателя генератор приходится перевозбуждать.

Способ подключения механического источника энергии наиболее эффективен для испытания мощных генераторов постоянного тока, которые выпускаются в виде многомашинных агрегатов с приводными двигателями переменного тока, один из которых в этом случае играет роль вспомогательного двигателя Д.

Метод косвенной нагрузки электрических машин. При использовании этого метода в машине искусственно создаётся тепловой режим, соответствующий работе в номинальных условиях, что достигается путём чередования режимов холостого хода и короткого замыкания. Этот способ нагрузки может быть рекомендован при проведении испытаний машин постоянного тока.

Для выяснения сущности этого метода обратимся к тепловым расчётам электрических машин, выполняемым по тепловым схемам замещения. Определение превышений температуры осуществляется по тепловой схеме замещения рис.2.3., представляющей разветвлённую электрическую цепь с постоянными сопротивлениями и несколькими источниками.

Рис. 2.3. Тепловая схема замещения статора (а) и якоря (б) ТЭД

Расчёт превышений температуры отдельных узлов электрической машины сводится к определению тепловых потоков Q, проходящих через эти узлы (Q_Л, Q'_Л - тепловые потоки, проходящие через лобовые части обмоток статора и ротора соответственно; Q_СТ, Q'_СТ - тепловые потоки, проходящие по стали статора и ротора соответственно) от каждого источника потерь Р, умножению этих потоков на соответствующие тепловые сопротивления R (R_ПР, R_ИЗ, R_Л, R_С.В - сопротивления провода, изоляции паза, лобовых частей, границы «сталь-воздух») для получения частичных превышений температуры и последующему суммированию частичных превышений для получения результирующего превышения температуры данного узла.

При испытании электрических машин требуется создать несколько длительных чередующихся режимов работы, в которых действовали бы отдельные составляющие потерь, и замерить частичные превышения температуры отдельных узлов.

Последующее суммирование частичных превышений даёт результирующие превышения температуры без использования непосредственной нагрузки машины.

Для того, чтобы отдельные составляющие потерь были равны потерям в номинальном режиме работы, достаточно провести опыты в режимах холостого хода при разной степени возбуждения и короткого замыкания при номинальном токе якоря.

Действительно, в режиме холостого хода без возбуждения при номинальной частоте вращения в машине выделяются только механические потери P_МЕХ, равные механическим потерям в номинальном режиме работы. При холостом ходе с напряжением, равным номинальному, кроме механических потерь выделяются потери в стали якоря P_СТ, соответствующие номинальному режиму работы, и некоторые потери на возбуждение, соответствующие току возбуждения холостого хода (меньше потерь на возбуждение в номинальном режиме). В режиме холостого хода с током возбуждения, равным номинальному, потери на возбуждение (на рис. 2.3.эти потери разделены на пазовые P_Пf и лобовые P_Лf) и механические потери соответствуют номинальному режиму работы, а потери в стали превышают их.

В режиме короткого замыкания с номинальным током якоря потери в обмотке якоря (на рис. 6.7 эти потери разделены на пазовые P_П и лобовые P_Л) и добавочные потери соответствуют номинальному режиму работы (так же как и механические потери генератора), потери на возбуждение и в стали малы, механические потери двигателя равны нулю.

Величина отдельных составляющих потерь изменяется при различных способах охлаждения. В синхронных машинах и машинах постоянного тока сравнительно велик воздушный зазор, что позволяет пренебречь перетоками тепла через него и рассматривать нагрев статора и ротора этих машин изолированно (см. рис.2.3).

Определение области безыскровой работы машин постоянного тока. Перед испытаниями щётки устанавливаются в положение, соответствующее геометрической нейтрали. Установка может проводиться методом реверсирования (при работе машины под нагрузкой с притёртыми и пришлифованными к коллектору щётками) или индуктивным методом (при неподвижном якоре).

При использовании метода реверсирования считается, что положение щёток соответствует нейтрали в том случае, если в результате изменения направления вращения у двигателя при неизменных значениях напряжения, тока нагрузки и тока возбуждения практически не изменяется частота вращения (опыт рекомендуется проводить при номинальной частоте вращения), а у генератора при неизменных значениях частоты вращения, тока нагрузки и тока возбуждения практически не изменяется напряжение (питание обмотки возбуждения должно быть независимым). Для машин со смешанным возбуждением как при правом, так и при левом направлении вращения согласное или встречное включение обмоток должно сохраняться неизменным.

При использовании индуктивного метода положение щёток, соответствующее нейтрали, определяется по чувствительному магнитоэлектрическому прибору (предпочтительно с нулём в середине шкалы), который подключают к щёткам разной полярности, а в обмотку главных полюсов подают импульсами питание от постороннего источника постоянного тока.

При положении щёток, соответствующем нейтрали, прибор не должен давать отклонений или эти отклонения должны быть минимальными и направленными в разные стороны. Опыт повторяют при установке якоря в различные положения по отношению к полюсам. При отсутствии напряжения постоянного тока в обмотку главных полюсов можно подавать напряжение переменного тока и использовать чувствительный вольтметр переменного тока.

Испытания, связанные с определением области безыскровой работы, необходимы для настройки добавочных полюсов машины и проводятся при номинальной частоте вращения путем изменения магнитодвижущей силы (МДС) обмотки добавочных полюсов. Определение области безыскровой работы проводят в режиме нагрузки при практически установившейся температуре активных частей машины, соответствующей номинальному режиму работы.

При промышленных испытаниях машин мощностью свыше 500 кВт допускается проводить это испытание в режиме короткого замыкания при номинальной частоте вращения. Изменение МДС обмотки добавочных полюсов производят одним из следующих способов:

· с помощью постороннего источника постоянного тока, который подключают к зажимам обмотки добавочных полюсов, включённой в общую цепь машины (при испытании машины высокого напряжения посторонний источник постоянного тока заземляют или, если это возможно, надёжно изолируют от земли);

· постороннего источника постоянного тока, питающего обмотку добавочных полюсов, отключённую от остальных цепей испытуемой машины (в этом случае ток дополнительного питания добавочных полюсов следует определять как разность между током нагрузки в момент отсчёта и током в обмотке добавочных полюсов);

· наложенной на добавочные полюса временной обмотки, питаемой от постороннего источника постоянного тока. В этом случае ток дополнительного питания получают приведением тока питания временной обмотки к числу витков добавочных полюсов (этот способ целесообразно применять только в тех случаях, когда отсутствует возможность применения первых двух способов);

· шунтирования обмотки добавочных полюсов (у машин с сильными добавочными полюсами).



Рис. 2.4. Кривые подпитки-отпитки машины постоянного тока со слабыми (а) и сильными (б) дополнительными полюсами

Таким образом, при испытаниях обмотку добавочных полюсов питают дополнительным током ±ДI, который изменяют постепенно до появления искрения. Проведя испытания при различных значениях тока якоря (I_Я), получают два ряда точек, определяющих верхнюю и нижнюю границы области безыскровой работы машины. Границы области должны соответствовать исчезновению искрения при изменении тока подпитки. Иными словами, внутри области машина работает со степенью искрения 1 по шкале ГОСТ 183-74*

Отклонение средней линии области безыскровой работы вверх от оси абсцисс (пунктирная линия на рис. 2.4, а) свидетельствует о том, что МДС обмотки добавочных полюсов является недостаточной. Отклонение средней линии области безыскровой работы вниз (рис. 2.4, б) указывает на то, что МДС обмотки добавочных полюсов является чрезмерной.

В первом случае необходимо увеличить МДС обмотки добавочных полюсов путём увеличения числа витков последней или уменьшить воздушный зазор под добавочным полюсом. Во втором случае, наоборот, нужно увеличить воздушный зазор под добавочным полюсом или уменьшить МДС обмотки добавочных полюсов.

ГЛАВА 3. ТЕХНОЛОГИЯ ДИАГНОСТИКИ ТЭД

3.1 Технология диагностики состояния отдельных узлов ТЭД

Сердечник статора. Ослабление прессовки сердечника приводит к его повышенной вибрации, которая контролируется специальными датчиками, установленными на корпусе машины. Повреждение межлистовой изоляции приводит к местным перегревам, которые контролируются либо термодатчиками, установленными в активной стали статора, либо тепловизорами, либо с помощью специальных термоиндикаторных покрытий. Эти покрытия наносятся на поверхность критических по перегревам узлов машины, и при достижении предельной температуры выделяют определенные газы и аэрозоли, которые выявляют при химическом анализе охлаждающего газа. На разные узлы машины наносятся покрытия различного химического состава, что позволяет не только зафиксировать местные перегревы, но и идентифицировать их источники. Кроме покрытий на опасные места могут устанавливаться термочувствительные «этикетки», изменяющие свой цвет при превышении порогового значения температуры места установки. Осмотр «этикеток» возможен только во время ревизии на остановленной машине.

Обмотка статора. Контроль теплового состояния обмотки осуществляется либо с помощью встроенных датчиков температуры, либо с помощью тепловизоров, либо путём химического анализа охлаждающего газа, в котором находятся продукты термического разложения изоляции. По концентрации продуктов разложения можно судить о степени перегрева изоляции. Контроль за местными перегревами можно проводить с помощью нанесения термоиндикаторных покрытий или термочувствительных «этикеток».

Контроль состояния изоляции осуществляется анализаторами ЧР, измеряющими интенсивность частичных разрядов. Сигналы на анализатор поступают от ёмкостных датчиков связи, устанавливаемых под пазовым клином.

Существующие анализаторы позволяют распознать следующие дефекты обмотки статора: ослабление крепления обмотки в пазу, повреждение полупроводящего покрытия, расслоение или плохая пропитка изоляции, отслоение меди от корпусной изоляции, существенный износ изоляции, ослабление крепления обмотки. В связи с высокой информативностью анализаторы получили широкое распространение в системах диагностики крупных электрических машин.

Воздушный зазор. Контроль воздушного зазора осуществляется с помощью систем оптического контроля, имеющих точность 0,05 мм при пределе измерения 40 мм.

С помощью таких систем, имеющих датчики на статоре и роторе, удаётся выявить радиальные колебания статора, неравномерное расширение статора при нагревании, динамические изменения воздушного зазора при изменениях режима работы и биение вала.

В технологическом процессе используются системы контроля воздушного зазора на базе ёмкостных датчиков. Они проще оптических и позволяют обойтись только датчиками, установленными на статоре.

Подшипники и подпятники. Для определения состояния подшипников осуществляется непосредственный (путём установки датчиков на баббитовых вкладышах) или косвенный (измерение температуры масла на входе и выходе подшипника) тепловой контроль, а также контроль вибрации.

Вибродиагностика Эти системы позволяют получать достоверную информацию о наличии следующих дефектов: разбалансировка якоря, несоосность вала, неравномерность воздушного зазора, дефекты уплотнений, трещины в якоре, структурные резонансы и ряд других.

В выпускной работе разработана система диагностики на базе автоматизированной системы контроля состояния тяговых электрических двигателей.

Система СКДГ контролирует температуру, электрические и механические параметры и выдаёт предупредительные и аварийные сигналы при выходе измеряемых величин за допустимые пределы.

Система имеет 120 каналов контроля, обрабатывает и сохраняет данные измерений и показатели режимов работы.

Наиболее универсальной в настоящее время считается разработанная по заказу EPRI система HYDROSCAN (фирма «МСМ Enterprise Ltd», США). Система включает сканирующее устройство, являющееся по существу диагностической системой состояния статора и якоря

Устройство (рис. 1) состоит из комплекта датчиков, стабилизатора питания, телеизмерительной системы, управляющего контроллера и пульта управления. Измерение температуры на статоре производится со стороны якоря, а температуры якоря - со стороны статора.

Сканирование поверхности расточки статора производится датчиками 6, установленными на роторе в межполюсном пространстве. Имеется 14 полос измерения температуры, обегающих все пазы статора (соответствует 7056 точкам измерения температуры на сердечнике статора). Частота опроса по пазам составляет 1 кГц, чувствительность - 1 °C на площади длиной 2,5 см и шириной, равной ширине зубца.

Развивающиеся повреждения стержней обмотки статора ТЭД, которые сопровождаются частичными разрядами в изоляции, определяются с помощью радиочастотных датчиков.

Для получения большей чувствительности и точности фиксации места разряда эти датчики устанавливают на оси полюса. Кроме того, контроль за частичными разрядами ведётся с помощью ёмкостных датчиков, встроенных в пазы статора.



Рис. 3.1. Расположение датчиков системе диагностических испытаний якоря ТЭД : 1 - датчики температуры обмотки якоря ; 2,3 - датчики температуры охлаждающего воздуха; 4 - датчик температуры окружающего воздуха; 5 - ёмкостные датчики смещения; 6 - датчики вибрации на подпятнике (вибрации на оборотной частоте и частоте сети); 7 - датчики вибрации (по двум осям в горизонтальной плоскости); 8 - датчики температуры корпуса подшипников, масла и охлаждающей воды; 9 - датчики температуры масла и виброускорения в подпятнике; 10 - датчики смещения; 11 - датчики вибрации вала;

Контроль величины воздушного зазора осуществляется двумя индуктивно связанными катушками, закреплёнными в воздушном зазоре. Разрешающая способность измерений воздушного зазора составляет 0,64 мм. В зазоре измеряется также вращающаяся составляющая магнитного поля (по трём осям с помощью датчиков Холла), позволяющая выявить витковые замыкания в катушках статора.

Выявление ослабления пазовых клиньев, крепления лобовых частей и вибрации сердечника статора осуществляется путём анализа шума с помощью трёх микрофонов, установленных в блоке датчиков. В блоке датчиков установлены также акселерометр для измерения вибрации ротора, устройство питания датчиков и оптоволоконное устройство передачи данных на приёмник 4.

Система диагностики (сканирующее устройство является её частью) контролирует:

- температуру воздуха в воздушном зазоре, состояние подшипников и щёточно-контактного аппарата.

- напряжение и силу тока обмоток статора и якоря, активную и реактивную мощность ТЭД, коэффициент мощности;

- вибрации на оборотной частоте и на частоте сети (датчики 6 на верхнем подшипнике).

Подшипники: вибрации по двум осям в горизонтальной плоскости (датчики 7); температуру на корпусе подшипников, температуру масла и воды охлаждающей системы (датчики 8); вибрации на подпятнике (датчики 9), а также расход масла в системе смазки и воды в системе уплотнения.

3.2 Диагностические методы измерения уровня шума и вибрации якоря ТЭД

Методы измерения уровня шума и вибрации при промышленных испытаниях установлены ГОСТ 11929-87 и ГОСТ 12379-75. Однако эти стандарты не устанавливают методы определения шума и вибраций в нестационарных процессах - пуски, реверсы, торможения и др.

Аэродинамический шум появляется в результате движения газообразной охлаждающей среды при вращении различных деталей и узлов электрической машины (ротор, вентилятор, коллектор и др.). Чем сильнее турбулентность движения газа, тем выше уровень шума. Отражающиеся от вращающейся поверхности завихрения газа вызывают широкополосный шум, энергия которого спектрально распределена по всему диапазону слышимости.

Шум вентилятора в основном зависит от его окружной скорости. Так, у электрических машин с окружными скоростями свыше 60 м/с общий уровень шума определяется в большинстве случаев только аэродинамическим вихрем вентилятора. К аэродинамическим шумам относятся и сиренные эффекты, когда сжатый вентилятором воздух или газ наталкивается на такие препятствия, как рёбра корпуса или подшипникового щита, крепящие болты и другие подобные детали. Эти препятствия становятся излучателями звуковых волн. В случае равномерного шага лопаток вентилятора основная частота (Гц) сиренного звука

f = zn,

где z - число лопаток вентилятора; п - частота вращения, об/с.

Магнитный шум появляется вследствие возникновения вынужденных колебаний статора и ротора электрической машины под действием знакопеременных электромагнитных сил, имеющих периодический характер. Магнитный шум в основном обусловлен радиальными силами, пропорциональными квадрату магнитной индукции в воздушном зазоре машины. Из-за сложного характера распределения магнитного поля в воздушном зазоре возникающий магнитный шум является широкополосным.

Шум подшипников обусловлен небалансом и неточностью изготовления элементов подшипников качения. Интенсивность шума возрастает с увеличением диаметра подшипника, скорости вращения вала, сил одностороннего магнитного тяжения и неуравновешенности ротора.

Основная частота шума, обусловленного небалансом подшипников, не превышает частоту вращения ротора, т. е. приходится на нижний диапазон слышимости. Неточность изготовления подшипников приводит к появлению шума с частотой, превышающей частоту вращения ротора и пропорциональной количеству деформированных тел качения и дефектов их поверхностей, а также дефектов других частей подшипников.

Шум щёток возникает при их скольжении по коллектору и контактным кольцам и зависит от качества поверхностей коллектора и контактных колец, состояния притирки щёток и степени их давления на коллектор и контактные кольца. В составляющих шума щёток наиболее выраженные звуки обусловлены периодическим прохождением коллекторных пластин под щётками (так называемый шум удара). Частота этих звуков пропорциональна частоте вращения и количеству коллекторных пластин, поэтому шум щёток является высокочастотным.

Шум, возбуждаемый механическими факторами, возникает вследствие распространения вибраций подшипников или внутренних частей машины на большие площади фундаментов или кожухов. Этот структурный шум преобразуется в аэродинамический и излучается в окружающую среду. Если причиной вибрации является плохая балансировка ротора, то шумы в большинстве случаев являются низкочастотными, так как нижняя граница диапазона слышимости 16 Гц соответствует частоте вращения 960 об/мин.

По уровню шума электрические машины разделены на четыре класса. К классу 1 относят машины, к которым не предъявляются требования по ограничению уровня шума, а также машины, разработанные до 1985 г. и доработка которых до класса 2 нецелесообразна; к классу 2 - машины экспортного исполнения и вновь разрабатываемые машины, к классу 3 - малошумные машины с малошумными подшипниками качения и глушителями вентиляционного шума, к классу 4 - особо малошумные машины, в которых дополнительно предусмотрены пониженное использование активных материалов и установка звукоизолирующего кожуха. Предельные значения уровней шума машин классов 2, 3, 4 должны быть ниже уровней шума машин класса I на 5,10 и 15 дБ соответственно.

При проведении контрольных испытаний помещение считается пригодным для измерений шума по методу свободного поля, если средний уровень звука увеличивается не менее чем на 5 дБ при двукратном уменьшении расстояния r₁ от центра источника до точек измерения шума или средний уровень звука уменьшается не менее чем на 4 дБ при увеличении указанного расстояния в два раза.

В идеальном свободном поле без затухания изменение среднего уровня звука L₂ при увеличении расстояния до r₂ = 2r₁ составляет 6 дБ в соответствии с выражением

L₂ = L₁ + 20lg(r₁/r₂),

где

L₁ - известное значение уровня интенсивности звука на расстоянии r₁ от источника.

Измерение шума в свободном поле. Если пол в испытательном помещении обладает хорошим звукопоглощением (коэффициент звукопоглощения не менее 0,8), машину помещают на высоте не менее 1 м над центром пола и не ближе 1,5 м от потолка.

В случае звукоотражающего пола (коэффициент звукопоглощения не более 0,05) испытуемую машину располагают на полу или непосредственно над полом вблизи от его центра. Звукоотражающий пол должен простираться во все стороны за измерительную поверхность так, чтобы линейные размеры звукоотражающей плоскости (пола) были больше проекции измерительной поверхности, образованной измерительными линиями (рис. 3.2).

Во время измерений корпус шумомера и другие приборы, а также наблюдатель должны находиться на расстоянии не менее 1 м от микрофона.

...