Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Труды IX Международной (XX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2016 , Пермь, 3-7 октября 2016 г

..pdf
Скачиваний:
4
Добавлен:
19.11.2023
Размер:
57.92 Mб
Скачать

го с ним персонального компьютера типа «Notebook». Комплекс размещен в Центральном посту управления (ЦПУ) судном и подключен к соответствующим датчикам и приборам ГРЩ для снятия информации. Во время проведения экспериментальных исследований данным комплексом использовалось только лицензионное программное обеспечение и сертифицированное оборудование, прошедшее поверку.

Основными потребителями СЭЭС парома «Ейск» (рис. 1) являются гребные двигатели постоянного тока (Д1, Д2), получающие электрическую энергию через тиристорные преобразователи ПТР1, ПТР2. Питание Д1 и Д2, работающих на винт фиксированного шага с обслуживающими механизмами и оборудованием, осуществляется от двух или трех генераторов переменного тока (Г1 - Г3). От главных ДГА также осуществляется отбор электроэнергиидляпитаниясудовыхпотребителей.

Осциллограммы токов, полученные в установившемся режиме работы, т.е. без изменения нагрузки судовой электростанции (рис. 2), имеют ярковыраженные обменные колебания, в то время как один из параллельно работающих генераторов сбрасывает нагрузку, другой ее увеличивает. Во время снятия этих осциллограмм включена судовая нагрузка за исключением гребных двигателей и не производится пусков и остановов каких-либо мощных потребителей. На осциллограммах токов при работающих гребных двигателях,

Рис. 1. Структурная схема СЭЭС парома «Ейск»

получающих питание через тиристорные преобразователи (рис. 3), наблюдаются автоколебательные процессы, представляющие из себя синфазные колебания с разными амплитудами и периодами. Амплитуда колебаний достигает 100 %.

Осциллограммы тока и активной мощности (рис. 4) одного из параллельно работающих генераторов, зафиксированные при запуске подруливающего устройства, при его работе, при работе гребных двигателей, изображенные в одной системе координат, показывают, что эти величины изменяются синфазно.

Этот факт дает основание говорить о существовании обменных колебаний мощности на основании существования обменных колебаний токов. Таким образом, осциллограммы токов двух параллельно работающих генераторов во всех режимах работы судна подтверждают существование обменных колебаний мощности.

III. РЕЗУЛЬТАТЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ДГА

Для проведения дальнейшего изучения параллельной работы судовых дизель-генераторных агрегатов на базе синхронных генераторов в составе судового электротехнического комплекса, анализа причин существующих проблем и поиска методов их устранения используется его математическая модель, реализованная компьютерной программой [5, 6]. Компьютерная программа позволяет получить в виде графиков мгновенные значения моментов Mg1, Mg2, токов Ia1, Ia2, частот вращения роторов ωr1, ωr2, углов нагрузки Tet1, Tet2 двух параллельноработающих генераторов.

Рис. 3. Токи параллельно работающих генераторов при работающих гребных двигателях

Рис. 2. Токи параллельно работающих генераторов

Рис. 4. Ток и активная мощность одного из параллельно

в установившемся режиме

работающих генераторов при набросе нагрузки

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 481 -

Математическая модель судового электротехнического комплекса парома «Ейск» дает возможность проводить дальнейшие исследования, не вмешиваясь в работу пассажирского судна, что в принципе было бы невозможным мероприятием по причине обеспечения безопасности мореплавания.

При построении математической модели учтено существование «люфта» в системах автоматического управления частотой вращения дизелей. Необходимо выяснить, как влияют значения «люфта» на уровень обменных колебаний мощности.

Результаты моделирования параллельной работы двух генераторных агрегатов с нулевыми «люфтами» Dn1 и Dn2 показали полное отсутствие обменных колебаний. Существование равных «люфтов» даже у однотипных параллельно работающих генераторов возможно только в идеальном случае, на практике же они имеют разные значения.

На рис. 5 приведены результаты моделирования параллельной работы двух синхронных дизель-генера- торов со значениями «люфта» Dn1 = 0,002 и Dn2 = 0,01. На графиках токов и моментов генераторов видны примерно синусоидальные линии с зеркальным характе-

ром, т.е. максимуму мощности одного генератора соответствует минимум другого и наоборот, что и является основным признаком наличия обменных колебаний мощности. По результатам моделирования можно сделать вывод, что амплитуда обменных колебаний мощности растет с увеличением «люфта» параллельно работающих генераторов.

Результаты моделирования показывают, что различие конструктивных параметров на 25 % однотипных параллельно работающих дизель-генераторных агрегатов не приводит к возникновению и существованию как обменных, так и синфазных колебаний мощности. Аналогичные результаты получаются при различии параметров на 15, 35, 50 %. По результатам исследования видно, что различие параметров приводит к некоторому перераспределению мощностей, однако процессы имеют установившийся характер.

Результаты моделирования доказывают, что огибающая тока фазы iA1 изменяется синфазно с мощностью первого генератора P1, огибающая тока фазы iA2 изменяется синфазно с мощностью второго генератора P2, а максимумы мощности P1 соответствуют минимумам мощности P2 и наоборот, что также подтверждает

Рис. 5. Результаты моделирования, Dn1 = 0,002, Dn2 = 0,0

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 482 -

Рис. 6. Результаты работы блока адаптации, начальные условия Dn1 = 0,002, Dn2 = 0,01

возможность идентификации обменных колебаний мощности по токам фаз параллельно работающих генераторов.

IV. РАЗРАБОТКА И ПРОВЕРКА МЕТОДА УСТРАНЕНИЯ ОБМЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ МОЩНОСТИ

В контуре частоты вращения ДГА существуют только два регулируемых параметра – коэффициент усиления регулятора Kω и сигнал задания частоты вращения ωr0. Одним из наиболее эффективных путей устранения обменных колебаний мощности оказалось уменьшение коэффициента усиления регулятора частоты вращения дизеля, т.е. уменьшение жесткости его механической характеристики.

Исследования с использованием математической модели электротехнического комплекса парома подтвердили наличие обменных колебаний мощности в различных режимах работы судовой электростанции, основной причиной которых является наличие «люфта» в системах регулирования частоты вращения дизелей. Дальнейшие исследования показали, что для уменьше-

ния амплитуды обменных колебаний до допустимой величины, а по возможности и полного их устранения, необходимо изменение настроек регулятора частоты вращения дизеля в процессе работы. По результатам проведенных исследований и для реализации разработанного метода уменьшения обменных колебаний необходимо ввести в структуру автоматического управления электростанции блок УОКМ – устройство обменных колебаний мощности. Это должна быть адаптивная система, настроенная на обеспечение минимума критерия обменных колебаний мощности. Блок УОКМ получает информацию от всех дизелей и генераторов, работающих в параллельном режиме, после чего он обрабатывает информацию и в случае необходимости осуществляет подстройку коэффициентов передачи и уставок по частоте вращения автоматических регуляторов частоты.

Необходимо отметить, обязательность одновременного изменения настроек регуляторов частоты вращения дизелей с целью поддержания их равенства. Быстродействие локальных каналов подстройки параметров

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 483 -

регуляторов частоты вращения ведомых дизель-генера- торных агрегатов должно намного превышать быстродействие смены настроек базового агрегата. В этом случае не нарушается условие обеспечения устойчивости работы энергетической системы и не возникает колебаний мощности из-за рассогласования параметров настройки регуляторов частоты вращения дизелей.

Результаты математического моделирования параллельной работы дизель-генераторных агрегатов показали, что синфазные колебания мощности имеют место при неодинаковых значениях коэффициентов передачи регуляторовчастотывращенияиуставокпочастотевращения.

При проведении экспериментальных исследований на пароме «Ейск» зафиксированы синфазные колебания при работе гребных двигателей в ходовом режиме. Очевидно причиной этих колебаний являются различия в настройках регуляторов частот вращения дизелей параллельно работающих дизель-генераторных агрегатов.

Проверка эффективности и работоспособности разработанного метода устранения обменных колебаний мощности является важной задачей. Реализовать такую проверку на пароме «Ейск», где проводились экспериментальные исследования, невозможно, конвенция Солас по безопасности мореплавания пассажирских судов запрещает вносить изменения в работу СЭЭС и выводить их из штатного режима эксплуатации.

Для проверки метода устранения обменных колебаний мощности разработана программа RESTRICTION, где реализован алгоритм адаптации параметров настройки регулятора частоты – коэффициента усиления Kω и сигнала задания по частоте вращения ωr0 и интегральный метод оценки уровня обменных колебаний [7].

Приведем результат работы программы RESTRICTION (рис. 6) для исходных условий Dn1 =

= 0,002, Dn2 = 0,01, Kω1 = 50, Kω2 = 50, ωr01 = 1, ωr02 = 1,

которые уже использовались при исследованиях. Результаты испытаний продемонстрировали положительные результаты – обменные колебания мощности отсутствуют или крайне малы, все остальные параметры находятся в допустимых пределах, т.е. УОКМ успешно справляется с поставленной задачей при наличии люфтов в контурах управления частотой вращения дизельгенераторных агрегатов. Результаты работы программы

RESTRICTION подтвердили эффективность и работоспособность разработанных методов и средств по устранению обменных колебаний мощности в судовых электротехнических комплексах.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Подводя итог, можно сказать, что в работе приведено новое решение актуальной задачи повышения техникоэкономической эффективности параллельной работы синхронных генераторов судового электротехнического комплекса, которое показывает целесообразность и эффективность совершенствования их системы управления для уменьшенияамплитудыобменныхколебаниймощности.

Основными результатами исследования являются:

1.Осциллограммы для основных режимов работы электротехнического комплекса действующего морского судна-парома «Ейск», подтверждающие наличие обменных и синфазных колебаний мощности.

2.Предложенный метод снижения амплитуды обменных колебаний мощности путем изменения настроек автоматических регуляторов частот вращения дизелей.

3.Разработанный и проверенный на математической модели критерий для определения уровня обменных колебаний при параллельной работе генераторных агрегатов на основе интегрального метода площадей.

Библиографический список

1.Баранов А.П. Судовые автоматизированные электроэнергетические системы. М.: Транспорт, 1988. 328 с.

2.Болотин Б.И., Вайнер В.Л. Инженерные методы расчетов устойчивости судовых автоматизированных систем. – Л.: Судостро-

ение, 1974. 332 с.

3.Конкс Г.А. Лашко В.А. Мировое судовое дизелестроение. Концепции конструирования, анализ международного опыта. М.: Машиностроение, 2005 г. 512 c.

4.Савенко О.Є. Теоретичне та експериментальне дослідження роботи багатогенераторної суднової електроенергетичної системи // Вістник Вінницькогополітехнічногоінституту. 2011. №3. С. 58–62.

5.Сипайлов Г.А., Лоос А.В. Математическое моделирование электрических машин. М.: Высшая школа, 1980. 176 с.

6.Савенко А.Е. Математическая модель судового электротехнического комплекса// ВестникИГЭУ. 2015. №5. С. 54–59.

7.Савенко А.Е. Ограничение амплитуды обменных колебаний мощности в судовом электротехническом комплексе // Вестник ИГЭУ. 2015. № 2. С. 52–57.

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 484 -

УДК 621.313.2: 621.317.2

Анализ неисправностей двигателей постоянного тока в горно-обогатительном производстве ОАО «ММК» и проблемы диагностирования

А.С. Сарваров, М.Ю. Петушков, А.Б. Коробейников

Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Магнитогорск, Россия

Fault analysis of DC motors in the mining and processing production of JSC “MMK” and diagnose problems

A.S. Sarvarov, M.Yu. Petukhov, A.B. Korobeynikov

Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosov,

Magnitogorsk, Russian Federation

Проведен анализ неисправностей парка электродвигателей постоянного тока, применяемых в электроприводах механизмов экскаваторов ЭКГ-5, масштабно используемых в горно-обогатительном производстве ОАО «ММК». Установлены количественные соотношения по видам неисправностей и типам электроприводов экскаваторных механизмов, а также проведен анализ парка двигателей и генераторов по возрасту. Определена доля электрических машин, находящихся в группе риска, для которых обоснована актуальность использования специализированных систем диагностирования ДПТ, позволяющих осуществить мониторинг неисправностей на ранних стадиях развития. Проведен анализ основных методов диагностирования, и обоснована необходимость создания системы регистрации искровых разрядов под щетками с использованием встроенной антенны под кожух щеточно-коллекторного узла. Показана примерная конструкция системы регистрации искровых разрядов, и сформулированы требования к подобным системам для идентификации неисправностей и развивающихся дефектов с учетом тяжелых условий эксплуатации двигателей постоянного тока в экскаваторах.

This article devotes fault analysis of DC motors parks used in electric mechanisms of excavator EKG-5 scale used in mining and processing production of OJSC “MMK”. There were identified the quantitative ratio by type of fault and the type of electric excavating mechanisms, and an analysis of park motors and generators by the age. In this article the share of electric motors that are in the group of at risk was determined. This motors are must be diagnosis by specialized diagnostic systems which allow monitoring of faults in the early stages of development. There were considered the types of the main

methods of diagnosis and offered to create a system of registration of sparks under the brushes using the built-in antenna. There was showed model of registration system of spark discharges. There were formulated the requirements for such systems to identify faults and defects at the early stages of development. in view of heavy-duty mode of operation of excavators DC motors.

Ключевые слова: экскаватор, электропривод, неисправности, двигатели постоянного тока, диагностирование, искровые разряды, щеточно-коллекторный узел, системы регистрации.

Keywords: excavator, power, fault, DC motors, diagnostics, sparks brush-collector unit, the registration system.

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях в промышленности сложилась устойчивая тенденция вытеснения двигателей постоянного тока (ДПТ) асинхронными короткозамкнутыми двигателями. Этот процесс явно заметен при вводе в эксплуатацию новых технологических агрегатов, которые проектировались с нуля. В то же время ДПТ продолжают выпускаться и активно эксплуатироваться, особенно в металлургической промышленности. Примером могут служить прокатные цеха ЛПЦ-5, ЛПЦ-10 ОАО «ММК», где применяются двигатели постоянного тока индивидуального исполнения (рис. 1, а) и резервный парк двигателей всегда поддерживается в готовности. В горно-обогатительном производстве (ГОП) металлургического комбината находится много-

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 485 -

а

б

Рис. 1. Внешний вид: а – прокатного двигателя индивидуального исполнения; б – экскаватора ЭКГ-5А

численный парк экскаваторов ЭКГ-5А с ковшом вместимостью 5 м3, основные механизмы которого имеют электропривод постоянного тока (табл. 1). Внешний вид карьерного экскаватора показан на рис. 1, б.

В составе экскаватора, как видно из табл. 1, находится в эксплуатации 6 электродвигателей постоянного тока. Кроме того, в составе парка машин постоянного тока необходимо учесть генераторы электромашинных агрегатов. Тяжелые условия эксплуатации экскаваторных электродвигателей требуют постоянного ухода и обслуживания. Для обеспечения надежной работы ДПТ необходимо осуществление непрерывного контроля во время работы и квалифицированного обслуживания при одновременном выявлении неисправностей. В условиях ограниченной доступности к электродвигателям механизмов экскаватора наибольшую актуальность приобретает использование специализированных систем диагностирования ДПТ, позволяющих осуществить мониторинг неисправностей различных стадий развития, и особенно важными являются обнаружение зарождающихся дефектов, прогнозирование оптимальных сроков проведения технического обслуживания по критерию минимума затрат ресурсов на проведение обслуживания и ремонта при одновременном сокращении длительности простоев.

 

Таблица 1

Двигатели и генераторы экскаватора ЭКГ-5А

 

 

Механизмэкскаватора

Типдвигателя

Эл. двигательмеханизмаповорота

ДПВ-52У2; 60 кВт

Эл. двигательмеханизмахода

ДПЭ-52У1; 54 кВт

Эл. двигательнапора

ДПЭ-54У1 (2); 54 кВт

Эл. двигательподъема

ДЭ-816 У2; 200кВт

Эл. двигательоткрыванияковша

ДПЭ-12 У2; 3,6 кВт

Эл. двигательсетевой

АЭ4-400L-4УЗ; 250 кВт,

6000 В, 1500 об/мин

 

Генераторвозбуждения

2 МП542-1/2 М-У;

15 кВт/ 4 ГПЭМ-15

 

Генераторповорота

2ГПЭ-13-14/2-У;

32 кВТ/ 4 ГПЭМ-135

 

Генераторнапора

2ПЭМ-400М-У2;

50 кВт/ 4ГПЭМ-55

 

Генераторподъема

2ПЭМ-2000М-У2;

200 кВт/ 4ГПЭМ-220

 

I. АНАЛИЗ НЕИСПРАВНОСТЕЙ И ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ПАРКА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Электродвигатели постоянного тока как объект диагностирования включают в себя электроизоляционные конструкции с обмотками возбуждения и якоря, магнитопроводы неподвижной части с полюсами возбуждения и вращающего якоря, щеточно-коллекторное устройство и механическую часть (подшипниковый узел). В связи с этим ДПТ имеют различные причины отказов, среди которых наиболее часто приводят к выходу из строя следующие:

1)пробой изоляции и межвитковые замыкания обмоток якоря;

2)пробой изоляции и межвитковые замыкания обмоток главных и дополнительных полюсов;

3)пробой изоляции компенсационной обмотки;

4)повреждение выводов катушек полюсов;

5)повреждение выводных кабелей, выплавление припоя из петушков коллектора;

6)разрушение якорных бандажей;

7)повреждение якорных подшипников;

8)повреждение пальцев, кронштейнов и щеткодержателей;

9)круговой огонь по коллектору [1].

В горно-обогатительном производстве ОАО «ММК», как и на любом крупном предприятии, ведется постоянный учет отказов электрооборудования и его движения, связанного с ремонтом. На основе изучения эксплуатационной документации в данной статье приведены результаты анализа неисправностей двигателей постоянного тока. Учетные данные были предоставлены за период с января 2007 года по август 2014 года (практически за 7 лет). За этот период учтено 1330 неисправностей ДПТ, из которых более 30 % обусловлены неисправностью якорной обмотки, почти 25 % – разрушением подшипникового узла, 17 % – поломкой вала, 11 % – дефектами в обмотках главных и дополнительных полюсов (рис. 2). Другие виды возникших дефектов хотя и менее значимы, но их диагностирование также входит в общую задачу обеспечения надежной эксплуатации ДПТ.

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 486 -

Рис. 2. Количественное и процентное соотношение неисправностей

Рис. 3. Процентное соотношение неисправных

ДПТ в ГОП ОАО «ММК» (с января 2007 г. по август 2014 г.)

двигателей по типам

Неисправности в якорной обмотке, подшипниковом узле, а также повреждение вала и развитие дефектов

вобмотках полюсов в основном характерны для двигателей механизмов напора, подъема и поворота, режимы эксплуатации которых являются наиболее тяжелыми

всистеме экскаваторных электроприводов. На их долю

двух раз. Исследования показали: аналогичная картина складывается в отношении генераторов, питающих эти двигатели.

Результаты исследований показывают необходимость создания системы диагностирования и мониторинга электродвигателей экскаваторных механизмов.

Таблица 2

Распределение парка электрических машин постоянного тока в ГОП по возрасту

 

Мощность,

 

Свыше

От40 до

 

От30 до

 

От25 до

 

От20 до

От15 до

От10 до

От5 до

 

Менее

Всего,

 

кВТ

 

50 лет, шт.

50 лет, шт.

 

40 лет, шт.

 

30 лет, шт.

 

25 лет, шт.

20 лет, шт.

15 лет, шт.

10 лет, шт.

 

5 лет, шт.

шт.

 

До100

 

13

87

 

91

 

52

 

 

31

80

 

68

48

 

97

567

 

 

Свыше100

 

7

36

 

26

 

28

 

 

9

43

 

34

7

 

33

223

 

 

Общийитог

 

20

123

 

117

 

80

 

 

40

123

102

55

 

130

790

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 3

 

 

 

 

Соотношение количества двигателей и их ремонтов за период обследования с 2007 по 2014 гг.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тип

 

 

 

 

Тип

 

 

Общееколичество

 

Количество

 

Процентноесоотношение

 

 

Мощность, кВт

 

 

 

 

 

количествадвигателей

 

 

электродвигателя

 

 

механизма

 

 

двигателей

 

ремонтов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

кколичествуремонтов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ДПВ-52

 

 

54

 

Механизмнапора

 

 

188

 

 

462

 

 

 

245,7

 

 

 

ДПВ-52

 

 

60

 

Механизмповорота

 

 

165

 

 

356

 

 

 

216

 

 

приходится около 60 % двигателей, вышедших из строя

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

за указанный период (рис. 3).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Косвенно общее состояние парка электродвигателей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

постоянного тока можно оценить по сроку их эксплуа-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тации, т.е. по возрасту. В табл. 2 приведены данные по

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

состоянию на январь 2015 года.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Более наглядной является диаграмма (рис. 4), где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

возрастные группы двигателей показаны в процентах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

для двух групп мощностей: до 100 кВт и от 100 до

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

200 кВт.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Группа двигателей мощностью до 100 кВт является

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

самой многочисленной (71 % от общего количества).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В ней 43 % – это двигатели, находящиеся в эксплуата-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ции более 30 лет, их можно отнести к группе риска, так

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

как они прошли многочисленные ремонты. В первую

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

очередь в эту же группу следует отнести двигатели ме-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ханизмов напора и поворота (табл.

3). За учетный пе-

 

Рис. 4. Процентное соотношение возрастных групп

риод эти двигатели были в ремонте в среднем больше

 

 

 

двигателей постоянного тока

 

 

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 487 -

II. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ, ПРОБЛЕМЫ И ПУТИ РЕШЕНИЯ

Внастоящее время существуют три основных метода диагностирования двигателей: вибрационный [2– 7], по потребляемому току двигателя [8] и тепловизионный [9, 10]. Анализ общих принципов построения систем диагностирования и существующих методов [11, 12] показывает большое многообразие подходов

крешению проблемы повышения эксплуатационной надежности электроприводов постоянного тока. В то же время, учитывая условия эксплуатации двигателей экскаваторных механизмов, следует отметить, что не все известные методы и принципы диагностирования реализуемы.

Вибрационная диагностика, применяемая в сис-

темах мониторинга электроприводов, хорошо зарекомендовала себя в стационарных системах электроприводов с жестким фундаментом. На платформе экскаватора расположен десяток электрических машин мощностью от 54 до 250 кВт, одновременно работают все генераторы, приводимые во вращение сетевым двигателем, и 1–2 механизма, например механизмы подъема и поворота. В этих условиях вибрационный фон является весьма насыщенным, что не позволяет выделить полезный вибросигнал для идентификации той или иной неисправности.

Тепловизионная диагностика также затруднительна,

так как в условиях работы экскаватора доступ к двигателям с помощью переносного тепловизора практически невозможен. Стационарные тепловизоры по стоимости часто превышают стоимость самого электродвигателя, и нет возможности для их встраивания в распределенной системе электроприводов за пределами экскаваторного электромашинного помещения.

Диагностика по току электродвигателя основана на применении современных аппаратно-программных устройств, позволяющих создать систему мониторинга состояния электродвигателя на основе обработки токовых диаграмм и анализа спектров с применением современных математических методов. При этом могут быть выявлены дефекты, возникшие в обмотке якоря и щеточно-коллекторном узле, а также в механической системе электропривода и в системе возбуждения [7]. Токовая диагностика проводится по возникающим под действием дефектов переменных составляющих токов в цепи якоря и возбуждения. В настоящее время применяют полустационарные и стационарные системы токовой диагностики сложных агрегатов с большим количеством вращающихся электрических машин для предаварийной сигнализации. Основными недостатками данного метода являются необходимость учета влияния на электрические параметры двигателя параметров питающей сети, характера нагрузки, воздействия внешних электромагнитных полей, переходных процессов в двигателе, сложность обработки данных.

Вданной статье предложен к рассмотрению метод диагностирования двигателей постоянного тока, основанный на анализе коммутационных процессов щеточ- но-коллекторного устройства. Для реализации этого

метода необходим регистратор искровых разрядов в виде приемника электромагнитных волн, источником которых является возникающее под щетками искрение. Общеизвестно, что в двигателях постоянного тока искрение в ще- точно-коллекторном узле возникает по многим причинам. Срединихвыделяются следующие[1]:

коллектор как контактная поверхность имеет некруглое сечение, изоляция пластин недостаточно глубокая или выступает;

сильная вибрация;

недостаточное давление на щетку, неправильно выбраны щетки, угольные щетки неправильно пришлифованы;

люфт щетки в держателе слишком большой, неравномерное распределение тока, отдельные угольные щетки перегружены;

расстояние между болтами не соответствует норме;

давлениенащеткуслишкомбольшоеилималенькое;

повреждение в обмотке якоря, межвитковые короткие замыкания;

неверная позиция щеточной траверсы;

неправильно установлено коммутирующее поле;

механизм перегружен;

коллектор загрязнен (нагар на поверхности, воздействие агрессивной среды и др.);

нарушено соединение между пластинами коллектора и обмоткой.

Предлагается достаточно простая конструкция системы регистрации искровых разрядов (рис. 5, а). Антенна как первичный приемник электромагнитных волн,

вызванных искрением, конструктивно размещается

взакрытом свободном пространстве под металлическим кожухом щеточно-коллекторного устройства. Конструкция антенны, вопросы крепления экранированного разъема здесь не рассматриваются.

Необходимо отметить, что в современной практике диагностирования электрических машин опыт применения встраиваемых антенн имеется. В качестве примера на рис. 5, б показана система контроля изоляции обмоток высоковольтного двигателя на основе использования встроенных антенн для регистрации частичных разрядов

визоляции. Данная разработка принадлежит компании Dimrus [13]. Высокочастотный импульс частичного разряда, возникающий внутри обмотки двигателя, улавливается антеннами. Исходя из разного времени регистрации этого разряда в антеннах, можно определить место его возникновения. В состав стандартной поставки системы мониторинга марки MDR-3/UHF входят:

измерительный прибор системы мониторинга без защитного шкафа;

три электромагнитные антенны в виде отрезка высоковольтного кабеля необходимой длины;

соединительные (защитные, заземляющие) коробки для подключения электромагнитных антенн;

высокочастотный коаксиальный кабель для подключения электромагнитных антенн к прибору.

Примерно такой же состав оборудования может быть использован в системе диагностирования машины постоянного тока. Если принять в качестве примера

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 488 -

а

б

Рис. 5. Конструкции систем регистрации искровых разрядов

ситуацию, когда искрение является равномерным, т.е. при переключении каждой пластины коллектора под щетками возникает искровой разряд. Частоту искрений можно рассчитать по формуле

fискр = K · С · n / 60,

где K – количество коллекторных пластин; С – количество щеток; n – частота вращения электрической машины, об/мин.

Для двигателя напора экскаватора ДПЭ-52, у которого 139 коллекторных пластин, 8 щеток и номинальная скорость 1200 об/мин, частота искрений составит fискр = 22,24 кГц. Предварительный расчет частоты коммутаций позволяет получить исходные данные для расчета параметровантенногоблокаиегоконструирования.

Основные требования к системам регистрации сигналов искрения в условиях эксплуатации двигателей постоянного тока с целью последующей обработки для идентификации неисправностей и развивающихся дефектов можно сформулировать следующие:

1.Система должна включать в себя многоканальные устройства сбора данных (УСД), устройства цифровой обработки с непрерывным накоплением информации с возможностью перезаписи на переносные модули памяти.

2.Наряду с регистрацией искрения необходимо создать в УСД измерительный канал якорного тока двигателя, синхронизированный с каналами регистрации искрений.

3.Необходимо разработать пакет программ для мониторинга (подсистема обращения к базам данных, отображения результатов анализа, сравнения с порогами, построения трендов), а также для работы с имитационными моделями.

4.Аппаратно-программные средства должны обеспечитьтребуемыевременныеичастотныехарактеристики:

а) временное разрешение при регистрации сигналов – не ниже 10 мкс;

б) частотный диапазон датчиков электромагнитного канала – сотни МГц.

5.Разработка программного обеспечения, реализующего диагностические функции для идентификации неисправностей и развивающихся дефектов.

6. Создание подсистемы принятия диагностических решений в виде:

а) эксперта; б) оператора, использующегоэкспертныеподсистемы;

в) подсистемы искусственного интеллекта на основе нейронных сетей, выполняющей функции эксперта.

Создание и внедрение диагностической системы позволят повысить эксплуатационную надежность электродвигателей постоянного тока за счет обнаружения дефектов на ранней стадии развития, что приведет к снижению количества отказов за счет профилактики и к увеличению межремонтных циклов.

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

На основе анализа неисправностей электродвигателей постоянного тока экскаваторных электроприводов, работающих в условиях ГОП ОАО «ММК», установлено количественное соотношение неисправностей, среди которых более 40 % обусловлены дефектами в обмотках якоря и цепей возбуждения, более 60 % неисправностей приходится на электродвигатели механизмов напора, хода и поворота, работающих в наиболее тяжелых режимах.

Анализ распределения парка двигателей показал, что более 40 % двигателей мощностью до 100 кВт находятся в группе риска со сроком эксплуатации более 30 лет.

Проведен анализ основных методов диагностирования, и обоснована целесообразность создания системы диагностирования и мониторинга электродвигателей экскаваторных механизмов на основе регистрации искровых разрядов с помощью встроенной антенны.

Сформулированы основные требования к системам регистрации сигналов искрения в условиях эксплуатации двигателей постоянного тока с целью последующей обработки для идентификации неисправностей и развивающихся дефектов.

Библиографический список

1.Зеленченко А.П. Устройства диагностики тяговых двигателей электрического подвижного состава. М.: Учеб.-метод. кабинет МПС России, 2002.

Zelenchenko A.P. Diagnostic devices of traction motors of the electric rolling stock. M.: Teaching study Russian Ministry of Railways, 2002.

2.Барков А.В., Баркова Н.А. Интеллектуальные системы мониторинга и диагностики машин по вибрации // Тр. Петерб. энерг.

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 489 -

ин-та повышения квалификации Минтопэнерго Рос. Федерации и Ин-та вибрации США. СПб., 1999. Вып. 9.

Barkov A.V., Barkova N.A. Intelligent monitoring and diagnostics system of machines by means of vibration // Proceedings of the St. Petersburg Energy Institute of Advanced Training of Fuel and Energy of the Russian Federation and the United States Institute of Vibration. St. Petersburg, 1999. Iss. 9.

3.Вибродиагностика и балансировка. Почувствуйте вибрацию! // ДИАМЕХ–2000 / Павлодар. Нефтехим. завод.

Vibration diagnostics and balancing. Feel the vibration! // DIAMEH– 2000 / Pavlodar Oil Chemistry Refinery.

4.Вибрация и вибродиагностика судового электрооборудования / А.А. Александров, А.В. Барков, Н.А. Баркова, В.А. Шафранский. – М.: Судостроение, 1986.

Vibration and vibration diagnostics of the ship's electrical equipment / A.A. Alexandrov, A.V. Barkov, N.A. Barkova, V.A. Shafranskii. M.: Shipbuilding Publisher, 1986.

5.Вибрационная диагностика [Электронный ресурс]. URL: http: //ru.wikipedia.org/wiki/Вибрационная_диагностика (дата обращения: 23.05.2016).

Vibration diagnostics. URL: http: //ru.wikipedia.org/wiki/ Vibration diagnostics (accessed 23 May 2016).

Methods of diagnosing mechanisms be means of electric current consumption / A.V. Barkov, N.A. Barkova, A.A. Borisov, V.V. Fedorischev, D.V. Grishchenko. St. Petersburg, 2012.

8.Вавилов В.П. Инфракрасная термография и тепловой контроль. 2-е изд. 2013.

Vavilov V.P. Infrared thermography and thermal control. 2nd edition. 2013.

9.Горбунов К.В., Попрыкин Ю. С., Соловьёв А.В. О тепловизионном контроле электрооборудования // Энергетик. 2002. № 2. Gorbunov K.V., Poprykin U.S., Soloviev A.V. About the thermal control of electrical equipment // Energetic. 2002. № 2.

10.Сарваров А.С., Коробейников А.Б. Анализ общих принципов построения системы диагностирования двигателей постоянного тока // Электротехнические системы и комплексы: междунар. сб. науч. тр. / под ред. А.С. Сарварова, М.В. Вечеркина. Магнитогорск: Изд-во Магнитогор. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012.

Вып. 20. С. 395–402.

Sarvarov A.S., Korobeynikov A.B. Analysis of the general principles of the development diagnostic system of DC motors // Electrical systems and complexes: International collection of scientific papers / ed. by A.S. Sarvarov, M.V. Vecherkin. Magnitogorsk: Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosov, 2012. Iss. 20. P. 395–402.

6.Барков А.В., Баркова Н.А., Борисов А.А. Вибрационная диагности11. Сарваров А.С., Коробейников А.Б. Актуальные проблемы диа-

ка электрических машин в установившихся режимах работы. СПб. Barkov A.V., Barkova N.A., Borisov A.A. Vibration diagnostics of electrical machines in steady state operation. St. Petersburg.

7.Методика диагностирования механизмов с электроприводом по потребляемому току / А.В. Барков, Н.А. Баркова, А.А. Борисов, В.В. Федорищев, Д.В. Грищенко. СПб., 2012.

гностирования двигателей постоянного тока. Методы их диагностирования // Наука и производство Урала. 2014. Вып. № 10. Sarvarov A.S., Korobeynikov A.B. Actual problems of diagnosis of DC motors. Methods of diagnosis // Urals Science and Industry, 2014. Iss. 10.

12. URL: http: //dimrus.ru/machines.html (дата обращения: 24.03.2016).

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 490 -