2.2. Параметры, снижающие эффективность системы диагностики тяговых электродвигателей
Каждый метод диагностирования имеетпараметры снижающие эффективность этого метода, тем самым снижая эффективность всей системы диагностики двигателей. Эти параметры учитывают при разработке методики.
Для магнитопорошкового метода этим параметром является невозможность выявления дефектов, расположенных на глубине более 2-3 мм от поверхности и при наличии дефекта на глубине система может не распознать его, что в следствие может привести к критическим последствиям. Поэтому используют феррозонды, с помощью которых можно выявлять нарушения сплошности в ферромагнитных материалах и изделиях из них, причем не только поверхностные и подповерхностные, как при магнитопорошковом методе, но и удаленные на 10—15 мм от поверхности изделия.
При проверке ультразвуковым методом учитывают то, что этот метод имеет низкую помехоустойчивость, стараются убрать лишние помехи и шумы, устраняют воздушный зазор, поскольку малейший воздушный зазор может стать непреодолимой преградой для ультразвуковых колебаний, тщательно подготавливают поверхностьперед проверкой.
Тепловой метод диагностики имеет зависимость корректности измерений от окружающей среды и погодных условий.
Для вихретокового методаналичие покрытия является параметром, который снижает эффективность, вносит искажения в значения измерений, в следствии образования помехи для прохождения сигнала через него. Так же нужно учитывать, что дефекты, расположенные параллельно зонду могут остаться незамеченными. Дальнейшее совершенствование этого метода позволит избежать ряда недостатков и открыть новые направления использования вихретокового метода. В частности, предпринимаются попытки использования этого метода на неэлектропроводящих элементах за счет нанесения электропроводящего покрытия в виде порошка или жидкости.
Визуально-измерительный имеет низкую способность обнаружения мелких поверхностных дефектов и уровень выявляемости дефектов приборами зависит от субъективных факторов.
Анализ методов показал, что каждый имеет параметры, которые снижают его эффективность, тем самым снижая эффективность системы диагностики в целом, но недостатки учитываются и пытаются обходить, при разработке методик диагностирования тяговых электродвигателей.
ВЫВОД: система диагностирования включает в себя современное оборудование и комплексы диагностики позволяет с точностью определить состояние тягового электродвигателя и наличие в нем неисправности с помощью современных методов диагностики, реализованных в оборудовании депо.
III. Совершенствование системы диагностирования тяговых электродвигателей в депо
При организации процессов диагностирования возникают вопросы оценки качества используемых тестов и диагностических процедур. Наиболее важными и часто используемыми оценками являются: полнота контроля, глубина поиска неисправностей, достоверность контроля.
В ГОСТ 20911-89 даются следующие определения этих оценок.
Полнота контроля – характеристика, определяющая возможность выявления отказов (неисправностей) в объекте при выбранном методе его диагностирования (контроля).
Глубина поиска места неисправностей – характеристика, задаваемая указанием составной части объекта с точностью, до которой определяется место отказа (неисправности).
Достоверность контроля – степень объективного соответствия результатов диагностирования (контроля) действительному техническому состоянию объекта17.
Улучшения этих показателей можно достичь путем внедрения современных средств диагностики и испытаний и совершенствованием существующих технологий и методов контроля технического состояния.
Тяговые электродвигатели (ТЭД) в условиях эксплуатации подвергаются ряду внешних воздействий, среди которых – повышенная нагрузка, колебания температуры, повышенная влажность воздуха. Степень воздействия того или иного фактора зависит от климатических особенностей местности, где эксплуатируется тяговый подвижной состав, его конструкции, типа электротяги и других факторов. Указанные негативные воздействия оказывают отрицательное влияние на элементы ТЭД, в том числе и на его систему изоляции. Анализ отказов ТЭД показывает, что от 12 до 60 % всех отказов приходится на межвитковые замыкания в якорных обмотках, при этом значительный разброс объясняется различными условиями эксплуатации. Учитывая тот факт, что на долю отказов ТЭД приходится до 53 % всех отказов тягового подвижного состава, можно говорить об актуальности вопроса своевременного диагностирования процессов деградации межвитковой изоляции и обнаружения уже возникших повреждений.
Стоит отметить, что оценка технического состояния межвитковой изоляции является частью технологического процесса комплексного диагностирования ТЭД, которую невозможно реализовать методом прямых измерений, как в случае, например, с корпусной изоляцией. Необходимость обнаружения сложных процессов развивающейся деградации в изоляции или обнаружения незначительных повреждений требует применения современных методов диагностирования. Одним из таких методов является метод диагностирования состояния изоляции обмоток электрических машин, основанный на анализе волнового затухающего процесса (волнового отклика), возникающего в результате подачи в обмотку импульсов тока малых длительности и амплитуды.
Результаты проведения предварительных исследований по получению волнового отклика в якорной обмотке позволили создать специализированный стенд для испытания межвитковой изоляции якорных обмоток коллекторных машин структура которого приведена на рис. 13
Алгоритм работы стенда заключается в следующем. Обмотка подключается к блоку питания (БП) постоянного тока через быстродействующий электронный ключ (БЭК), рассчитанный на соответствующие режимы коммутации индуктивной нагрузки. Управляющие сигналы поступают с генератора прямоугольных импульсов (ГПИ) на модуль гальванической развязки, в котором формируются сигналы управления драйвером ключа и сигнал синхронизации для устройства фиксации отклика. Драйвер ключа открывает и закрывает БЭК под действием управляющих сигналов, что вызывает кратковременное протекание тока в диагностируемой обмотке.
Рис. 13. - Структурная схема испытательного стенда для фиксации волнового отклика18
После того, как протекание тока прерывается, в обмотке возникает волновой затухающий процесс, который фиксируется устройством сбора и визуализации, например, цифровым запоминающим осциллографом. Параметры данного переходного процесса в дальнейшем служат диагностическими параметрами для оценки технического состояния межвитковой изоляции якорной обмотки ТЭД. В результате проведения экспериментальных исследований установлено, что возникновение в обмотке межвиткового замыкания приводит к заметному увеличению амплитуды волновых затухающих колебаний при одновременном повышении их частоты. Данный факт позволяет говорить о возможности применения метода волнового отклика для раннего обнаружения межвиткового замыкания, возникающего в якорной обмотке ТЭД в процессе эксплуатации электродвигателя.
Следует отметить, что применение метода не подразумевает изъятие якоря или проведение серьезных вмешательств в конструкцию ТЭД и характеризуется простотой: для осуществления испытаний необходимо соединить соответствующие выводы испытательного оборудования со щетками или соответствующими выводами в клеммной коробке ТЭД. Разработанный стенд обладает следующими техническими характеристиками:
возможность регулировки амплитуды диагностических импульсов (ДИ) в пределах 3 ... 12 В;
длительность заднего фронта ДИ не более 100 нс;
возможность регулировки длительности ДИ в диапазоне 1 ... 1000 мкс.
В качестве ГПИ в разработанном стенде применен генератор импульсов Г5-56, который обеспечивает подачу сигналов прямоугольной формы с длительностью фронтов порядка 25 нс. Стоит отметить, что частота фиксируемого волнового отклика в зависимости от конструкции тестируемой обмотки может достигать 500 кГц, что накладывает существенные ограничения на скорость срабатывания БЭК, а соответственно, и на длительность фронтов управляющих импульсов. Стенд указан на рисунке 14
Рис. 14. Испытательный стенд для фиксации волнового отклика в якорной обмотке тягового электродвигателя19
Питание логической части стенда осуществляется от специально разработанного блока с тремя гальванически развязанными выходами. Гальваническая развязка ГПИ и логической части стенда выполнена на микросхеме HCPL-2601. В качестве ключа применен высокоскоростной MOSFET транзистор Panasonic 2SK2128, управляемый драйвером верхнего плеча Microchip TC4420, включенным по типовой схеме20.
Выбор элементов ключа осуществлен с учетом особенностей коммутации индуктивной нагрузки и требований к скорости срабатывания ключа.
Волновой отклик фиксируется при помощи цифрового осциллографа Rigol DS1052e, измерительные щупы которого подключаются к выходам «Измерение» и «Синхронизация» испытательного стенда, при этом подключение к испытуемой обмотке электродвигателя производится двумя проводами через щетки.
Следует отметить, что форма волнового отклика при неизменных условиях проведения испытаний практически не изменяется от импульса к импульсу, поэтому для анализа достаточно одной реализации отклика. После настройки необходимых параметров испытаний, дискретные значения сигнала сохраняются в файл с расширением *.csv, который представляет собой массив значений напряжения сигнала с указанием соответствующих временных координат.
Для обработки данных разработан и реализован макрос для программы MicrosoftExcel, который позволяет выполнять автоматическое построение графика отклика, определение его максимальной амплитуды, частоты и коэффициента затухания, формировать отчет по нескольким испытаниям в виде таблицы. На рис. 15 представлен график, построенный в результате обработки данных, полученных при тестировании ТЭД.
Рис. 15. - Форма сигнала на выводах якорной обмотки тягового электродвигателя21
UДИ - амплитуда диагностирующего импульса;
τДИ – длительность диагностирующего импульса;
TВО – период волнового отклика;
UBO – амплитуда волнового отклика.
Поскольку подача диагностирующих импульсов и снятие сигнала производится в одних и тех же точках схемы, по приведенной осциллограмме можно оценить параметры как диагностирующих импульсов, так и волнового отклика. Период и амплитуда волнового отклика, наряду с коэффициентом затухания, содержат информацию о диагностируемом объекте и позволяют определить наличие и степень повреждений межвитковой изоляции ТЭД.
Анализ результатов, полученных при испытаниях с использованием разработанного стенда, позволяет говорить о перспективности применения подобного оборудования при проведении технического обслуживания ТЭД подвижного состава для раннего выявления повреждений.
На сегодняшний момент отработана методика обнаружения межвитковых замыканий в якорной обмотке ТЭД и других коллекторных машин. Отметим, что существует возможность включения оборудования, работающего по принципу волнового отклика, в бортовую систему самодиагностики локомотива, что позволило бы наиболее рационально использовать все преимущества данной методики. Разработанный испытательный стенд для тестирования межвитковой изоляции якорных обмоток ТЭД позволяет реализовать методику диагностирования и исследовать предотказное состояние и общее ускорение процессов деградации межвитковой изоляции электродвигателей.
ВЫВОД: улучшения качества существующей системы диагностирования тяговых электродвигателей можно добиться путем внедрения современного метода диагностики состояния изоляции обмоток электрических машин, основанный на анализе волнового затухающего процесса (волнового отклика), описанного выше. Так как это поможет сократить временные и экономические затраты.