автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Система послеремонтного диагностирования выпрямительно-инверторных преобразователей электровозов переменного тока в локомотивном депо

005044244

На правах рукописи

БУЗМАКОВА ЛИЛИЯ ВИТАЛЬЕВНА

СИСТЕМА ПОСЛЕРЕМОНТНОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ИНВЕРТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ЛОКОМОТИВНОМ ДЕПО

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 МАЙ 2012

Хабаровск - 2012

005044244

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетш образовательном учреждении высшего профессионального образован: «Дальневосточный государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВГ ДВГУПС).

Научный руководитель: ВЛАСЬЕВСКИЙ Станислав Васильевич,

доктор технических наук, профессор -профессор ФГБОУ ВПО «ДВГУПС», г. Хабаровск Официальные оппоненты: ВОРОНИН Владимир Викторович,

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Автоматика и системотехника» профессор ФГБОУ ВПО «ТОГУ», г. Хабаровск

КУЗЬМИН Роман Вячеславович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Электромеханика» ФГБОУ ВПО «КнАГТУ», г. Комсомольск-на-Амуре Ведущая организация: Дальневосточный филиал ФГУП «Всероссийский

научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ)»

Защита диссертации состоится «31 » мая 2012 года в 10-00 часов в заседании диссертационного совета ДМ 212.092.04 в ФГБОУ ВП( «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» п адресу: 681013, г. Комсомольск-на Амуре, пр. Ленина д. 27, ауд. 201-3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВП< «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» и н сайте www.knastu.ru.

Автореферат разослан « 29 » апреля 2012 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатьк просим направлять в адрес диссертационного совета ДМ 212.092.04, e-mail: kepapu@knastu.ru

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент / /•—" В.И. Суздорф

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Выполнение графиков движения электроподвижным составом при оптимальных экономических показателях, а так же обеспечение безопасности движения поездов во многом определяется надёжной работой электровозов. В силу значительного износа электровозов переменного тока с тиристорными преобразователями типа ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ65 и ЭП1, эксплуатируемых на Красноярской, Восточно-Сибирской, Забайкальской и Дальневосточной железных дорогах, особую важность получает задача повышения качества ремонта и обслуживания парка подвижного состава в локомотивном депо.

Выпрямительно-инверторные преобразователи являются наиболее сложной и ответственной частью тягового электропривода электровоза переменного тока. Любое изменение их надёжности в меньшую или в большую сторону приводит соответственно к ухудшению либо улучшению параметров эксплуатационной надёжности и, как следствие этого, производительности электровозов. В связи с этим особое внимание уделяется диагностике и контролю качества ремонта ВИП.

Низкая автоматизация процесса диагностирования, следствием чего является значительное влияние субъективного человеческого фактора, порождающее низкую достоверность, высокие трудозатраты и продолжительность диагностирования, является на данный момент одной из важных причин недостаточного уровня качества ремонта ВИП. Осуществление проверки параметров и характеристик ВИП после ремонта в ненагруженном состоянии можно отнести к причинам, снижающим достоверность постановки диагноза и как следствие этого задающим низкий уровень качества ремонта ВИП.

Таким образом, задача исследования, разработки и внедрения средств технического диагностирования, обеспечивающих оперативное и достоверное определение технического состояния сложного и ответственного оборудования электроподвижного состава, является актуальной. Она нашла отражение в Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года, утвержденной распоряжением Правительства РФ № 877р от 17.06.2008 г.

Особо значимая роль в контроле технического состояния ВИП отводится послеремонтной диагностике преобразователей. Поскольку она является последним звеном общей технологической цепи ремонта, то её основная цель -исключить случаи выдачи в эксплуатацию ВИП с не выявленными дефектами, а также обеспечить объективную оценку качества работ по техническому обслуживанию и ремонту преобразователей.

Для осуществления эффективной и качественной диагностики на этапе стационара необходим функциональный контроль для проверки взаимодействия элементов ВИП между собой, позволяющий наблюдать работу всего преобразователя в целом либо совместную работу нескольких блоков в режиме имитации реальной нагрузки. На заключительном этапе ремонта функциональный /

контроль позволил бы выявить все возможные дефекты, допущенные п ошибочной наладке или сборке и монтаже схем еще до установки ВИЛ локомотив, где осуществляется окончательная проверка под рабочж воздействиями.

В этой связи представляется актуальной задача разработки стационарн системы диагностики, которая позволила бы наблюдать работу все преобразователя как единого объекта диагностирования в условиях имитац] рабочих воздействий, и с достаточной оперативностью и достоверностЕ выдавать информацию о состоянии ВИЛ при послеремонтных испытаниях локомотивном депо.

Целью диссертационной работы является повышение качества ремонта ВЕ путем создания системы диагностирования выпрямительно-инверторно преобразователя для послеремонтных испытаний в локомотивном депо.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1. Провести анализ возможных дефектов в ВИЛ и причин их возникновения целю определение возможных направлений поиска методов контроля е технического состояния.

2. Разработать математическую модель ВИЛ в составе обобщение математической модели «электровоз переменного тока» дня установления свя: между возможными дефектами ВИЛ и признаками их проявлений 1 электромагнитные процессы в силовой схеме электровоза и выбо) диагностических параметров.

3. Разработать физическую модель ВИЛ и её системы управления в соста] физической модели электровоза для анализа электромагнитных процессо протекающих при переходе с зоны на зону, при исправном состоянии вентильнь плеч и при наличии их обрывов.

4. Разработать методику обрывов плеч ВИЛ по выбранным диагностически признакам и реализующий её алгоритм.

5. Создать программно-техническое устройство, реализующее метода» диагностирования плеч ВИЛ и провести физическое исследование его работы.

6. Оценить экономическую эффективность применения разработаннс системы послеремонтного диагностирования ВИЛ.

Методика исследований. Для решения поставленных диссертационной работе задач использовались методы расчета электрических цепеГ моделирование с помощью программного пакета схемотехническог моделирования ОгСАБ 9.2. Анализ режимов функционирования ВИЛ различных технических состояниях проведен с помощью математического физического моделирования электромагнитных процессов в силовой схем электровоза переменного тока. Обработка результатов экспериментальны исследований проводилась на ЭВМ с помощью общего и специальног программного обеспечения.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель ВИП электровоза в режиме тяги, позволяющая провести исследование электромагнитных процессов его работы для выявления связи между возможными дефектами и их диагностическими признаками.

2. Установлена взаимосвязь между возникновением максимального отклонения мгновенного значения выпрямленного напряжения на третьей зоне регулирования и моментом перехода со второй зоны на третью при обрывах вентильных плеч ВИП.

3. Разработана методика диагностирования обрывов плеч ВИП.

4. Синтезирована база знаний, связывающая отклонения диагностических признаков и неисправностей плеч ВИП и включающая в себя рассчитанные значения границ различия технических состояний по каждому диагностическому признаку.

Достоверность полученных результатов обоснована:

1. Сравнительным анализом экспериментальных данных, полученных с электровоза ВЛ80Р (№ 1829) в режиме тяги на участке Иркутск — Слюдянка ВСЖД и данных математического моделирования;

2. Сравнительным анализом электромагнитных процессов в физической модели ВИП и в ВИП реального электровоза на основе теории подобия физических явлений;

3. Использованием лицензионного программного продукта ОгСАБ версии 9.2.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработано программно-техническое устройство для диагностирования обрывов вентильных плеч ВИП и одновременной проверки выполнения алгоритма управления по зонам регулирования во время послеремонтных испытаний.

2. Создана физическая модель ВИП с системой управления в составе физической модели электровоза, позволяющая наглядно проследить влияние обрывов вентильных плеч на диагностический параметр и оценить предложенный метод диагностирования плеч ВИП. Созданная физическая модель используется в учебном процессе подготовки студентов специальности 190303.65 -Электрический транспорт железных дорог.

3. Применение разработанной системы диагностирования ВИП позволит снизить время его восстановления за счет уменьшения времени постановки диагноза.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались и обсуждались:

- на научно-практической конференции «Надежность и эффективность систем и устройств электроснабжения железных дорог», г. Хабаровск, ДВГУПС, декабрь 2005 г.;

- на всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития транссибирской магистрали в XXI веке», г. Чита, ЗабИЖТ, ноябрь 2006 г.;

- на пятой международной научной конференции «Научно-техническое экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке», г. Хабаровск, ДВГУП< апрель 2007 г.;

- на седьмой международной научно-практической конференции «Проблем транспорта Дальнего Востока», г. Владивосток, МГУ, октябрь 2007 г.;

- на международной научно-технической конференции «Электромеханичесм преобразователи энергии», г. Томск, ТПУ, октябрь 2007 г.;

- на 45-й международной научно-практической конференции «Инновационнь технологии - транспорту и промышленности», г. Хабаровск, ДВГУПС, ноябг

2007 г.;

- на всероссийской научно конференции «Научно-технические проблем транспорта, промышленности и образования», г. Хабаровск, ДВГУПС, anpej

2008 г.;

- на 2-ой международной научно-практической конференции «Электрификаци железнодорожного транспорта «ТРАНСЭЛЕКТРО-2008», ДНУЖТ, сентябрг октябрь 2008 г.;

- на XII краевом конкурсе-конференции молодых ученых и аспирантов (секци «Технические науки»), г. Хабаровск, ТОГУ, январь 2010 г.;

- на заседаниях кафедры «Электротехника, электроника и электромеханика) г. Хабаровск, ДВГУПС, 2011-2012 гг.

Публикации. Основное материалы исследований опубликованы в 14 научны работах, в том числе в 3-х ведущих рецензированных научных издания? определенных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, глав, выводов, приложения, библиографического списка из 80 наименований Содержит 192 страницы основного текста, 22 таблицы и 63 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, дан краткая характеристика работы.

Первая глава посвящена обзору существующих на настоящий момен методов и средств диагностирования ВИП в локомотивном депо, выявлению и: достоинств и недостатков.

Значительный вклад в развитие технической диагностики, в создание новых методов и средств диагностирования ВИП электровозов переменного тока внесли такие ученые и специалисты как: Жук В.Н., Капустин Л.Д., Перцовский М.Л., Плакс A.B., Голованов В.А., Лозановский А.Л., Бервинов В.И., Горбань В.Л., Донской А.Л., Шабалин Н.Г., Бурдасов Б.К., Курмашов С.М., Зазыбина Е.Б., Тетгер В.Ю., Власьевский C.B., Вьюненко, Л.Ф., Виноградов Ю.Н., Дениско Н.П., и многие другие

Анализ известных средств и методов диагностирования ВИП высветил ряд недостатков, среди которых низкая автоматизация процесса постановки диагноза и, как следствие, значительное влияние субъективного человеческого фактора,

порождающее низкую достоверность, высокие трудозатраты и продолжительность диагностирования.

На основании проведенного анализа методов и средств диагностирования ВИП определена цель работы и сформулированы задачи исследования.

Вторая глава посвящена анализу работы ВИП и выходных каскадов управления в исправных и неисправных состояниях. Целью данного анализа являлось определение причин возникновения различных дефектов и их влияний на электромагнитные процессы в ВИП. В результате проведенного анализа была составлена схема причинно-следственных связей дефектов в ВИП и признаков их проявлений. На примере данной схемы, в качестве дефекта, который может появиться сразу после проведения ремонта, рассмотрен обрыв вентильного плеча ВИП и выбраны возможные диагностические параметры.

Известно, что отклонения от нормального режима выпрямления (броски и провалы токов, срыв регулирования) возникающие во время работы ВИП, отражаются, прежде всего, на форме кривых выпрямленного напряжения и выпрямленного тока в виде различных искажений. Обрыв плеча нарушает нормальный режим выпрямления и, следовательно, также приведет к появлению искажений форм этих кривых, которые могут являться индикаторами отклонений от нормального режима работы преобразователя. Поэтому, при диагностировании дефекта ВИП типа обрыв плеча достаточно контролировать выпрямленное напряжение ил и выпрямленный ток т.е. использовать их в качестве диагностических параметров для организации системы технического диагностирования ВИП при послеремонтных испытаниях в локомотивном депо.

В главе предложен возможный вариант построения системы тестового диагностирования, реализующий оценку технического состояния ВИП с помощью логических методов распознавания, используя для этой цели векторы входных переменных и выходных функций. Схема рассматриваемой системы приведена на рис. 1.

Рис. 1 Схема диагностирования ВИП с использованием логического метода

распознавания

Третья глава посвящена созданию развернутой математической модели ВИ в составе обобщенной математической модели «электровоз переменного тока» целью получения диагностических признаков для библиотеки моделс технических состояний ВИП. Модель реализована в пакете схемотехническо] моделирования ОгСАБ версии 9.2.

Каждое из восьми плеч в математической модели ВИП повторяет групповс принцип построения плеча в реальном ВИП электровоза. Математическая моде; системы «электровоз переменного тока» состоит из отдельны взаимодействующих между собой, моделей: силового трансформато} электровоза, цепи выпрямленного тока и выпрямителя (ВИП в режиме тяги Математические модели силового трансформатора и цепи выпрямленного тот взяты из разработанной ранее другим автором модели системы «контактная сеть электровоз переменного тока».

Разработанная математическая модель ВИП позволяет с достаточно достоверностью моделировать электромагнитные процессы, происходящие пр различных неисправностях ВИП на каждой зоне регулирования. Для проверк адекватности данной модели было проведено сравнение кривых выпрямленног напряжения, полученных с помощью математического моделирования и в хо1 экспериментальной поездки на реальном электровозе. В качестве показател адекватности использовался коэффициент корреляции, который состави р(Х,У) = 0,9984. Его значение близко к единице, что свидетельствует о адекватном отражении электромагнитных процессов математической моделы ВИП в составе обобщенной математической модели «электровоз переменног тока.

Четвертая глава посвящена разработке системы послеремонтног диагностирования ВИП - разработке методики определения техническог состояния вентильных плеч ВИП и программно-аппаратного устройств, реализующего алгоритм диагностирования.

С целью получения данных о характере изменения диагностическог параметра (выпрямленного напряжения) в динамическом режиме, то есть пр переходе с зоны на зону, с учетом исправного и неисправного состояния пле ВИП была разработана физическая модель ВИП в составе физической модел: «электровоз».

Адекватность физической модели ВИП в составе физической модел] «электровоз» была доказана сравнительным анализом электромагнитны: процессов в физической модели ВИП и в ВИП реального электровоза на основе теории подобия физических явлений. В качестве доказательства адекватности использовались два критерия подобия. Разница в полученных значениях по первому и второму критериям подобия составляет 6,1%, что свидетельствует о том, что процессы, происходящие в физической модели ВИП подобны реальным процессам.

Одним из основных устройств, входящих в состав предлагаемой системы диагностики, является компьютеризированная система управления ВИП

(СУВИП), аналогичная блоку управления ВИП (БУВИП). Разработанная система управления позволяет сравнительно просто исследовать процессы в четырехзонном преобразователе и достаточно оперативно (путем перепрограммирования логического устройства) изменять алгоритм управления тиристорными плечами. Ее программное обеспечение ориентировано на выпрямительный режим работы преобразователя. В случае необходимости, путем перепрограммирования ЛУ и введения источника ЭДС в состав нагрузки может быть реализован и режим инвертора. При этом в логическом устройстве добавится еще одна адресная линия, на которую от компьютера будет подаваться сигнал, определяющий режим работы преобразователя. Функциональная схема системы управления приведена на рис.2.

Одной из составных частей СУВИП является персональный компьютер (ПК). Сопряжение ПК с СУВИП и ВИП осуществляется с помощью универсального модуля ввода-вывода. Структурная схема сопряжения ВИП, СУВИП и ПК приведена на рис.3.

В результате моделирования была установлена взаимосвязь между возникновением максимального отклонения мгновенного значения выпрямленного напряжения на третьей зоне регулирования и моментом перехода со второй зоны на третью при обрывах вентильных плеч (рис.4).

ОтЦАП

Рис. 2 Функциональная схема системы управления

'4=1

СУ ВИП

ХАЗ

ЦАП

ЦП вывода

Модуль Е440

АЦП

ХА2

1 Ч,.

2 Ч>

3

4 4,7

7 Чй

9 Ч»

11 Ч*

13 Ч*

ФМ ВИП

ХА1

о.

ПК

Рис. 3 Структурная схема сопряжения ВИП, СУВИП и ПК

а) Переход в нечетном полупериоде

Рис. 4 Осциллограммы выпрямленного напряжения на третьей зоне при обрыве 8-го плеча, с учетом перехода со 2-й зоны на 3-ю в четном и не четном

полупериодах

Также была выявлена невозможность запуска процесса регулирования ВИПI зонам при наличии обрывов 4-го и 5-го плеч. Решением этой проблемы ста: введение дополнительного алгоритма управления на первой зоне приведенного таблице 1.

Таблица

Предлагаемый алгоритм работы плеч ВИП на первой зоне в режиме тяги

® -г Импульсы управления по плечам ВИП

с 1 УБЗ УБ5 УБ6 Ув7

"м ** а.

о. «!>

Структурная схема разработанной системы тестового диагностирован! представлена на рис. 5.

Рис. 5 Структурная схема системы диагностирования ВИП

В результате моделирования были получены кривые выпрямленно1 напряжения, для исправных и неисправных состояний плеч ВИП на четыре зонах регулирования.

На основании попарного сравнения площадей двух полупериодс выпрямленного напряжения на трех зонах регулирования в различнь: технических состояниях, определяется комплекс диагностических признано

соответствующий конкретному техническому состоянию. Далее формируется библиотека технических состояний. Сам процесс определения отсутствия либо наличия обрыва плеча, а так же места его локализации осуществляется персональным компьютером путем сравнения полученных осциллограмм с комплексами диагностических признаков библиотеки технических состояний

Развернутый алгоритм диагностирования вентильных плеч ВИП и проверки выполнения процесса регулирования ВИП по зонам представлен на рис. 6 и рис. 7. Программная реализация алгоритма интегрирована в программное обеспечение управлением физической моделью ВИП.

По осциллограмме первой зоны анализируются кривые выпрямленных напряжений обоих полупериодов напряжения сети и по их виду принимается решение о наличии или отсутствии обрыва в одном из плеч ВИП, которые задействованы на первой зоне. В случае наличия неисправности, выполняется определение неисправного плеча. Процесс диагностирования приостанавливается и устраняется неисправность. После этого, процесс диагностирования возобновляется и, если неисправность действительно устранена, происходит переход на вторую зону. В дальнейшем, выполняется аналогичная последовательность действий. Как показано в приведенном алгоритме, для оценки наличия обрыва любого из плеч ВИП, достаточно выполнить проверки на первых трех зонах регулирования. Проверку работы на последней - четвертой зоне можно рассматривать как дополнительную проверку на наличие (отсутствие) обрыва любого из плеч ВИП.

Рис. 6. Развернутый алгоритм диагностирования вентильных плеч (начало)

Рис. 7. Развернутый алгоритм диагностирования вентильных плеч (продолжение)

Для реализации предложенного алгоритма разработано программнс техническое устройство. С его помощью осуществляется диагностирован« обрывов вентильных плеч ВИП и одновременная проверка выполнения алгоритм управления по зонам регулирования во время послеремонтных испытаниГ Программно-техническое устройство включает в себя следующие элементы:

- ноутбук;

- датчики тока и напряжения типа ЬЕМ;

- устройство сбора и передачи данных (модуль Е440);

- силовой трансформатор (20кВА);

- нагрузка (активное сопротивление и сглаживающий реактор)

- разработанная система управления ВИП.

Также в четвертой главе произведена технико-экономическая оценка разработанной системы диагностирования. Годовой экономический эффект от внедрения данной системы составит Эг =39033,03 руб., срок окупаемости разработки составит 4,6 лет.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные исследования определили следующие основные результаты и выводы:

проведено теоретическое рассмотрение влияния отказов различных плеч ВИЛ на электромагнитные процессы в выпрямленной цепи электровоза;

создана подробная математической модель ВИЛ в составе системы «электровоз» для исследования электромагнитных процессов в режиме тяги при исправных и неисправных состояниях ВИЛ;

сравнительным анализом доказана адекватность экспериментальных данных, полученных с электровоза BJI80P в режиме тяги на участке Иркутск -Слюдянка ВСЖД, и данных математического моделирования доказана адекватность математической модели ВИЛ;

разработана физическая модель ВИЛ в составе физической модели электровоза, для исследования влияния отказов плеч ВИЛ на форму выпрямленного напряжения при переходе с зоны на зону;

в ходе исследования электромагнитных процессов на физической модели, была установлена взаимосвязь между возникновением максимального отклонения мгновенного значения выпрямленного напряжения ВИЛ на третьей зоне регулирования и моментом перехода со второй зоны на третью; разработана методика поиска обрывов вентильных плеч; создано программно-техническое устройство для реализации разработанной методики оценки технического состояния плеч ВИЛ;

проведена технико-экономическая оценка, разработанной системы щагностирования ВИЛ. Экономия денежных средств за счет сокращения рудоемкости и продолжительности ремонта при внедрении разработанной :истемы диагностирования составит 128,213 тыс. руб. в год при сроке жупаемости 4,6 лет.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

В рецензируемых журналах из списка ВАК

1. Власьевский, C.B. Принципы построения модели системы диагностики ыпрямительно-инверторных преобразователей электровозов переменного тока с спользованием метода параметрической идентификации объекта / C.B. 1ласьевский, Л.В. Бузмакова // Научно-технический журнал «Электроника и лектрооборудование транспорта. - 2008, № 1.

2. Бузмакова, JI.B. Причинно-следственные связи дефектов и признаков и проявления в выпрямительно-инверторных преобразователях электровозе переменного тока / JI.B. Бузмакова // Научно-технический журнал «TpaHcnof Урала». - 2008, № 2.

3. Бузмакова, JI.B. Стационарная система послеремонтной диагностик выпрямительно-инверторных преобразователей электровозов переменного тока условиях имитации рабочих воздействий / JI. В. Бузмакова, C.B. Власьевский, С.' Овсейчик // Научно-технический журнал «Электроника и электрооборудовани транспорта «Электроника и электрооборудование транспорта». - 2011, № 2-3.

В других изданиях

1. Власьевский, C.B. Вопросы надежности тиристорных преобразователе [Текст] / C.B. Власьевский, JI.B. Бузмакова // Надежность и эффективность систе] и устройств электроснабжения железных дорог: труды региональной научне практической конференции. - Хабаровск: ДВГУПС, 2005. - С. 46-52.

2. Власьевский, C.B. Анализ выходов из строя выпрямительно-инверторны преобразователей на электровозах переменного тока с плавным регулирование] напряжения [Текст] / C.B. Власьевский, JI.B. Бузмакова // Проблемы перспективы развития транссибирской магистрали в XXI веке: труд] всероссийской научно-практической конференции. - Чита: ЗабИЖТ 2006. - Т. 1. С. 142-147.

3. Бузмакова, JI.B. Анализ существующих средств диагностик выпрямительно-инверторных преобразователей электровозов переменного ток [Текст] / JI.B. Бузмакова // Научно-техническое и экономическое сотрудничеств стран АТР в XXI веке: труды 5-й международной научной конференци: творческой молодежи. - Хабаровск: ДВГУПС, 2007. - Т. 2. - С. 56-59.

4. Власьевский, C.B. Принципы построения математической модели систем! диагностики работоспособности выпрямительно-инверторного преобразовател электровоза [Текст] / C.B. Власьевский, JI.B. Бузмакова // Электромеханически преобразователи энергии: материалы международной научно-техническо] конференции. - Томск: ТПУ, 2007. - С. 107-109.

5. Власьевский, C.B. Анализ надежности тиристорных преобразователе] электровозов переменного тока [Текст] / C.B. Власьевский, JI.B. Бузмакова / Инновационные технологии - транспорту и промышленности: труды 45-i международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов инженерных работников и представителей академической науки. - Хабаровск ДВГУПС, 2007. - С. 24-28.

6. Бузмакова, JI.B. Причины отказов работы системы управлени: выпрямительно-инверторных преобразователей электровозов переменного ток [Текст] / JI.B. Бузмакова // Проблемы транспорта Дальнего Востока: материаль седьмой международной научно-практической конференции. - Владивосток МГУ, 2007.-С. 182-183.

7. Бузмакова, Л.В. Послеремонтная диагностика выпрямительно-инверторных преобразователей электровозов переменного тока [Текст] / Л.В. Бузмакова // Электрификация железнодорожного транспорта «ТРАНСЭЛЕКТРО-2008»: тезисы II международной научно-практической конференции. - Днепропетровск-ДНУЖТ, 2008. - С. 3.

8. Власьевский, C.B. Математическое моделирование выпрямительно-инверторного преобразователя с учетом его исправного и неисправного технических состояний [Текст] / C.B. Власьевский, Л.В. Бузмакова // Развитие транспортной инфраструктуры - основа роста Забайкальского края: материалы международной научно-практической конференции. - Чита: ЗабИЖТ, 2008 - Т 1 -С. 145-151.

9. Власьевский, C.B. Компьютеризированная система диагностирования выпрямительно-инверторных преобразователей электровозов на стадии послеремонтных испытаний [Текст] / C.B. Власьевский, С.З. Овсейчик, Л.В. Бузмакова // Моделирование. Системный анализ. Технологии: межвузовский сборник научных трудов. - Чита: ЗабИЖТ, 2008. - С. 163-167.

10. Овсейчик, С.З. Система управления физической моделью выпрямительно-инверторного преобразователя электровоза переменного тока [Текст] / С.З. Овсейчик, Л.В. Бузмакова // Управление, эксплуатация и ремонт железнодорожных узлов и агрегатов: межвузовский сборник научных трудов -Чита: ЗабИЖТ, 2009. - С. 109-112.

11. Бузмакова, Л.В. Алгоритм определения обрыва плеч выпрямительно-инверторного преобразователя электровоза переменного тока [Текст] / Л.В. Бузмакова, С.З. Овсейчик // Управление, эксплуатация и ремонт железнодорожных узлов и агрегатов: межвузовский сборник научных трудов -Чита: ЗабИЖТ, 2009. - С. 124-129.

12. Бузмакова, Л.В. Система послеремонтной диагностики выпрямительно-инверторных преобразователей электровозов переменного тока [Текст] / Л.В. Бузмакова, Е.Е. Тен // Наука - Хабаровскому краю: материалы XII краевого конкурса молодых ученых и аспирантов. - Хабаровск: ТОГУ, 2010. - С. 3-7.

Бузмакова Лилия Витальевна

СИСТЕМА ПОСЛЕРЕМОНТНОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ИНВЕРТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ЛОКОМОТИВНОМ ДЕПО

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 27.04.2012. Формат 60x84'/i6. Гарнитура «Times New Roman». Уч.-изд. л. ] Д Усл. печ. л. 1,4. Зак. 105. Тираж 100 экз.

Издательство ДВГУПС, 680021 г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.

61 12-5/3275

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

На правах рукописи УДК 629.423. 1:621.314.6

БУЗМАКОВА ЛИЛИЯ ВИТАЛЬЕВНА

СИСТЕМА ПОСЛЕРЕМОНТНОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ИНВЕРТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ЛОКОМОТИВНОМ

ДЕПО

Специальность -05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор С.В. ВЛАСЬЕВСКИЙ

Хабаровск - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................... 5

1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ИНВЕРТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ЛОКОМОТИВНОМ ДЕПО .............................................................................................. 11

1.1 Обзор существующих методов и технических средств диагностирования для определения технического состояния ВИП.... 12

1.2 Общие характеристики систем диагностирования ВИП электровозов переменного тока до и после их ремонта в локомотивном депо 18

1.3 Анализ существующих условий в разработке системы диагностирования ВИП электровозов................................................... 27

1.4 Цели и задачи исследования................................................... 30

2 ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ИНВЕРТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КАК ОБЪЕКТ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ПРИ ЭКСПЛУАТЦИИ И ПОСЛЕРЕМОНТНЫХ ИСПЫТАНИЯХ В ЛОКОМОТИВНОМ ДЕПО 32

2.1 Общие сведения об устройстве выпрямительно-инверторного преобразователя и принципе его работы в режиме тяги ................................................................................................. 32

2.2 Анализ причин выхода из строя силовых вентилей и другого оборудования выпрямительно-инверторных преобразователей 43

2.3 Анализ причин выхода из строя выходных каскадов управления выпрямительно-инверторных преобразователей.............. 48

2.4 Определение диагностических параметров выпрямительно-инверторных преобразователей.................................................... 51

2.5 Разработка схемы причинно-следственных связей отказов

ВИП и признаков их проявлений.................................................... 56

2.6 Принципы построения системы диагностирования ВИП на основе использования логического метода распознавания........ 60

3 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВИП ДЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССОВ ЕГО РАБОТЫ В РАЗЛИЧНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СОСТОЯНИЯХ 67

3.1 Методика математического моделирования процесса выпрямления ВИП в составе системы «электровоз переменного

тока» ............................................................................................... 68

3.2 Математическая модель ВИП, реализованная в пакете схемотехнического моделирования ОгСАР 9.2.................................. 78

3.3 Оценка адекватности математической модели ВИП реальным процессам в выпрямительно-инверторном преобразователе ..................................................................................................... 90

4 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ВИП ПРИ ПОСЛЕРЕМОНТНЫХ ИСПЫТАНИЯХ И ЕЁ ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ................................................................................. 96

4.1 Структурная схема предлагаемой системы диагностирования ВИП.......................................................................................... 96

4.2 Физическое моделирование процессов выпрямления ВИП в составе силовой схемы электровоза переменного тока.............. 98

4.2.1 Физическая модель ВИП ...................................................... 99

4.2.2 Условия адекватности электромагнитных процессов в фи-

г>,„т 100

зическои модели ВИП процессам реального ВИП электровоза

4.3 Система управления физической моделью ВИП 105

4.3.1 Структурная схема системы управления физической моделью ВИП Ю6

4.3.2 Принципиальная схема системы управления физической

110

моделью ВИП

4.3.3 Схема сопряжения СУВ с физической моделью ВИП и ПК. 123

4.4 Общая характеристика процессов работы ВИП при исправных и неисправных технических состояниях ..............................................................125

4.4.1 Первая зона......................................................................................................................................................127

4.4.2 Вторая и третья зоны........................................................................................................................143

4.5 Разработка алгоритма диагностирования ВИП............................................162

4.6 Технико-экономическая оценка разработанной системы ди-

омп 175

агностирования ВИП......................................................................

ВЫВОДЫ ................................................................................................................................................................................182

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..............................................................................................183

ПРИЛОЖЕНИЕ А ......................................................................................................................................................193

ПРИЛОЖЕНИЕ Б ..................................................................................................199

ПРИЛОЖЕНИЕ В 201

ВВЕДЕНИЕ

Выпрямительно-инверторные преобразователи (ВИП) относятся к основным узлам электронного оборудования электровоза переменного тока. Любое изменение их надёжности в меньшую или в большую сторону ведет соответственно к ухудшению либо улучшению параметров эксплуатационной надёжности и, как следствие этого, производительности электровозов. Отказы ВИП в зависимости от степени тяжести могут привести электровоз в различные состояния, начиная от частичной потери работоспособности до его полной остановки. В связи с этим особое внимание уделяется диагностике и контролю качества ремонта ВИП. Быстрое и точное выявление дефектов обеспечивает: снижение аварийности и сокращение времени проведения ремонта.

Особо значимая роль в контроле технического состояния ВИП отводится послеремонтной диагностике преобразователей. Поскольку она является последним звеном общей технологической цепи ремонта, то её основная цель - исключить случаи выдачи в эксплуатацию ВИП с не выявленными дефектами, а также обеспечить объективную оценку качества работ по техническому обслуживанию и ремонту преобразователей.

В настоящее время в локомотивных депо средства для диагностики ВИП представлены в большом разнообразии. Тем не менее, вопрос об оперативном и комплексном подходе определения технического состояния ВИП после проведения ремонта остаётся до сих пор открытым. Так же наблюдается потребность в улучшении диагностического оборудования. Это обусловлено тем, что разрозненность и неавтома-тизированность большинства технических средств диагностирования силового электронного оборудования, существующих в локомотивных депо, за счет значительного влияния субъективного человеческого

фактора, не позволяют оперативно и достоверно определить техническое состояние ВИП в стационарных условиях. В результате недостатки проведенного ремонта выявляются уже в процессе проведения его испытания на локомотиве под контактным проводом.

Для осуществления эффективной и качественной диагностики на этапе стационара необходим функциональный контроль для проверки взаимодействия элементов ВИП между собой, позволяющий наблюдать работу всего преобразователя в целом либо совместную работу нескольких блоков в режиме имитации реальной нагрузки. На заключительном этапе ремонта функциональный контроль позволил бы выявить все возможные дефекты, допущенные при ошибочной наладке или сборке и монтаже схем еще до установки ВИП на локомотив, где осуществляется окончательная проверка под рабочими воздействиями.

Кроме того, в сложившихся условиях необходима разработка новых и совершенствование существующих методов и приборов диагностики, объединенных в единую комплексную систему. Для этого следует перейти к новым или модернизированным системам диагностики, позволяющим повысить качество ремонта, снизить время его проведения и тем самым повысить эксплуатационную надежность ВИП.

В этой связи представляется актуальной задача разработки программно-технического комплекса и методики для диагностирования преобразователей электровозов переменного тока, которые могли бы, в сочетании с оперативностью и достоверностью выдать информацию о состоянии ВИП при послеремонтных испытаниях в локомотивном депо. Эти задачи нашли отражение в Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года, утвержденной распоряжением Правительства РФ №887р от 17.06.2008г.

Одним из путей повышения качества послеремонтной диагностики ВИП в локомотивном депо является создание стационарной системы

6

диагностики, позволяющей наблюдать работу всего преобразователя как единого объекта диагностирования в условиях имитации рабочих воздействий.

Целью работы является повышение качества ремонта ВИП путем создания системы диагностирования выпрямительно-инверторного преобразователя для послеремонтных испытаний в локомотивном депо.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования в настоящей работе является выпрямительно-инверторный преобразователь ВИП4000М электровозов переменного тока.

Предметом исследования является электромагнитный процесс, протекающий в силовой схеме электровоза при исправных и неисправных технических состояниях ВИП.

Задачи исследования:

- представление ВИП как объекта диагностирования и определение возможных направлений поиска методов контроля его технического состояния;

- теоретическое рассмотрение влияния различных отказов в работе ВИП на электромагнитные процессы в силовой схеме электровоза;

- построение математической модели ВИП в режиме тяги с учетом его исправного и неисправного технических состояний;

- построение физической модели ВИП и её системы управления для анализа электромагнитных процессов, протекающих при переходе с зоны на зону, при исправном состоянии вентильных плеч и при наличии их обрывов;

- провести выбор диагностических признаков и разработать по ним метод и алгоритм для оценки технического состояния ВИП;

- разработать вариант технического решения для реализации разработанного метода оценки технического состояния преобразователя, то есть систему диагностики ВИП.

Методика исследований

Для решения поставленных диссертационной в работе задач использовались методы расчета электрических цепей, моделирование с помощью программного пакета схемотехнического моделирования ОгСАй 9.2. Анализ режимов функционирования ВИП в различных технических состояниях проведен с помощью математического и физического моделирования электромагнитных процессов в силовой схеме электровоза переменного тока. Обработка результатов экспериментальных исследований проводилась на ЭВМ с помощью общего и специального программного обеспечения.

Научная новизна

1. Разработана математическая модель ВИП электровоза в режиме тяги, позволяющая провести исследование электромагнитных процессов его работы, с целью выявления связи между возможными отказами элементов и их диагностических признаками.

2. Установлена взаимосвязь между возникновением максимально возможного отклонения мгновенного значения выпрямленного напряжения и моментом перехода с зоны на зону при обрывах вентильных плеч.

3. Разработаны метод и алгоритм диагностирования для поиска обрывов вентильных плеч ВИП.

Достоверность научных результатов обоснована

1. Проведенными экспериментальными исследованиями с электровозом ВЛ80Р в режиме тяги на участке Иркутск-Слюдянка ВСЖД. Эти исследования доказали адекватность результатов численного анализа математической модели и электромагнитных процессов, полученных в ходе проведения эксперимента. Отклонение электрических параметров математической модели и реального объекта не превышает 5 %.

2. Сравнительным анализом электромагнитных процессов в физической модели ВИП и в ВИП реального электровоза на основе теории подобия физических явлений. Расхождение в значениях по двум критериям подобия составляет 6,1%, что свидетельствует о том, что процессы, происходящие в физической модели ВИП подобны реальным процессам.

Практическая ценность

1. Разработано программно-техническое устройство, для диагностирования обрывов плеч ВИП и одновременной проверки выполнения алгоритма управления по зонам регулирования во время его по-слеремонтных испытаний.

2. Создана физическая модель ВИП с системой управления в составе физической модели электровоза, позволяющая наглядно проследить влияние обрывов вентильных плеч на диагностический параметр и оценить предложенный метод диагностирования плеч ВИП. Созданная физическая модель используется в учебном процессе подготовки студентов специальности 190303.65 - Электрический транспорт железных дорог.

3. Внедрение разработанной системы диагностики позволит сократить время восстановления ВИП и повысить качество его ремонта.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались и обсуждались:

- на научно-практической конференции «Надежность и эффективность систем и устройств электроснабжения железных дорог», Хабаровск, ДВГУПС, 19-20 декабря 2005 года;

- на всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития транссибирской магистрали в XXI веке», Чита ЗабИЖТ, 22-24 ноября 2006 года;

- на пятой международной научной конференции «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке», Хабаровск, ДВГУПС, 17-19 апреля 2007 года;

- на международной научно-практической конференции «Проблемы транспорта Дальнего Востока», Владивосток, МГУ, 5-7 октября 2007 года;

- на международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», Томск, ТПУ, 17-19 октября 2007 года;

- на 45 международной научно-практической конференции «Инновационные технологии - транспорту и промышленности», Хабаровск, ДВГУПС, 7-9 ноября 2007 года;

- на всероссийской научно конференции «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования», Хабаровск, ДВГУПС, 22-24 апреля 2008 года;

- на II международной научно-практической конференции «Электрификация железнодорожного транспорта» «ТРАНСЭЛЕКТРО -2008», ДНУЖТ, 30.09 - 04.10. 2008 года;

- на XII краевом конкурсе-конференции молодых ученых и аспирантов (секция «Технические науки»), Хабаровск, ТОГУ, 19 января 2010 года.

Публикации

Основное материалы исследований опубликованы в 14 научных работах, в том числе в 3-х ведущих рецензированных научных изданиях, определенных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, приложения, библиографического списка из 80 наименований. Содержит 192 страницы основного текста, 22 таблицы и 63 рисунка.

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ИНВЕРТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ЛОКОМОТИВНОМ ДЕПО

Обеспечение надёжной работы локомотивов является одной из основных задач служб железнодорожного транспорта. Выполнение графиков движения электровозов при оптимальных экономических показателях, обеспечение безопасности движения поездов во многом определяется надёжностью локомотивов. Эксплуатационная надёжность электровоза переменного тока находится в прямой зависимости от надёжности составляющих его узлов и устройств.

Разработка современных серий электровозов ведется с учетом повышения безотказности и ремонтопригодности электронного оборудования. Однако на железной дороге в эксплуатации по-прежнему находятся электровозы более ранних годов выпуска (ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ65), при разработке которых, вопросам функциональной диагностики и ремонтопригодности уделялось меньшее внимание, чем вопросам улучшения весовых показателей и габаритов. Поэтому надёжное функционирование данных электровозов во многом зависит от проведения качественного ремонта в депо. В результате износа оборудования, недостатка диагностических средств и запасных устройств в пунктах обслуживания, проблемы обеспечения надлежащего уровня надёжности данных электровозов обостряются. По мере наращивания пробега новыми электровозами типа 2ЭС5К и ЗЭС5К задача проведения качественного ремонта в депо встанет и перед этими электровозами переменного тока.

1.1. Обзор существующих методов и технических средств диагностирования для определения технического состояния ВИП

Выпрямительно-инверторные преобразователи широко используются в энергетике и на железнодорожном транспорте. Независимо от области использования таких преобразователей, к ним предъявляется общее требование надёжной и долговечной работы. Это вызвано необходимостью обеспечения заданного уровня эксплуатационной надёжности установок, в которых они используются.

Выпрямительно-инверторные преобразователи относятся к основным узлам электронного оборудования электровоза переменного тока. Любое изменение их надёжности в меньшую или в большую сторону приводит соответственно к ухудшению либо улучшению параметров эксплуатационной надёжности и, как следствие этого, производительности электровозов. Кроме того, на транспорте надежная работа ВИП электровозо�