Моделирование теплового состояния тягового электродвигателя для прогнозирования ресурса

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Электротехника


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Из анализа полученных результатов видно, что КПД по активной мощности в системе асинхронный двигатель — асинхронный генератор равен 87%, а на покрытие потерь в двигателе и генераторе из сети потребляется не более 13% активной мощности.
Выводы
1. Предложенная схема испытаний асинхронных машин методом взаимной нагрузки с возбуждением генератора от сети дает возможность су-
щественно экономить электроэнергию в процессе испытания.
2. Разработанная модель схемы испытаний асинхронных машин методом взаимной нагрузки правильно описывает работу двигателей и позволяет исследовать их как в статическом, так и в динамическом режимах.
3. Схема взаимной нагрузки может быть применена не только для послеремонтных испытания АТЭД, но и для испытаний общепромышленных асинхронных машин большой мощности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Щербаков В. Г. Тяговые электродвигатели электровозов. — Новочеркасск: Агентство Наутилус, 1998. — 672 с.: ил.
2. Вольдек А. И. Электрические машины. — Л.: Энергия, 1978. -832 с.: ил.
3. Герман-Галкин С.Г., Карданов Г. А. Электрические машины: Лабораторные работы на ПК. — СПб.: КОРОНА принт, 2003. -256 с.: ил.
4. Герман-Галкин С. Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в МАТМВ 6.0. — СПб.: КОРОНА принт, 2001. — 320 с.: ил.
5. Находкин М. Д. Проектирование тяговых электрических машин. — М.: Транспорт, 1976. — 624 с.: ил.
УДК 621. 313
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕСУРСА
В. В. Щербатов, О. Л. Рапопорт, А.Б. Цукублин
Томский политехнический университет E-mail: shervv@mail. tpu. elti. ru
Разработана тепловая математическая модель для определения установившихся температур всего объема ТЭД, которая может использоваться для прогнозирования ресурса по тепловому состоянию изоляции.
Прогнозирование ресурса тяговых электродвигателей (ТЭД) является актуальной задачей в транспортном электромашиностроении, решение которой позволяет определить срок восстановления ТЭД в зависимости от условий эксплуатации. Ресурс ТЭД количественно определяется совокупностью вероятностных характеристик и параметров, отражающих закономерности возникновения отказов в конкретных условиях эксплуатации.
Возможность решения задачи прогнозирования ресурса ТЭД обуславливается тем обстоятельством, что в большинстве случаев их отказы являются следствием постепенного накапливания повреждений, постепенного старения и изнашивания. Понятие [1] «внезапный отказ» относительно, т.к. скачкообразному изменению параметров технических устройств предшествует постепенное изменение каких-либо физических величин, о которых отсутствует информация.
Оценка ресурса становится прогнозируемой, когда на основе анализа физических процессов, изучения закономерностей, которым подчиняется процесс формирования показателей надежности,
делается предположение о состоянии надежности изделия.
Тяговые электродвигатели относятся к наиболее нагруженному оборудованию электровозов с точки зрения комплексного воздействия на них тепловых, электрических, механических и климатических факторов. Поэтому, несмотря на постоянно проводимые мероприятия конструктивно-технологического характера при изготовлении и ремонте локомотивов, уровень повреждаемости ТЭД в эксплуатации хотя и снижается, но остается довольно высоким [1].
Повреждаемость в эксплуатации составляет около 20% по порчам и 30% по числу заходов на внеплановый ремонт от соответствующих видов отказов по всему оборудованию электровозов. Устранение отказов, а также плановые регламентные ремонтно-восстановительные работы и текущее обслуживание щеточно-коллекторного узла, изоляционных конструкций и подшипниковых узлов составляют основную долю затрат по содержанию тяговых двигателей в эксплуатации.
Статистика отказов по локомотивному депо ст. Тайга (журнал учета) показывает, что наиболее
часто двигатели попадают в ремонт по следующим причинам:
• пробой изоляции и межвитковые замыкания обмотки якоря — 16… 25%-
• пробой изоляции и межвитковые замыкания главных и дополнительных полюсов и компенсационной обмотки — 12. 16%-
• нарушение коммутации (круговой огонь) -8. 16%-
• повреждение якорных подшипников — 14. 16%-
• нарушение распайки соединений обмотки якоря в петушках коллектора — 5.6%.
Для решения задачи прогнозирования ресурса необходимо создание математической модели, которая описывает закономерности изменения свойств материалов основных узлов тягового электродвигателя. Как видно из статистики отказов, основной вид повреждения ТЭД — это пробой изоляции (до 40%), поэтому температурный фактор является определяющим для его ресурса. Превышение температуры на 10 °C (для класса изоляции В) снижает ресурс изоляции в два раза. Таким образом, для прогнозирования ресурса ТЭД очень важно иметь объективную информацию о температурном поле во всем его объеме.
В связи с этим система прогнозирования ресурса тягового электродвигателя представляется как совокупность вычислительно-программных средств, в числе которых важное место занимает тепловая математическая модель, позволяющая определить температуру всех частей тягового электродвигателя, и модель, описывающая закономерность изменения свойств изоляции от температуры.
Эта закономерность лучше других поддается количественному учету, поэтому она сравнительно хорошо исследована.
Математическая зависимость ресурса Ь от температуры 3 представлена как Ь=АеВ/3 или ^Ь=А +В/3 где А, В, А'-, В'-- постоянные.
Нагрев также лежит в основе многообразных термохимических, термофизических и термомеханических явлений, которые могут угрожать жизнеспособности конструкции. Опасность немедленного или отсроченного повреждения машины связана не только с уровнем достигнутой температуры, но и с пространственными температурными градиентами, длительностью и частотой температурных воздействий, скоростью нагревания или охлаждения и т. п. Отсюда вытекает необходимость в достоверной и подробной информации о распределении температуры в электрической машине при различных режимах ее работы.
Получение экспериментальной информации требует присутствия в машине средств измерения температуры. Текущие измерения температуры в эксплуатационных режимах выполняются с целью предупреждения аварийных ситуаций и предполагают сопоставление достигнутых температур с пре-
дельно допустимыми безотносительно к параметрам режима.
Подробную информацию о температурном поле машины можно получить теоретическим путем на основе уравнения теплопроводности. Действительно, корректная математическая модель обеспечивает полную картину поля, если имеются надежные сведения о распределении потерь, свойствах материалов и течении охлаждающих агентов.
В задачи теплового расчета входит определение средней температуры активных частей машины, вычисление тепловых потоков между смежными элементами конструкции, т. е. расчет поля температуры в машине для номинального режима работы. Для ТЭД номинальным является продолжительный режим работы. Многочисленные теоретические разработки, применяемый математический аппарат и большое число экспериментальных исследований принципиально позволяют производить тепловой расчет с большой точностью.
Исходными данными для теплового расчета служат: распределение потерь энергии по объему машины, значения физических величин, в первую очередь теплопроводности и теплоемкости, и условий охлаждения на граничных поверхностях.
Для расчета температур активных частей ТЭД используется метод тепловых схем замещения [5], основанный на уравнении теплообмена (закон Фурье):
Ж АЗ ДЗ
P = -

где P — потери энергии- Scp — средняя площадь те-плопередающей поверхности- Я — коэффициент теплопроводности- A3 — падение температуры на длине 5- Rx — тепловое сопротивление данного участка пути теплового потока.
Исходя из того, что обмотки полюсов не оказывают влияние на нагрев якоря [2], предложенные схемы [3−5] для отображения общей картины тепловых процессов объединены в единую, с опорным узлом (общей точкой) по внутреннему воздуху.
Развернутая тепловая схема замещения ТЭД, состоящая из 7 самостоятельных источников тепла, приведена на рис. 1: Р1 — потери в меди главных полюсов- Р12 — потери в меди дополнительных полюсов- Р9 — потери в меди компенсационной обмотки- Р3 — потери в стали полюсного наконечника- Р14 — потери на коллекторе- Р16 — потери в меди якоря- Р18 — потери в стали сердечника якоря.
На рис. 1, рассмотрены пути теплопередачи, представленные тепловыми сопротивлениями: R1 — от меди катушек главного полюса (г.п.) к внутреннему воздуху (в.в.) — R2 — от меди катушек г. п. к стали через изоляцию- R3 — от стали г. п. к в.в.- R4 — от стали г. п. к остову- R5 — от меди катушек компенсационной обмотки к полюсу через изоляцию- R6 — от внутренней поверхности остова к в.в.- R7 — от стали дополнительного полюса (д.п.) к ос-
тову- R8 — от наружной поверхности остова к воздуху- R10 — от меди катушек д.п. к полюсу через изоляцию- R11 — от стали д.п. к в.в.- R12 — от меди катушек д.п. к в.в.- R141 — от поверхности коллектора к в.в.- R142 — от пластин коллектора по площади соприкосновения с нажимными конусами кольца и втулки- R143 — от внутренних каналов коллектора к в.в.- R144 — от манжеты коллектора к в.в.- R15 — от меди обмотки якоря с пазовой части на коллектор- R161 — от наружной поверхности лобовых соединений якоря к в.в.- R162 — от обмотко-держателей лобовых соединений якоря к в.в.- R17 — от пазовой изоляции якоря- R181 — от наружной поверхности зубцов якоря к в.в.- R182 — от поверхности вентиляционных каналов якоря к в.в. R13 учитывает среднее превышение температуры воздушного потока внутри машины над температурой окружающего воздуха.
Рис. 1. Развернутая тепловая схема замещения ТЭД
На основании приведенной тепловой схемы составлена система уравнений, представленная ниже в матричной форме и реализованная в среде МАТЬАВ.
Разработанная модель рассчитывает установившиеся температуры узлов ТЭД постоянного тока, учитывает температуру окружающей среды и производительность вентилятора воздушного принудительного охлаждения.
В качестве примера произведен расчет ТЭД ТЛ-2К1 мощностью при длительном режиме 575 кВт с изоляцией обмотки якоря класса В, обмотки возбуждения — Б, установленный на электровозах ВЛ-10. Результаты расчета нагрева обмоток в сравнении с экспериментальными данными [6] приведены в табл. Здесь же приведена погрешность расчета с использованием математической модели.
Таблица. Результаты расчета ТЭД ТЛ-2К1 при номинальном токе 400 А
Участки машины Температура, °С Погрешность, %
Расчетная По [6]
Обмотка якоря 97,65 94 3,74
Обмотка возбуждения 143,74 142 1,2
Обмотка дополнительных полюсов 106,43 102 4,16
Компенсационная обмотка 96,65 93 3,78
Коллектор 62,04 — -
Расхождение результатов расчета с результатами испытаний не превышают 5%.
Разработанная тепловая модель может применяться для других типов ТЭД и позволяет в кратчайшее время рассчитать установившееся тепловое поле любой машины при введении соответствующих параметров.
Прогнозирование ресурса ТЭД может осуществляться как в процессе его разработки, так и в период эксплуатации. В последнем случае целью прогнозирования является своевременное обнаружение неблагоприятного состояния двигателя и разработка рекомендаций по повышению его ресурса.
Рассмотрим применение алгоритма прогнозирования ресурса ТЭД по тепловому состоянию на примере изоляции якоря ТЭД ТЛ-2К1.
1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 -1 1 1 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0
0 0 0 -1 0 1 -1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 1 0 0 -1 1 0 0 0 0 0 0 0
-1 0 -1 0 0 -1 0 0 -1 0 -1 -1 1 -1 0 -1 0 -1
R1 — R2 — R3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 R3 — R4 0 — R6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 — R3 0 — R5 0 0 0 R9 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 — R10 — R11 R12 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 — R 6 — R7 0 0 0 R11 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 — R 6 0 R8 0 0 0 0 — R13 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 -1 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 -1 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1 1
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 R14 R15 — R16 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 R16 — R17 -R
51 P1
32 P3
33 P9
34 P12
35 0
36 0
37 0
38 0
39 0
310 0
311 0
312 0
313 0
314 P14
315 P16
316 P18
317 0
318 0
Один из материалов корпусной изоляции якоря ТЛ-2К1 — стеклолента толщиной 0,1 мм, теплопроводностью 0,23 Вт/(м-К), уложенная в один слой с перекрытием в половину ширины ленты.
Данная изоляция относится к классу нагрево-стойкости В. При испытаниях образцов данного материала был определен ресурс изоляции, он составляет 20 000 ч при 120 °C.
20 000
Рис. 2. Иллюстрация расчета прогнозирования ресурса ТЭД по тепловому состоянию
При эксплуатации в результате мониторинга получены данные по максимальным температурам якоря за время работы ТЭД 600 ч, рис. 2.
После обработки данных ресурс изоляции якоря составил 19 911 ч при 120 °C. Рисунок наглядно подтверждает правило 10 °C для изоляции класса В.
Данная модель представляет стационарный процесс. Находится наиболее нагретый узел и по его средней температуре делается предположение, что ресурс будет такой, как показывает наклонная линия. После этого производится расчетная корректировка наклона линии и новый прогноз ресурса изоляции.
Задача определения текущих максимальных значений температуры требует создания модели динамического процесса на основе дифференци-ональных уравнений. Для этого необходимы дальнейшие эксперименты и расчеты.
Таким образом, наличие тепловой математической модели позволит реализовать алгоритм прогнозирования ресурса ТЭД на локомотивах. Разработанная тепловая математическая модель позволяет с достаточной точностью рассчитать установившиеся температуры разных узлов ТЭД, определить температуру недоступных для непосредственного измерения частей в период эксплуатации. Это предполагает использование тепловой модели при мониторинге ТЭД с целью прогнозирования ресурса.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Правила ремонта электрических машин электроподвижного состава / Под ред. Е. М. Зубкович. — М.: Транспорт, 1992. — 295 с.
2. Богаенко И. Н. Обобщенные и местные коэффициенты теплоотдачи тяговых двигателей магистральных электровозов // Электричество. — 1966. — № 1. — С. 40−46.
3. Проектирование тяговых электрических машин / Под ред. М. Д. Находкина. — М.: Транспорт, 1976. — 624 с.
4. Сипайлов Г. А., Санников Д. И., Жадан В. А. Тепловые, гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах. — М.: Высшая школа, 1989. — 239 с.
5. Алексеев А. Е. Тяговые электрические машины и преобразователи. — Л.: Энергия, 1967. — 432 с.
6. Электровоз ВЛ10. Руководство по эксплуатации / Под ред. Н. И. Кикнадзе. — М.: Транспорт, 1975. — 326 с.
7. Тяговые двигатели электровозов / Под ред. В. Г. Щербакова. -Новочеркасск: Агентство Наутилус, 1998. — 627 с.
8. Исмаилов Ш. К. Тепловое состояние тяговых и вспомогательных электрических машин электровозов постоянного и переменного тока. — Омск, 2001. — 75 с.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой