автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Модернизация конструкции асинхронных вспомогательных двигателей электровозов

На правах рукописи

Гирник Андрей Сергеевич

МОДЕРНИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ АСИНХРОННЫХ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗОВ

Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 О НОЯ 2011

Томск-2011

4859592

Работа выполнена на кафедре «Электромеханические комплексы и материалы ЭКМ» ФГБОУ ВПО Национального исследовательского Томского политехнического университета.

Научный руководитель: кандидат технических наук

Рапопорт Олег Лазаревич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Беспалов Виктор Яковлевич

кандидат технических наук Гусельников Андрей Эдуардович

Ведущая организация: Обособленное подразделение

«Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники» НИИ АЭМ ТУСУР, г. Томск.

Защита состоится «7» декабря 2011 г. в 15 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.11 при ФГБОУ ВПО Национальном исследовательском Томском политехническом университете по адресу: 634050, г. Томск, ул. Усова, 7, аудитория 217.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО Национального исследовательского Томского политехнического университета.

Автореферат разослан 0% 2.0 И г.

Учёный секретарь

совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.11, кандидат технических наук, доцент // р Ю.Н. Дементьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Железнодорожный транспорт в транспортной системе страны всегда занимал и занимает особое место, обеспечивая бесперебойную доставку грузов практически во все регионы. Надёжное функционирование железной дороги способствует стабильности экономии и росту благосостояния государства.

Используемые в качестве тяговых средств, локомотивы являются наиболее ответственными элементами в системе железнодорожного транспорта, к надёжности которых предъявляются особые требования. Главным из последних является безотказность тягового электропривода.

В его состав входят тяговые электродвигатели (ТЭД), аппаратура управления ТЭД и вспомогательные электрические машины (ВЭМ), обеспечивающие требуемые условия работы ТЭД.

В современных локомотивах в качестве вспомогательных электрических машин применяют асинхронные двигатели. Эксплуатация этих машин на транспорте отличается от общепромышленных условий низким качеством напряжения, повышенной вибрацией, тяжелыми климатическими условиями. Поэтому транспортные электрические машины всегда составляют отдельную группу. В развитие теории их проектирования и эксплуатации большой вклад внесли выдающиеся учёные: А.Е. Алексеев, Б.Н. Красовский, М.Д. Находкин, В.А. Кучумов, A.C. Курбасов, Л.А. Курочкин, В.Т. Касьянов, В.П. Янов, В.И. Бочаров, М.Ф. Карасёв, B.C. Хвостов, А.Б. Иоффе, В.Е. Скобелев, Б.Н. Тихменёв, Б.К. Баранов, В.Д. Авилов, Ш.К. Исмаилов, Р.Ф. Бекишев и многие другие.

Асинхронные вспомогательные электрические машины (АВЭМ) выполняют функции приводов вентиляторов охлаждения ТЭД и резисторов, приводов компрессоров. Современные схемы управления ими построены либо на известной схеме расщепления фазы или на основе микропроцессорных систем.

Статистика отказов АВЭМ за последние годы показывает, что надёжность этих машин уменьшается. В особенной степени это проявляется на новых электровозах 2ЭС5К «Ермак», где число внеплановых ремонтов за последние годы увеличилось более чем в 2,5 раза из-за неисправностей АВЭМ. Эта проблема наиболее выражена при организации питания АВЭМ по конденсаторной схеме. Однако проявление неисправностей АВЭМ НВА-55 в виде выплавления алюминиевого сплава обмотки ротора требует выяснения причин возникновения потерь, приводящих к таким перегревам.

В условиях локомотива на качество работы трёхфазного асинхронного двигателя действует несколько факторов: несимметрия питающего напряжения, формируемого от однофазной сети; выбор конденсаторной схемы и качество её функционирования; качество проекта АВЭМ и технология изготовления.

Исследованию влияния этих факторов на энергетику машин по отдельности посвящены работы многих выдающихся учёных: А.И. Адаменко, А.И. Постников, И.Б. Башук, И.М. Булаев, А.И. Валиков, А.И. Вольдек, И.М.

Камень, М.А. Морозов, Е.М. Лопухина, A.C. Курбасов, Ю.С. Чечет и многие другие.

Однако в этих исследованиях нет убедительных доказательств того, что в реальных АВЭМ НВА-55 на реальных электровозах указанные выше факторы в отдельности могут вызвать потери, приводящие к выплавлению алюминия. Проявление этой неисправности является системным в течение нескольких последних лет и не устраняются применением отдельных мер со стороны производителя (например, заменой алюминиевого сплава клетки ротора на медные стержни) или со стороны железной дороги (контроль параметров конденсаторов).

Учитывая большие экономические потери, связанные с отказами сотен ВЭМ в течение года, проблема повышения качества этих машин, работающих в качестве вспомогательных на электровозах 2ЭС5К, является весьма актуальной.

Цель работы. Целью работы является системное исследование влияния факторов на качество работы асинхронных вспомогательных двигателей на локомотиве и разработка системы схемотехнических, конструкторских и технологических решений по устранению их отказов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

1. Сделать анализ качества напряжения бортовой сети электровоза и оценить характер его воздействия при реализованных схемах управления на характеристики АВЭМ.

2. Разработать математическое описание и математические модели асинхронного вспомогательного двигателя для исследования работы при совместном действии несимметричного напряжения, наличии временных гармоник и технологических дефектов в стержнях обмотки ротора и исследовать их влияние на энергетические показатели АВЭМ.

3. Разработать математическую модель конденсаторного пуска асинхронного двигателя в группе других с питанием от однофазной сети для исследования изменения фазных токов и напряжений.

4. Модернизировать конструкцию активной части АВЭМ.

5. Разработать алгоритм и систему мониторинга теплового состояния вспомогательного асинхронного электродвигателя при эксплуатации на электровозе.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Получено математическое описание асинхронного двигателя отличающееся от известных ранее вариантов подробным рассмотрением совместного влияния качества питающего напряжения и дефектов стержней обмотки ротора на показатели машины.

2. Создана математическая модель АВЭМ, позволяющая исследовать особенности режимов при его пуске в группе с другими двигателями с питанием по конденсаторной схеме от однофазной сети.

3. Математическое моделирование группового включения вспомогательных асинхронных двигателей по конденсаторной схеме позволило определить возникающие при пуске броски токов и напряжений.

4. Разработан алгоритм и система мониторинга теплового состояния асинхронного АВЭМ при условиях эксплуатации на локомотиве.

Практическая ценность работы заключается в следующем.

1. Проведённые с использованием математической модели исследования позволили установить, что критический перегрев обмотки ротора возникает при совместном влиянии низкого качества напряжения питания и выраженной дефектности обмотки ротора.

2. Разработаны рекомендации по модернизации конструкции активной части АВЭМ, позволяющей снизить тепловую нагрузку.

3. Разработаны элементы конструкции активной части вспомогательного двигателя и проведён расчёт, показывающий возможность снижения тепловой нагрузки ротора не менее чем на 30%.

4. Разработана программа и предложена микропроцессорная система теплового мониторинга асинхронных двигателей при эксплуатации на подвижном составе.

Положения, выносимые на защиту.

1. Математическая модель АВЭМ, позволяющая учитывать совместное влияние качества питающего напряжения и дефектов технологии изготовления обмотки ротора на энергетические показатели машины.

2. Математическая модель группового включения трёхфазных АВЭМ по конденсаторной схеме питания от однофазной сети.

3. Микропроцессорная система мониторинга теплового состояния и алгоритм её функционирования для вспомогательных асинхронных двигателей в условиях эксплуатации.

4. Экспериментальные исследования качества питающего напряжения на зажимах АВЭМ при их эксплуатации на электровозе 2ЭС5К.

5. Экспериментальные исследования для оценки адекватности математических моделей.

Методы исследований. Перечисленные в диссертационной работе задачи решаются методами теории электрических машин, численного моделирования и экспериментальных исследований в лабораторных условиях и в процессе натурных исследований.

В исследованиях использовались программные продукты: Ма11аЬ 7, МаШсас! 14, Е1сШ 4.2т.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы были использованы в качестве рекомендаций на Новочеркасском электровозостроительном заводе «НЭВЗ» для производства АВЭМ. Разработанная в диссертационной работе экспериментальная установка для исследования работы асинхронного двигателя при несимметричном питании используется в учебном процессе Национального исследовательского Томского

политехнического университета при подготовке студентов бакалавров и магистров направления 140400 «Электроэнергетика и электротехника».

Апробация работы. Материалы исследования докладывались и получили одобрение на следующих конференциях.

1. XIV Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2008г.).

2. XV Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2009г.).

3. VI Международная научно-техническая конференция «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск, 2009г.).

Кроме того, принималось участие в совещаниях по надёжности АВЭМ, проводимых вице-президентом ОАО «РЖД» В.А. Гапановичем.

Публикации. Общее количество публикаций по теме диссертации - 7, из них: 3 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК, 4 работы опубликовано в трудах конференций, получено свидетельство на регистрацию программы для ЭВМ.

Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 176 страницах машинописного текста, содержит 64 иллюстраций, состоит из 4 глав, заключения, списка литературы из 107 наименований и 8 приложений.

Автор выражает благодарность научному консультанту Цукублину Анатолию Борисовичу за неоценимую помощь при работе с диссертацией.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность задач по исследованию работы вспомогательных асинхронных двигателей в условиях несимметричного и несинусоидалыюго питания в группе АВЭМ от однофазной сети, а также вопросы модернизации данных машин. Сформулирована цель, поставлены основные задачи, описана научная новизна и практическая ценность диссертационной работы, приведена краткая аннотация выполненной работы по разделам.

В первой главе приведён анализ особенностей конструкции и условий работы асинхронных вспомогательных двигателей электровозов. Приведены результаты экспериментальных исследований качества напряжения питания АВЭМ, полученные при ходовых испытаниях электровозов ВЛ-85, 2ЭС4К, 2ЭС5К. Показано, что качество питающего напряжения на зажимах АВЭМ не удовлетворяет требованиям ГОСТ по допустимой несимметрии и несинусоидальности напряжения. Уровень несимметрии питающего напряжения достигает 6,3%, а уровень гармоник может достигать 20%. Поставлено предположение о низком качестве изготовления роторов АВЭМ на основании проведённой ревизии результатов выплавления роторных клеток при эксплуатации вспомогательных двигателей. Проведён критический обзор существующих методов исследования асинхронных двигателей в условиях несимметричного и несинусоидального питания, а также несимметрии

роторной цепи машины. Проанализированы результаты работ, ранее проделанных по данной тематике. Поставлены основные задачи исследования.

Во второй главе разработана математическая модель, позволяющая исследовать работу асинхронного двигателя при наличии несимметричного питающего напряжения, высших временных гармоник питания и при наличии дефектов стержней ротора. Проверена адекватность разработанной математической модели и представлены результаты практического эксперимента. Проведены исследования режимов работы вспомогательных асинхронных двигателей в условиях несимметричного и несинусоидалыюго напряжения питания при наличии дефектов в роторе с помощью разработанной математической модели. Сделаны выводы о необходимой модернизации конструкции вспомогательных машин.

Математическая модель для исследований реализована в программном продукте МАТЬАВ 7.0 БШиЫЫК и записана через мгновенные фазные величины:

о=/,/?; +

(О

г2 2 Л \

(2)

,/„«»[ ? + (*-!) — -120° ; (3)

Vir, 1+

4=2 ^ »

(¿S/1 cos (-<p) + iSB cos {-<p +120°) + isc cos (-</> + 240°)) ;

■I, r \ г V ■ I , 360° I , . I I ,136°C Vb-38 = ¡r38 +Lm) + L„,Zj 'n, C0S k- + К Чл COS "Ç) "(w2 - 1)-

т1 J , l "¡2

+h

( ЧпО'Л f ЧбП"4!

, cosj^-ip +120°~(m2 -1)—J + isc cos^-<p + 240°-(m2 -

M2=-L,„P, Z 's» Z '<*sina»i

—АЛ.С 4=1.2..38

o>2=^){M2-M„)dr,

J n

Ц)2 =

(5)

(6) (7)

где Usa, Usb, í/sc - действующие значения питающих фазных напряжений статора;

/и, i SB, isc, Visa, Vzsb, Vise 0™ i л, i^r™ '/'ггб, У&с) - токи и потокосцепления фаз статора (ротора);

Мг~ вращающий момент на валу двигателя; Мн - момент нагрузки;

<рг и со2 - угол поворота и частота вращения ротора;

(0\ - угловая частота питающей сети;

L„i - индуктивность от полей рассеяния статора;

Lai - индуктивность от полей рассеяния ротора;

Lm - взаимная индуктивность между статором и ротором;

Ri - сопротивление фазы статора;

R'2- приведённое сопротивление фазы ротора;

t - время;

р\ - число пар полюсов;

a„i¡ - угол поворота фазы ротора относительно фазы статора; isn и ¡л - токи фаз статора и ротора; J - момент инерции ротора;

тг - число фаз ротора, в данном случае равно числу стержней - 38; к - номер стержня по порядку.

Данная модель построена с учётом следующих допущений.

1. Электрическая машина имеет гладкий равномерный воздушный зазор, поэтому, в данной модели не учитываются высшие пространственные гармоники магнитного поля.

2. Все параметры линейные.

Для оценки адекватности данной математической модели при несимметричном и несинусоидальном питании проведён практический эксперимент на физической модели, представляющей собой совокупность системы питания, асинхронного двигателя АД80, нагрузочного генератора П-32 и измерительных приборов. При этом задавался различный уровень несимметрии питания при помощи однофазных регуляторов напряжения, подключённых к каждой фазе двигателя. Фазные напряжения и токи измерялись с помощью датчиков напряжения и токов, и эти данные подавались в электронное измерительное устройство, после чего обрабатывались на компьютере. Также учитывался и уровень высших временных гармоник, присутствующих в питающем напряжении. Рассчитывались электрические потери при несимметричном и несинусоидальном питании по фактически измеренным напряжениям и токам. Кроме того, проводилось моделирование тех же режимов работы двигателя на компьютере. Погрешность между экспериментальными и расчётными данными электрических потерь составляет не более 5%.

Для оценки адекватности математической модели при наличии дефектов в роторной клетке проводился практический эксперимент на заводе ОАО «Сибэлектромотор» с использованием испытательной станции. При этом проводились измерения фазных токов двигателя при медленном вращении ротора с высверленными 1-м, 2-мя и 3-мя стержнями. Те же режимы моделировались на компьютере, и погрешность расхождения экспериментальных и расчётных токов статора не превышает 8,2 %.

Пример результата моделирования работы АВЭМ НВА-55 при пяти дефектных стержнях с участками уменьшенного сечения приведён на рис. 1. При этом дефектный участок составляет по своей протяжённости 5% от длины всего стержня, а его площадь поперечного сечения уменьшена в 9 раз.

Рис. 1. Токи в роторе двигателя НВА-55 при 5-ти дефектных стержнях.

9

В таблице 1 приведены данные температур при моделировании режимов работы АВЭМ НВА-55 в условиях несимметричного и несинусоидального питания при наличии дефектов в роторе. При этом использовались реальные данные качества питающего напряжения, снятые при ходовых испытаниях электровоза 2ЭС5К «Ермак». При этом наибольшая величина несимметрии питания составляет 6,3%, а суммарный уровень высших временных гармоник до 26,5%.

Таблица 1. Температуры самых нагретых точек вспомогательного двигателя электровоза 2ЭС5К «Ермак»_

Варианты несимметричного электропитания

Параметр — Реальные условия питания 2ЭС5К

1 2 3 4 5 6

и„, % 0 26,5 4,5 26,5 7,5

кп, % 0 0 3 4 6,3

к„,% 100 100 120 100 1 96

Температуры при отсутствии дефектов стержней ротора

130 138 152 155 175

130 138 131 150 167

Температуры при одном деффектном сте ржне ротора

210 222 243 247 278

282 296 282 317 350

Температуры при двух деффектных стержнях ротора

Ь, "С 302 320 350 352 396

392 412 393 440 483

Температуры при трёх деффектных стержнях ротора

С 393 416 455 457 512

'л, "С 507 532 506 568 623

Температуры при четырёх деффектных стержнях ротора

'л °с 483 512 560 561 628

'я, "С 600 628 600 670 734

Температуры при пяти де! >фектных стержнях ротора

565 600 655 656 -

692 725 690 773 -

В таблице 1 использованы следующие обозначения.

- суммарный уровень высших временных гармоник 3, 5, 7 и 9 порядков в питающем напряжении.

к\2 - коэффициент несимметрии, определяемый как отношение напряжения обратной последовательности {/^ к напряжению прямой последовательности С/ц.

к\\ - коэффициент напряжения прямой последовательности, определяемый как отношение £/ц к номинальному фазному напряжению питания двигателя 220 В.

^ - температура самой нагретой точки изоляции статора. - температура стержня ротора или дефектного участка при его наличии.

Условия работы АВЭМ НВА-55 на электровозе 2ЭС5К «Ермак» характеризуются низким качеством питающего напряжения, большим количеством отказов, многие из которых проявляются в выплавлении алюминиевого сплава обмотки ротора, что говорит о больших потерях в роторе при эксплуатации.

Проведённая работа в главе 2 позволяет сделать следующие выводы.

1. Разработана новая математическая модель асинхронного двигателя, позволяющая комплексно учесть влияние несимметричного и несинусоидального питающего напряжения при наличии дефектов роторной клетки на работу машины.

2. Исследования показали, что предельные фактические значения несимметричных напряжений питания, высших временных гармоник напряжения и тока приводят к увеличению температуры нагрева обмоток статора и ротора, превышающей допустимое значение для класса изоляции Р.

3. Принятая технология изготовления роторов НВА-55 допускает наличие дефектов в обмотки ротора. Исследования влияния дефектов в обмотке ротора с учётом низкого качества питающего напряжения показало сильное увеличение температур нагрева локальных участков роторных стержней и обмотки статора. Так при нескольких дефектных стержнях эти температуры достигают более 600°С.

4. Исследования по главе 2 позволили рекомендовать модернизацию конструкции асинхронного вспомогательного двигателя для снижения греющих электрических потерь при фактическом качестве напряжения.

В третьей главе проработаны вопросы поэтапной модернизации конструкции вспомогательной машины электровоза и схемы электрического питания АВЭМ. Разработана математическая модель группы асинхронных двигателей, питающихся от однофазной сети по конденсаторной схеме. Исследованы режимы работы АВЭМ при её одиночном пуске, а также при уже работающих параллельно соседних в группе машинах. Схема электрического

Алгоритм работы схемы по рис. 2 заключается в следующем.

1. Пуск двигателя I включением КМ1, при этом к зажимам «а» и «б» подключаются все три конденсатора Сь С2 и С3, образуя пусковую ёмкость.

2. Отключение ёмкостей С2 и С3 и перевод таким образом двигателя I в номинальный рабочий режим.

3. Пуск следующего двигателя II включением КМ2, при этом снова к зажимам «а» и «б» подключаются все конденсаторы.

4. Отключение ёмкости Сз и перевод, таким образом, двигателя II в номинальный рабочий режим.

5. Пуск двигателя III включением контактора КМЗ и ёмкости Сз.

Особенностью такой схемы питания является то, что каждый

асинхронный двигатель является расщепителем фаз для соседних параллельно работающих машин.

Математическая модель асинхронных двигателей при групповом включении по схеме рис. 2 показана ниже.

С использованием метода симметричных составляющих, определяются токи и напряжения в фазах какого любо двигателя в группе:

Л =4.+4; (8)

h =a-iu+a2-il2; (9)

/с=я2-/,,+«•/,,; (10)

v,* = vu+üt2=iu-zn+ia-zn-, (11)

ÜB =a-Uu + a2 •{/,, =o./„ -Zn + a2 •/,, -Z,2; (12)

Üc=a2-Ün+a-Üv_ = a2-iu-Zu + aJu-Zl2, (13)

.2*

где a = e 3 - оператор поворота вектора на 120°;

Ü„ и Ün - напряжения прямой и обратной последовательностей;

Z„ и Z,, - комплексные сопротивления статора прямой и обратной последовательностей;

Z21 и Z,, - комплексные сопротивления ротора прямой и обратной последовательностей.

Сопротивления Zn и Z12, Z,, и Z„ находились по следующим соотношениям:

+ ,(14)

Л»

Z2, = j ■ V ■ Х'2 ■ КхгуШЪ + Rl КГп'; (15)

S2v

Z„ = Я, +j.v.Xt -Kxsiämh, +[z0l! +Z-;]"'; (16)

ZI2 =Rl+j-v-KXs,.MI2r+[z0l+Z1f\'; (17)

Z,=j-vXm, (18)

где v - номер гармоники;

Jiv и sjv- скольжения для поля прямой и обратной последовательностей гармоники v, o.e.;

R\ - активное сопротивление фазы статора, Ом; R 'г - активное приведённое сопротивление фазы ротора, Ом; Х\ - индуктивное сопротивление фазы статора на частоте 50 Гц, Ом; Х'2 - приведённое индуктивное сопротивление фазы ротора на частоте 50 Гц, Ом;

Хт - индуктивное сопротивление цепи намагничивания на частоте 50 Гц,

Ом;

Zq,v - комплексное ёмкостное сопротивление конденсатора Ср гармоники

v, Ом;

Кгги и K.V22v — коэффициенты увеличения сопротивления ротора под влиянием эффекта вытеснения тока от полей прямой и обратной последовательностей гармоники v, o.e.;

Kxr~9ulc2w и КхГ'яшсгъ - коэффициенты уменьшения индуктивного сопротивления ротора под влиянием эффектов вытеснения тока и насыщения от полей прямой и обратной последовательностей гармоники v, o.e.

Были получены следующие выражения для определения токов прямой и обратной последовательности одного из двигателей:

(VWVZni/iM«-«1)

I _ U ■Yi\zW)-Zmn)-Zull)-ZCp-a-Zmi)-Z^„))\a-a2)-U ^qj

(\2-гщ1)+\-гпи)}(а-а>)

где

А, =ZC/,ZIH//)y2+y1(a-a2)

Zuu)Zintn~ZCpZn(l/) 2a(ZumZli(n)} Zn{nZCp + +<j(Z, HI)ZCp) + a(zmmzcp) ■+ a1 (Z, 1(i)Z, 1(;())

^=ZCp-Zuw-y1+h-(a-a1)'

Zi2(i)'(2'ZU(IJ) ¿q,) a ■{Zu(,)-Zuun^ +ZCp +

(21)

; (22)

'{Zcp'Zmi)) a'{Zl2(I) ~Z\ |(//))

Y\ -Zm„)'ZCp -2-Z,,,,,, -Zmin + a-Z,Hm -Z12(;/) + ZW1) -ZCp + a -(Z11(H) -Zmil)), (23)

У2 = ZC„ •(¿ii(H)-2n(fl)+a2'-2'i2(H)_a'2inff))-

Также вычислялись вращающие моменты, как разность моментов созданных полями прямой и обратной последовательностей соответствующей гармоники по следующим соотношениям:

М = , (25)

где m - число фаз (в данном случае 3);

Q.cv - синхронная частота вращения гармоники v.

Для оценки адекватности данной математической модели проведён практический эксперимент с одним и двумя экземплярами двигателей АД80. Пуск двигателя производился по схеме рис. 2 как одиночный, так и при одновременно работающей в установившемся режиме второй машине. На рис.

3 показана диаграмма экспериментально снятых данных линейных напряжений и фазных токов.

Рис. 3. Диаграмма экспериментальных данных На диаграмме рис. 3 обозначены следующие интервалы: а - одиночный пуск двигателя при пусковой ёмкости 75 мкФ; б - промежуток времени, когда двигатель после пуска ещё работает при пусковой ёмкости 75 мкФ и производится переключение конденсаторных батарей на рабочую ёмкость 15 мкФ;

в - работа двигателя при рабочей ёмкости 15 мкФ;

г - пуск второго двигателя при одновременно работающей в установившемся режиме предыдущей машине. Ёмкость конденсаторных батарей при этом составляет 75 мкФ;

д - промежуток времени, когда двигатель после пуска ещё работает при пусковой ёмкости 75 мкФ и далее отключается питание всех машин.

Для сравнения результатов опыта и моделирования произведён расчёт напряжений и токов двигателя в процессе пуска. Моделирование этих режимов осуществлялось при тех же заданных условиях, что и в практическом эксперименте. Погрешность между опытными и расчётными данными в отдельных точках не превышает 7 %.

На рис. 4-6 показаны диаграммы электрических перенапряжений при пуске НВА-55, полученные с помощью математической модели группового включения асинхронных двигателей (8-25) при однофазном питании по конденсаторной схеме (рис. 2).

п2, 1300 об/мин

0.12 0.24 0.36 0,43 0.6 0.72 0.84 0.96 1.08 1.2 Тп, сек.

Рис. 4. Диаграмма линейных напряжений двигателя при его одиночном пуске от однофазного питания 470 В и пусковой ёмкости 2178 мкФ

П2, 1300Г Ifc,, 315О Use, В

об/мин 1200

900

430

Оса, г

-600

-400

•200

1480o б/мин. nl* / -..... У /■

4955-5-Ш

—470Я-— —г.....Л

Use //

Jüw, / /

_ZJJ& s

Т» ек.

Ту 1 1

0.2

0.4 0.6

Т„, сек.

0.8

1.0

Рис. 5. Диаграмма линейных напряжений двигателя при его пуске от однофазного питания 470 В и пусковой ёмкости 2178 мкФ одновременно с работающей в длительном режиме соседней асинхронной машиной

об/мин.

1200

900

450

Г Цив,В™ иве, В исл,В 1480о6/мин «2/ / у У г

...У.'......* ш -у

-............400 / / / / Т Г' 1?СА ¡УаВ

----------------0 т» оригГ в с ек.

1 1

Тп, сек.

Рис. 6. Диаграмма линейных напряжений двигателя при его пуске от однофазного питания 470 В и пусковой ёмкости 2178 мкФ одновременно с работающими в длительном режиме двумя асинхронными машинами

По рис. 4 видно, что одиночный пуск двигателя сопровождается сильными бросками линейных напряжений, которые могут достигать 710В, что выше допустимого напряжения 660В для используемой изоляции статора, и может являться причиной её ускоренного старения. При пуске двигателя одновременно с работающей в длительном режиме соседней асинхронной машиной, броски напряжений ниже, чем при одиночном пуске, и составляют до 510 В (рис. 5). При пуске одновременно с двумя работающими в установившемся режиме двигателями (рис. 6), перенапряжения не превышают 480 В.

На этапах модернизации конструкции НВА-55 проработано четыре варианта двигателя с различной степенью уменьшения активного сопротивления ротора с целью снижения греющих электрических потерь для уменьшения тепловых нагрузок на машину (таблица 2). При этом материал клетки ротора заменён с алюминиевого сплава на медь, предусмотрены аксиальные вентиляционные каналы в роторе. Изоляция статора применена на номинальное напряжение 3300В для увеличения её стойкости к электрическим перенапряжениям при пуске. При удлинении активной части более чем на 15%, изменена конструкция подшипниковых щитов двигателя и установлен дополнительный осевой вентилятор для улучшения условий охлаждения. Кроме того, в схеме питания группы АВЭМ по рис. 2 введена дополнительная пусковая ёмкость для обеспечения необходимого пускового момента 130Н-М при линейном напряжении питания 280В в связи со снижением активного сопротивления роторной клетки НВА-55.

Таблица 2

Режим Температуры самых нагретых точек статора и ротора для разных вариантов двигателя НВА-55, °С

Оригинал Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4

Материал клетки ротора Алюминий Медь Медь Медь Медь

Симметричное питание 130 107 101 96 92

Несимметричное питание 6,3% с временными гармониками до 12% 175 143 136 139 122

Один стержень ротора с участком уменьшенного сечения 278 225 217 202 195

Среднее уменьшение температуры самых нагретых точек, %

— 18 22 26 30

Уменьшение активного сопротивления ротора, %

— - 43 53 58 62

Изменение геометрических размеров, %

Увеличение глубины паза ротора — 90 120 150 175

Удлинение активной части — 15 20 23 25

Увеличение внутреннего диаметра статора — 0 2 5 8

Энергетические показатели

КПД, % 90,2 91,7 92,0 92,5 93,0

соэф, о.е. 0,820 0,798 0,788 0,780 0,771

Выше приведённые решения по изменению конструкции вспомогательного двигателя и схемы его питания позволяют в комплексе повысить устойчивость данной асинхронной машины к работе в условиях несинусоидального и несимметричного питающего напряжения, а также ликвидировать проблемы, связанные с расплавлением клетки ротора в ходе эксплуатации двигателя.

Кроме того, выполнено экономическое обоснование модернизации двигателя НВА-55. При этом рассматривалось три варианта.

1. Существующее состояние, которое характеризуется большим количеством отказов, подтверждённых статистикой локомотивных депо.

2. Обеспечение симметрии питающего напряжения применением для каждого двигателя преобразователя частоты, который одновременно обеспечивает плавный пуск и регулирование частоты вращения.

3. Модернизация конструкции двигателя под неизменные условия питания и управления на электровозе.

При этом была обоснована целесообразность модернизации конструкции двигателя под неизменные условия питания и управления на электровозе как наиболее выгодного решения.

В четвёртой главе проработаны вопросы по защите асинхронных вспомогательных машин от тепловых перегрузок, вызванных несимметрией и наличием высших временных гармоник питания, а также наличием дефектов стержней ротора. Разработана система мониторинга теплового состояния асинхронных машин. В работу данной системы заложен принцип «суперпозиции», при котором по отдельности учитывается влияние несимметричного и несинусоидального напряжения, а также дефектов стержней ротора на работу асинхронного двигателя. Структурная схема системы мониторинга приведена на рис. 7.

Питание А<? В? С?

И

" Коэффициенты добавочный потерь

1_.

Вычисление температур изоляции статора ^ и стержня ротора 1Г

—«| —

Контроль и отображение температур на экране монитора

Рис. 7. Система мониторинга теплового состояния асинхронных машин

Принцип работы системы заключается в следующем.

1. С помощью датчиков тока и напряжения снимаются с зажимов двигателя потребляемый фазный ток и линейные напряжения.

2. Данные напряжений и тока преобразуются в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя.

3. Вычисляются коэффициенты несимметрии, гармонической составляющей и величина колебаний фазного тока частотой где ^ -частота питающей сети, э - скольжение.

4. Вычисленные коэффициенты обрабатываются передаточными функциями для расчёта выделяемых в двигателе добавочных греющих потерь под влиянием таких факторов, как: несимметрия и несинусоидальность напряжения питания, наличие дефектов в роторе. Данные передаточные функции представляют собой зависимости добавочных электрических и магнитных потерь от таких величин, как несимметрия питания, уровень высших временных гармоник питания, количество дефектных стержней. Эти передаточные функции предварительно получены с помощью математической модели асинхронного двигателя, построенной через мгновенные величины токов, напряжений и потокосцеплений (1-7) на основании рассчитанных токах при различной несимметрии и несинусоидальности питания, а также при несимметрии сопротивления роторной клетки.

5. На основании вычисленных добавочных греющих потерь определяются температуры самых нагретых точек двигателя. Для вычисления используются передаточные функции, представляющие собой зависимость изменения добавочной температуры от изменения добавочных греющих потерь. Эти функции предварительно получены с помощью программного продукта Е1сШ, позволяющей рассчитать температурное поле в двигателе при заданном тепловыделении в различных участках машины. Для учёта дефектов роторной клетки, используется передаточная функция и„ которая позволяет определить число дефектных стержней по уровню тока статора частотой ^(Ш) для последующей корректировки температур, вычисляемых в блоке 6.

Передаточные функции расчёта добавочных потерь и температур, могут быть предварительно рассчитаны для ряда машин и храниться в памяти МПУ.

Для оценки адекватности системы мониторинга проведён сравнительный анализ результатов практического эксперимента, проведённого на предприятии «ВЭлНИИ» по измерению температур двигателя при несимметричном питании, и результатов расчёта этих температур с помощью данной системы (таблица 3).

Таблица 3

Питание напряжением прямой и обратной последовательностей соответственно £/,, и £/,2, при мощности на валу Рч £7,1=255 В £7,2=25 В Рг=39 кВт С/1 ,=490 В (7п=25 В Р2=50 кВт

Температура обмотки статора опытная, °С 124 151

Температура обмотки статора расчётная, °С 130 158

По результатам из таблицы 3 видно, что погрешность между опытными и расчётными данными составляет до 5 %. Разработанная система мониторинга позволяет своевременно предотвратить потенциально возможные аварийные ситуации на тяговом подвижном составе.

В заключении приведены основные выводы по проделанной работе.

В приложениях представлены акты внедрения результатов работы и расчётные данные по соответствующим разделам диссертационной работы, иллюстративные материалы результатов моделирования и расчётов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Исследования подвижного состава показали высокую степень аварийности эксплуатируемых вспомогательных асинхронных двигателей электровозов. Число заходов электровозов на внеплановый ремонт по вине вспомогательных электрических машин ежегодно увеличивается на 15-20 %. У вышедших из строя двигателей наблюдаются следы расплавления короткозамкнутой клетки роторов и следы выгорания изоляции обмотки статора. Всё это вызывает убытки и требует исследования причин, приводящих к выходу из строя асинхронных вспомогательных двигателей, и разработки мер по снижению отказов.

2. Проведённые исследования качества напряжения контактной сети и напряжения АВЭМ на борту локомотива 2ЭС5К показали, что по несинусоидальности, несимметрии и диапазону колебания напряжений и токов нормированные ГОСТом показатели не соблюдаются. Анализ технологии

производства асинхронного вспомогательного двигателя НВА-55 также позволил предположить несовершенство изготовления литых обмоток ротора.

3. Созданная математическая модель асинхронной машины с многофазным ротором позволила оценить влияние несимметричного и несинусоидального питания на потери и температуры статора и ротора вспомогательного двигателя. Также одновременно оценивалось влияние дефектов стержней обмотки ротора. Эти исследования показали, что при определённых сочетаниях всех факторов возникают потери, вызывающие локальный нагрев ротора, часто приводящий к выплавлению алюминия. Это является причиной возникновения аварийной ситуации.

4. Исследования схемы питания асинхронных вспомогательных двигателей на электровозе 2ЭС5К с помощью созданной математической модели группового включения трёхфазных двигателей в однофазную сеть с конденсатором показали, что резонансные явления при пуске двигателей в группе проявляются слабо. Однако, при пуске одного двигателя имеют место электрические перенапряжения до 710 В. Это особенно опасно при предельно высоком линейном напряжении питания 470 В и может быть одной из причин ускоренного старения пазовой и витковой изоляции статорной обмотки.

5. Проведённые исследования позволили установить причины отказов НВА-55 и рекомендовать модернизацию двигателя изменением активной части и системы вентиляции с сохранением габаритных размеров, что позволило при тех же условиях эксплуатации снизить температуры нагрева статора и ротора на 30% без ухудшения энергетических показателей машины. При этом рассмотрен ряд вариантов двигателя с различной степенью удлинения активной части, необходимой для обеспечения её оптимальной электромагнитной загрузки в диапазоне линейного напряжения питания 280-470 В при различной глубине пазов ротора. Увеличение глубины пазов ротора вызвано необходимостью снижения активного сопротивления ротора с целью уменьшения в нём греющих потерь, а также необходимостью обеспечения достаточного пускового момента машины не менее 130 Нм за счёт усиления поверхностного эффекта. Рассмотрены варианты замены материала клетки ротора с алюминиевого сплава на медь с целью снижения его удельного сопротивления.

6. Экономическое обоснование модернизации конструкции асинхронного вспомогательного двигателя показало, что стоимость двигателя возрастает незначительно, за счёт снижения отказов, затраты на модернизацию окупятся в течение одного года.

7. Результаты исследования качества питающего напряжения с учётом дефектов литой обмотки ротора обеспечили создание системы мониторинга теплового состояния вспомогательных машин. Она позволяет своевременно контролировать нагрев статора и ротора и предупреждать аварийные ситуации с асинхронными вспомогательными электрическими машинами на тяговом подвижном составе при эксплуатации.

Научные публикации по теме диссертации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Гирник A.C., Рапопорт O.JL Работа трёхфазных вспомогательных электрических машин на электровозе в условиях асимметричного питания // Известия Томского политехнического университета. - 2009. - Т. 314. №4. - С. 69-73.

2. Гирник A.C., Рапопорт О.Л. Система мониторинга асинхронных двигателей в условиях несимметричного питания // Известия. вузов. Электромеханика. - №6. - 2009. - С. 27-31.

3. Гирник A.C., Рапопорт О.Л. Исследование пусковых режимов работы вспомогательных асинхронных двигателей электровозов «Ермак» // Электричество, - №6. - 2011. - С. 41-46.

Другие научные публикации по теме диссертации:

4. Гирник A.C. Влияние качества питающего напряжения на режим работы вспомогательного асинхронного двигателя электровоза // Труды XIV международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии». Томск. - 2008. — С. 308-310.

5. Гирник A.C. Мониторинг вспомогательных асинхронных двигателей электровозов // Труды XV международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии». Томск. - 2009. - С. 389-390.

6. Гирник A.C. Повышение надёжности вспомогательных асинхронных двигателей электровозов // Труды XV международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии». Томск. - 2009. - С. 391392.

7. Гирник A.C. Исследование погрешности математического моделирования асинхронного двигателя в условиях несимметричного питания // Материалы VI международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии». Томск. - 2009. - С. 160-164.

Свидетельство:

8. Гирник A.C. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2009612867, 2009 г. Программа расчёта переходных процессов асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Личный вклад автора

Автор единолично написал 4 работы [4, 5, 6, 7] и разработал программу для ЭВМ [8]. В работах, написанных в соавторстве, вклад автора состоит в следующем: [1] разработка математической модели асинхронного двигателя для исследования его работы при несимметричном и несинусоидалыюм питании с наличием дефектов роторной клетки; [2] разработка системы теплового мониторинга асинхронных двигателей; [3] разработка математической модели группы асинхронных двигателей при общем однофазном питании.

Подписано к печати 26.10.2011. Формат 60x84/16. Бумага «Снегурочка». Печать XEROX. Усл. печ. л. 1,28. Уч.-изд. л. 1,16.

_Заказ 1526-11. Тираж 100 экз._

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Система менеджмента качества Издательства Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту BS EN ISO 9001:2008

ИШТЕДЬСТвЗ^ТЛУ. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30 Тел/факс: +7 (3822) 56-35-35, www.tpu.ru

Введение.

ГЛАВА 1. Анализ условий работы асинхронных вспомогательных двигателей электровозов.

1.1. Особенности конструкции и схемы питания асинхронных вспомогательных двигателей на электровозах переменного тока.

1.2. Исследование качества питающего напряжения на зажимах вспомогательных электрических машин. Анализ отказов АВЭМ.

1.3. Методы исследования асинхронных двигателей с несимметричным питанием.

1.4. Постановка задачи.

ГЛАВА 2. Исследование режимов работы вспомогательных машин в условиях низкокачественного питания.

2.1. Разработка математической модели трёхфазной асинхронной машины без учёта дефектов стержней ротора.

2.2. Разработка математической модели трёхфазной асинхронной машины с учетом дефектов стержней ротора.

2.3. Проверка адекватности математической модели.

2.3.1. Учёт несимметричного и несинусоидального питания.

2.3.2. Учёт дефектов стержней ротора.

2.4. Исследование режимов работы вспомогательных машин в условиях несимметрии питания, наличии высших временных гармоник и дефектов стержней ротора.

2.5. Анализ результатов исследования.

2.6. Выводы.

ГЛАВА 3. Модернизация конструкции вспомогательного асинхронного двигателя электровоза.

3.1. Общие условия.

3.2. Условия электропитания вспомогательных двигателей.

3.3. Математическая модель для исследования пусковых режимов работы вспомогательных двигателей при их одиночном пуске.

3.4. Математическая модель для исследования совместной работы вспомогательных асинхронных двигателей.

3.5. Пусковые режимы работы вспомогательных двигателей.

3.6. Мероприятия по улучшению работоспособности вспомогательных асинхронных двигателей электровозов.

3.6.1. Модернизация схемы электрического питания вспомогательных двигателей.

3.6.2. Модернизация конструкции вспомогательного двигателя НВА-55.

3.7. Экономическое обоснование модернизации двигателя НВА-55.

3.8. Выводы.

ГЛАВА 4. Мониторинг теплового состояния вспомогательных асинхронных двигателей электровозов.

4.1. Назначение системы мониторинга теплового состояния.

4.2. Обзор существующих аналогов.

4.3. Принцип работы системы теплового мониторинга.

4.4. Апробация системы теплового мониторинга.

4.5. Выводы.

Актуальность работы. Железнодорожный транспорт в транспортной системе страны всегда занимал и занимает особое место, обеспечивая бесперебойную доставку грузов практически во все регионы. Надёжное функционирование железной дороги способствует стабильности экономики и росту благосостояния государства.

Используемые в качестве тяговых средств локомотивы являются наиболее ответственными элементами в системе железнодорожного транспорта, к которым предъявляется ряд особых требований. Главным из них является надёжность тягового электропривода.

В его состав входят тяговые электродвигатели (ТЭД), аппаратура управления и защиты ТЭД и вспомогательные электрические машины (ВЭМ), обеспечивающие требуемые условия работы ТЭД.

В современных локомотивах применяют ТЭД и ВЭМ постоянного и переменного тока. Эксплуатация этих машин на транспорте отличается от общепромышленных условий низким качеством напряжения тяговых сетей, повышенной вибрацией, плохими климатическими условиями, широким диапазоном регулирования. Поэтому транспортные машины составляют отдельную группу. В развитие теории их проектирования и эксплуатации большой вклад внесли отечественные учёные: А.Е. Алексеев, Б.Н. Красовский, М.Д. Находкин, В.А. Кучумов, A.C. Курбасов, JI.A. Курочкин, В.Т. Касьянов, В.П. Янов, В.И. Бочаров, М.Ф. Карасёв, B.C. Хвостов, А.Б. Иоффе, В.Е. Скобелев, Б.Н. Тихменёв, Б.К. Баранов, В.Д. Авилов, Ш.К. Исмаилов, Р.Ф. Бекишев и многие другие.

В настоящее время в современных локомотивах в качестве вспомогательных преимущественно применяются асинхронные вспомогательные электрические машины (АВЭМ), выполняющие функции приводов вентиляторов охлаждения ТЭД, приводов компрессоров. 5

Современные способы управления ими построены либо на известной схеме расщепления фазы или на основе микропроцессорных систем.

Статистика отказов АВЭМ за последние годы показывает, что надёжность этих машин уменьшается. В особенной степени это проявляется на новых электровозах 2ЭС5К «Ермак», где число внеплановых ремонтов за последние годы увеличилось более чем в 2,5 раза из-за неисправностей АВЭМ. Эти отказы, наиболее выражены при организации питания АВЭМ по конденсаторной схеме. Проявление неисправностей АВЭМ НВА-55 такого вида как выплавление алюминиевого сплава обмотки ротора требует выяснения причин возникновения потерь, приводящих к отказам.

В транспортных условиях на качество* работы трёхфазного асинхронного двигателя действует несколько факторов: несимметрия трёхфазного питающего напряжения, формируемого от однофазной сети; выбор конденсаторной схемы и качество её функционирования; качество проекта АВЭМ и технология их изготовления.

Исследованию влияния этих факторов на энергетику машин по отдельности посвящены работы многих выдающихся учёных: А.И. Адаменко, А.И. Постникова, И.Б. Башука, И.М. Булаева, А.И. Валикова, А.И. Вольдека, И.М. Камня, М.А. Морозова, Е.М. Лопухиной, A.C. Курбасова, Ю.С. Чечета и многих других.

В этих исследованиях нет убедительных доказательств того, что в реальных АВЭМ НВА-55 на реальных электровозах указанные выше факторы в отдельности могут вызвать потери, приводящие к выплавлению алюминия. Проявление этой неисправности в течение нескольких последних лет является« системным и не устраняется отдельными мерами со стороны производителя, например, заменой алюминиевого сплава клетки ротора на медные стержни или контролем параметров применяемых конденсаторов.

Проблема повышения качества вспомогательных машин на электровозах 2ЭС5К является весьма актуальной, учитывая большие экономические потери, связанные с их отказами.

Целью работы является исследование факторов, влияющих на качество работы асинхронных вспомогательных двигателей на локомотиве и разработка системы схемотехнических, конструкторских и технологических решений по их устранению.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

1. Анализ качества напряжения бортовой сети электровоза и оценка характера его воздействия на характеристики АВЭМ при реализованных схемах управления.

2. Разработка математического описания и математических моделей асинхронного вспомогательного двигателя для исследования работы при совместном действии несимметричного напряжения, наличии временных гармоник и технологических дефектов в стержнях обмотки ротора и исследование их влияния на энергетические показатели АВЭМ.

3. Разработка математической модели конденсаторного пуска асинхронного двигателя в группе других с питанием от однофазной сети для исследования изменения фазных токов и напряжений.

4. Модернизация конструкции АВЭМ.

5. Разработка алгоритма и системы мониторинга теплового состояния вспомогательного асинхронного электродвигателя при эксплуатации его на электровозе.

Перечисленные в диссертационной работе задачи решаются методами теории электрических машин, численного моделирования и экспериментальных исследований в лабораторных условиях и в процессе натурных испытаний.

В исследованиях использованы программные продукты:: Ма11аЬ 7, МаШсас! 14, Е1си1 5.8.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Получено математическое описание асинхронного двигателя отличающееся от известных ранее вариантов подробным рассмотрением совместного влияния качества питающего напряжения и дефектов стержней обмотки ротора на показатели машины.

2. Создана математическая модель АВЭМ, позволяющая исследовать особенности режимов при его пуске в группе с другими двигателями с питанием по конденсаторной схеме от однофазной сети.

3. Математическое моделирование группового включения: вспомогательных; асинхронных двигателей; по конденсаторной1; схеме, позволило определить причину возникающих при пуске бросков токов, напряжений и величину ёмкости конденсаторов, а также порядок включения, обеспечивающие удовлетворительные условия работы.

4. Разработаны алгоритм и система мониторинга теплового состояния АВЭМ:при условиях эксплуатации его на локомотиве.

Практическая ценность работы заключается в следующем.

1. Проведённые с использованием математической модели исследования позволили установить, что критический: перегрев обмотки ротора возникает только при совместном влиянии низкого качества напряжения питания и выраженной дефектности обмотки ротора.

2. Разработаны рекомендации; по модернизации конструкции активной части АВЭМ, позволяющей снизить тепловую нагрузку.

3- Разработаны элементы конструкции активной^ части вспомогательного двигателя и проведён расчёт, показывающий возможность снижения тепловой нагрузки двигателя не менее чем на 30%.

4. Разработана программа и предложена микропроцессорная система теплового мониторинга асинхронных двигателей при эксплуатации на подвижном составе.

Результаты работы в виде рекомендаций и программ использованы на предприятии изготовителе АВЭМ НВА-55 НЭВЗ при проведении комплекса мероприятий по повышению1 надёжности электровозов 2ЭС5К «Ермак». Микропроцессорная система теплового мониторинга и программное обеспечение использовались для создания экспериментальной установки в лаборатории кафедры «Электромеханических комплексов и материалов» (ЭМКМ) для научных исследований и учебных программ при изучении дисциплины «Испытание и диагностика электрических машин».

На защиту выносится следующее.

1. Математическая, модель АВЭМ, позволяющая учитывать совместное влияние качества питающего напряжения и дефектов технологии изготовления обмотки ротора на энергетические показатели машины.

2. Математическая модель группового включения трёхфазных АВЭМ по конденсаторной схеме питания от однофазной сети.

3. Микропроцессорная система мониторинга теплового состояния и алгоритм её функционирования для вспомогательных асинхронных двигателей в условиях эксплуатации.

4. Экспериментальные исследования качества питающего напряжения на зажимах АВЭМ при их эксплуатации на электровозе 2ЭС5К.

5. Экспериментальные исследования для оценки адекватности математических моделей.

Данная диссертационная работа будет представлена на защиту по специальности 05.09.01 «Электромеханика и электрические аппараты» в соответствии с паспортом номенклатуры специальностей научных работников, утверждённой приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от «25» февраля 2009 г. №59.

Апробация работы и публикации. Материалы исследования докладывались и получили одобрение на следующих конференциях.

• XIV Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2008г.).

• XV Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2009г.).

• VI Международная научно-техническая конференция «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск, 2009г.).

По результатам проведённых исследований опубликовано семь печатных работ, три из них — в изданиях, рекомендуемых ВАК. Также получено свидетельство о регистрации программы для АЭВМ.

Кроме того, принималось участие в совещаниях по надёжности АВЭМ, проводимых вице-президентом ОАО «РЖД» В.А. Гапановичем.

Содержание работы. Диссертационная работа изложена на 176 страницах машинописного текста, содержит 64 иллюстраций, состоит из 4 глав, заключения, списка литературы из 107 наименований и 8 приложений.

Во введении обоснована актуальность задач по исследованию работы вспомогательных асинхронных двигателей в условиях несимметричного и несинусоидального питания в группе АВЭМ от однофазной сети, а также вопросы модернизации данных машин. Поставлены основные задачи, описана научная новизна и практическая ценность диссертационной работы.

В первой главе приведён анализ особенностей конструкции и условий работы асинхронных вспомогательных двигателей электровозов. Приведены результаты экспериментальных исследований качества напряжения питания АВЭМ, полученные при ходовых испытаниях электровозов ВЛ-85, 2ЭС4, 2ЭС5К. Проведён критический обзор существующих методов по исследованию асинхронных двигателей в условиях несимметричного и несинусоидального питания, а также несимметрии роторной цепи машины.

Проанализированы результаты работ, ранее проделанных по данной тематике. Поставлены основные задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке математической модели, позволяющей: исследовать работу асинхронного двигателя- при- наличии несимметрии питания^ высших временных гармоник; питающего напряжения < и при наличии«1 дефектов стержней ротора. Проверена: адекватность разработанной математической модели: и представлены результаты , эксперимента. Исследованы режимы работы вспомогательных асинхронных, двигателей в рассматриваемых условиях с помощью: разработанной математической модели: Сделаны выводы о необходимости модернизации; конструкции вспомогательных машин.

В третьей главе проработаны вопросы поэтапной' модернизации , конструкции вспомогательной машины электровоза и схемы электрического питания : АВЭМ! Разработана» математическая модель группы асинхронных двигателей, питающихся от однофазной: сети по конденсаторной? схеме. Исследованы; режимы работы АВЭМ при её одиночном пуске, а также при параллельно, работающих; машинах в группе. Проведён сравнительный-анализ тепловых нагрузок на исходный вариант двигателя и на модернизированный.

В' четвёртой главе проработаны вопросы защиты асинхронных вспомогательных машин от. тепловых перегрузок, вызванных несимметрией и наличием высших' временных гармоник; напряжения: питания, а также наличием дефектов стержней ротора. Разработана система мониторинга теплового состояния асинхронных машин:

В заключении приведены.основные выводы по проделанной работе.

В приложениях представлены акт внедрения результатов - работы и расчётные данные по; соответствующим главам, иллюстративные материалы результатов моделирования и расчётов.

1 АНАЛИЗ УСЛОВИЙ РАБОТЫ АСИНХРОННЫХ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗОВ

7. Результаты исследования качества питающего напряжения с учётом дефектов литой обмотки ротора обеспечили создание системы мониторинга теплового состояния вспомогательных машин. Она позволяет своевременно контролировать нагрев статора и ротора и предупреждать аварийные ситуации с асинхронными вспомогательными электрическими машинами на тяговом подвижном составе при эксплуатации.

1. Аветисян Д.А., Башмаков И.Л., Геминтерн В.И. Системы автоматизированного проектирования. Типовые элементы, методы и процессы. — М.: Энергия, 1985. — 180 с.

2. Адаменко А. И. Несимметричные асинхронные машины. Киев: Изд-во АН УССР, 1962.-212 с.

3. Адаменко А. И. Методы исследования несимметричных асинхронных машин. Киев: Наукова думка, 1969. — 356 с.

4. Адкинс Б. Общая теория электрических машин. — М. — Л.: Госэнергоиздат, 1960. -272 с.

5. Алексеев А.Е. Конструкция электрических машин. — М. — Л.: Госэнергоиздат, 1958. — 427 с.

6. Анализ технического состояния электровозного парка по сети железных дорог России за 2002 год. М: ИПЦ «Желдориздат», 2003.

7. Анализ технического состояния электровозного парка по сети железных дорог России за 2003 год. М: ИПЦ «Желдориздат», 2004.

8. Анализ технического состояния электровозного парка по сети железных дорог России за 2004 год. М: ИПЦ «Желдориздат», 2005.

9. Анализ технического состояния электровозного парка по сети железных дорог России за 2005 год. М: ИПЦ «Желдориздат», 2006.

10. Анализ технического состояния электровозного парка по сети железных дорог России за 2006 год. — М: ИПЦ «Желдориздат», 2007.

11. Анализ технического состояния электровозного парка по сети железных дорог России за 2007 год. М: ИПЦ «Желдориздат», 2008.

12. Анализ технического состояния электровозного парка по сети железных дорог России за 2008 год. М: ИПЦ «Желдориздат», 2009.

13. Андреева O.A. Разработка методов диагностики двигателей собственных нужд электрических станций. Автореферат диссертации на соискание учёной степени к.т.н. НГАВТ, Новосибирск, 2009, 22 с.

14. Андрющенко O.A., Шевченко С.Б. Моделирование асинхронного электропривода при произвольной форме питающего напряжения // Труды Одесского политехнического университета. — №3. — 2000. — С.86-90.

15. Баширов М.Г., Сайфутдинов Д.М. Обеспечение безопасности эксплуатации насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом электромагнитными методами диагностики // Современные наукоёмкие технологии. — №2. — 2004. — С. 142-145.

16. Бернштейн JI.M. Изоляция электрических машин общепромышленного применения. — М.: Энергоиздат, 1981. — 376 с.

17. Борисенко А.И., Костиков О.Н., Яковлев А.И. Охлаждение промышленных электрических машин. — М.: Энергия, 1983. — 296 с.

18. Борисенко А.И., Данько В.Г., Яковлев А.И. Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах. — М.: Энергия, 1974. 560 с.

19. Важнов А.И. Электрические машины. — JL: Энергия, 1969. — 768 с.

20. Видеман Е., Келленбергер В. Конструкция электрических машин. Л.: Энергия, 1972.-520 с.

21. Виноградов Н.В., Горяинов Ф.А., Сергеев П.С. Производство электрических машин. М.: Энергия, 1970. — 288 с.

22. Виноградов В.И. Вентиляторы электрических машин. — Л.: Энергоиздат, 1981. 200 с.

23. Вольдек А.И. Электрические машины. — Л.: Энергия, 1978. — 832 с.

24. Геллер Б., Гамата В. Высшие гармоники в асинхронных машинах. -М.: Энергия, 1981.-352 с.

25. Гемке Р.Г. Неисправности электрических машин. Л.: Энергоатомиздат, 1989. - 336 с.

26. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0. СПб.: КОРОНА принт, 2001.-320 с.

27. Гирник A.C., Рапопорт O.JI. Работа трёхфазных вспомогательных электрических машин на электровозе в условиях асимметричного питания // Известия Томского политехнического университета. — 2009. -Т. 314. №4. -С. 69-73.

28. Гирник A.C., Рапопорт O.JI. Система мониторинга асинхронных двигателей в условиях несимметричного питания // Известия вузов. Электромеханика. -№6. 2009. - С. 27-31.

29. Гирник A.C., Рапопорт О.Л. Исследование пусковых режимов работы вспомогательных асинхронных двигателей электровозов «Ермак» // Журнал РАН. Электричество, №6. - 2011. - С. 41-46.

30. Гирник A.C. Влияние качества питающего напряжения на режим работы вспомогательного асинхронного двигателя электровоза // Труды XIV международной научно-практической конференции «Современные техника и.технологии». Томск. 2008. - С. 308-310.

31. Гирник A.C. Мониторинг вспомогательных асинхронных двигателей электровозов // Труды XV международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии». Томск. — 2009. — С. 389-390.

32. Гирник A.C. Повышение надёжности вспомогательных асинхронных двигателей электровозов // Труды XV международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии». Томск.-2009.- С. 391-392.

33. Гольдберг О.Д. Испытания электрических машин. М.: Высш. шк., 2000.-255 с.

34. Готтер Г. Нагревание и охлаждение электрических машин. — М. — Л.: Госэнергоиздат, 1961. —480 с.

35. Голов Ю.В., Рапопорт О.Л., Харлов H.H., Волков М.В. Особенности режимов работы вспомогательных электрических машин электровозов серий ВЛ-85 и 2ЭС5К // Локомотив. 2006. - Вып. 11. - С. 21-22.

36. ГОСТ 13109-97 Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Издательство стандартов, 2002. -37 с.

37. ГОСТ 7217-87 Машины электрические вращающиеся. Двигатели асинхронные. Методы испытаний. Издательство стандартов, 2003. — 38 с.

38. Гурин Я.С., Кузнецов Б.И. Проектирование серий электрических машин. М.: Энергия, 1978. - 479 с.

39. Данилевич Я.Б., Кашарский Э.Г. Добавочные потери в электрических машинах. М. - Л.: Госэнергоиздат, 1963. — 216 с.

40. Данилевич Я. Б., Домбровский В. С, Казовский Е. Я. Параметры машин переменного тока. М. Л.: Наука, 1965. — 340 с.

41. Дащенко А.Ф., Кириллов В.Х., Коломиец Л.В., Оробей В.Ф. MATLAB в инженерных и научных расчётах. — Одесса.: Астропринт, 2003. — 214 с.

42. Домбровский В.В., Зайчик В.М. Асинхронные машины: Теория, расчёт, элементы проектирования. — Л.: Энергоатомиздат, 1990. — 368 с.

43. Домбровский В.В., Хуторецкий Г.М. Основы проектирования электрических машин переменного тока. — Л.: Энергия, 1974. — 504 с.

44. Бутырин П.А. Автоматизация физических исследований и эксперимента. Компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе Lab VIEW 7. М.: ДМК Пресс, 2005. - 264 с.

45. Дьяконов В.П. MATLAB 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6. Основы применения. -М.: СОЛОН-Пресс, 2005. 800 с.

46. Жарков Ф.П., Каратаев В.В., Никифоров В.Ф., Панов B.C. Использование виртуальных инструментов Lab VIEW. — М.: Радио и связь, 1999.-268 с.

47. Жерве Г.К. Промышленные испытания электрических машин. — JL: Энергоатомиздат, 1984. — 407 с.

48. Загидуллин Р.Ш. Lab VIEW в исследованиях и разработках. М.: Горячая линия-Телеком, 2005. - 352 с.

49. Зайцев А.И. Исследование влияния дефектов стержней ротора на работу асинхронного короткозамкнутого электродвигателя и разработка метода их обнаружения. Автореферат диссертации на соискание учёной степени к.т.н. 'ШИ, Томск, 1967, 22 с.

50. Зайчик В.М. Расчёт асинхронных двигателей при заданных значениях электромагнитных нагрузок // Электричество. — №1. — 1977 — С.77-81.

51. Зайчик В.М. Расчёт асинхронных двигателей с заданными свойствами механической характеристики // Электротехника. — №9. — 1975. — С.41-44.

52. Иванов-Смоленский A.B. Электрические машины. В 2-х т. — М.: Изд-во МЭИ, 2004. 652 с.

53. Иванов-Смоленский A.B., Абрамкин Ю.В., Власов А.И., Кузнецов В.А. Универсальный метод расчёта электромагнитных процессов в электрических машинах. М.: Энергоатомиздат, 1986. — 217 с.

54. Качан Ю.Г. Реализация модели асинхронного двигателя для условий некачественного питания // Вестник КДПУ имени Михаила Остроградского. -№3. -2009. С. 150-153.

55. Копылов И.П. Проектирование электрических машин. — М.: Высшая школа, 2002. — 757 с.

56. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. М.: Высш. шк., 2001. - 327 с.

57. Ковач К.П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока. — М. JL, Госэнергоиздат, 1963. — 744 с.

58. Кононенко Е.В., Кононенко К.Е., Кружков В.Г. Анализ работы асинхронных двигателей при несимметрии первичного напряжения // Известия вузов. Электромеханика. №3. - 2000. - С.26-29.

59. Костенко М. П., Пиотровский JI. М. Электрические машины. Ч. 2. Машины переменного тока. — Л.: Энергия, 1973. — 648 с.

60. Котеленец Н.Ф. Испытания, эксплуатация и ремонт электрических машин. М.: Академия, 2003. - 384 с.

61. Курбасов A.C. Повышение работоспособности тяговых электрических машин. М.: Транспорт, 1976. - 56 с.

62. Лопухина Е.М., Семенчуков Г.А. Автоматизированное проектирование электрических машин малой мощности. М.: Высш. шк., 2002.-511 с.

63. Лопухина Е.М., Сомихина Г.С. Расчет асинхронных электродвигателей однофазного и трехфазного тока. — М. Л., Госэнергоиздат, 1961. 312 с.

64. Некрасов O.A., Рутштейн A.M. Вспомогательные машины электровозов переменного тока. М.: Транспорт, 1988. - 223 с.

65. Нюрнберг В. Испытание электрических машин. М. - Л.: Госэнергоиздат, 1959. -336 с.

66. Орлов И.Н., Маслов С.И. Системы автоматизированного проектирования электромеханических устройств. М.: Энергия, 1989. -296 с.

67. Отчёт НИР. Обследование качества напряжения и его влияния на работу тяговых электродвигателей НБ-514 и вспомогательных машин АНЭ225Ь4УХЛ2 электровоза BJI85 №033 локомотивного депо Абакан Красноярской ЖД. Томск, 2007. — 92 с.

68. Отчёт о выполнении указания ОАО «РЖД» № 2753 от 18.02.2009 ст. Вице-президента Валентина Александровича Гапановича о проведении опытных поездок на электровозе серии 2ЭС4К. Локомотивное депо Белово. Т.э. лаб. № 088-72095, 2009. 112 с.

69. Пармас А.-Я.Ю., Чернов. С.С. Выбор системы питания вспомогательных электроприводов электропоезда переменного тока. // Современные технологии — транспорту, — №4. — 2009. С. 114-123.

70. Патент на способ 2 351 048 РФ. Способ функциональной" диагностики асинхронных двигателей / Пономарёв В.А., Суворов И.Ф., Юдин A.C., Портнягин A.B. Бюл. №9, 2009.

71. Патент на полезную модель 54 209 РФ. Устройство для функционального контроля статических и динамических элементов трёхфазных электротехнических и электромеханических систем / Гольдштейн Е.И., Кац И.М. Бюл. №16, 2006.

72. Патент на способ 2 386 114 РФ. Способ бесконтактного определения температуры обмотки короткозамкнутого ротора частотно-регулируемого асинхронного двигателя / Вольвич А.Г., Орлов Ю.А., Таргонский И.Л., Щербаков В.Г.

73. Патон Б. Lab VIEW. Основы аналоговой и цифровой электроники. -National Instruments Corp., 2002. 190 с.

74. Пейч Д.И., Точилин Д.А., Поллак Б.П. Lab VIEW для новичков и специалистов М.: Горячая линия-Телеком, 2004. - 384 с.

75. Петров Г.Н. Электрические машины. Ч. 2. Асинхронные и синхронные машины. — М. — Л.: Госэнергоиздат, 1963. 416 с.

76. Петухов B.C., Соколов В.А. Диагностика состояния электродвигателей. Метод спектрального анализа потребляемого тока // Новости Электротехники. 2005. - № 1(31). - С. 50-52.

77. Пиотровский Л.М., Васютинский С.Б., Несговорова Е.Д. Испытание электрических машин. Ч. 2. Трансформаторы и асинхронные машины. М. — Л.: Госэнергоиздат, 1960. - 292 с.

78. Протокол ЭМ-32-2007. Периодические испытания двигателя НВА-55. ОАО «ВЭлНИИ», 2007. 20 с.

79. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2009612867. Программа расчёта переходных процессов асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором / A.C. Гирник, 2009.

80. Сергеев П.С. Проектирование электрических машин. М.: Энергия, 1969.-632 с.

81. Сили С. Электромеханические преобразователи энергии. М.: Энергия, 1968.-376 с.

82. Сипайлов Г.А., Санников Д.И., Жадан В.А. Тепловые, гидравлические и аэродинамические расчёты в электрических машинах. — М.: Высш. шк., 1989.-239 с.

83. Суранов А.Я. Lab VIEW 7. Справочник по функциям. М.: ДМК Пресс, 2005.-512 с.

84. Суранов А.Я. Lab VIEW 8.20. Справочник по функциям. М.: ДМК Пресс, 2007.-536 с.

85. Сурков Д.В. Электромагнитные способы определения эксцентриситета и несимметрии короткозамкнутой клетки ротора асинхронныхдвигателей. Автореферат диссертации на соискание учёной степени к.т.н. ОГУ, Оренбург, 2008, 21 с.

86. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных электродвигателей. — М. — Л.: Госэнергоиздат, 1963. — 528 с.

87. Терзян A.A. Автоматизированное проектирование электрических машин. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 256 с.

88. Технические условия. Электродвигатели асинхронные типа НВА. ОАО НПО «НЭВЗ», ОАО «ВЭлНИИ», 1999. 28 с.

89. Трапезников В.А. Основы проектирования серий асинхронных двигателей. М.: ОНТИ, 1937 - 128 с.

90. Тревис Дж. Lab VIEW для всех. М.: ДМК Пресс; Прибор Комплект, 2005. - 544 с.

91. Трещев И.И. Методы исследования электромагнитных процессов в машинах переменного тока. — Л.: Энергия, 1969. 235 с.

92. Трещев И.И. Электромеханические процессы в машинах переменного тока. Л.: Энергия, 1980. - 344 с.

93. Уайт Д, Вудсон Г. Электромеханические преобразователи энергии. М. Л.: Энергия, 1964. - 528 с.

94. Федосов В.П., Нестеренко А.К. Цифровая обработка сигналов в Lab VIEW. M.: ДМК Пресс, 2007. - 472 с.

95. Филиппов И.Ф. Вопросы охлаждения электрических машин. М. - Л.: Госэнергоиздат, 1964. - 334 с.

96. Фошкина C.B., Федюков Ю.А., Марченко Е.А. Оценка несинусоидальности и несимметрии токов и напряжений асинхронного двигателя при питании от статического преобразователя // Известия вузов. Электромеханика. №5. - 2009. - С. 24-28.

97. Хэнкок Н. Матричный анализ электрических машин. М.: Энергия, 1967.-224 с.

98. Шуйский В.П. Расчёт электрических машин. — Л.: Энергия, 1968. — 732 с.

99. Howard W Penrose, Ph.D. Motor current signature analysis and interpretation. General Manager ALL-TEST Pro A Division of BJM Corp 123 Spencer Plain Rd Old Saybrook, CT 06475, 2004.

100. W. T. Thomson and D Rankin. Case Histories of Rotor Winding Fault Diagnosis in Induction Motors. 21 "1 Int Conf Proc on Condition Monitoring, University College Swansea, March 1987.

101. William T.Thomson, Mark Fenger. Development of a tool to detect faults in induction motors via current signature analysis. IEEE Industry Application Magazine July, August 2001.