Динамика вентиляционных машин с асинхронным электроприводом при несимметрии фазных токов

Романовский, Александр Игоревич

Динамика вентиляционных машин с асинхронным электроприводом при несимметрии фазных токов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Романовский, Александр Игоревич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Иркутск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Динамика вентиляционных машин с асинхронным электроприводом при несимметрии фазных токов»

Автореферат диссертации на тему "Динамика вентиляционных машин с асинхронным электроприводом при несимметрии фазных токов"

005009680

РОМАНОВСКИЙ Александр Игоревич

ДИНАМИКА ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ МАШИН С АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПРИ НЕСИММЕТРИИ ФАЗНЫХ ТОКОВ

Специальность 01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 С ЯНВ 2012

Иркутск - 2012

005009680

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения»

доктор технических наук, профессор Лукьянов Анатолий Валерпанович

доктор технических наук, профессор Кузнецов Николай Константинович

кандидат технических наук, доцент Кашуба Владимир Богдановнч

ФГБОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный университет технологии и управления», г. Улан-Удэ

Защита состоится « 16 » февраля 2012 г. в 14-00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 218.004.02 при ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ИрГУПС) по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15, ауд. А-803.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, д. 15, ИрГУПС. Диссертационный совет по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 218.004.02, ученому секретарю.

Автореферат разослан «13 » января 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ермошенко Ю.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Вентиляционные машины (ВМ) с асинхронным электроприводом применяются во многих отраслях промышленности: энергетике, металлургии, машиностроении, химической промышленности и т. д. В транспортных объектах, в частности в электровозах, вентиляционные машины (мотор-вентиляторы) используют для отвода тепла от электрически нагруженного оборудования силовой цепи. Статистика показывает высокий процент отказов и внеплановых ремонтов вентиляционных машин из-за дефектов асинхронного электропривода В то же время исследования фиксируют и высокий вибрационный фон вспомогательных машин в целом, и ВМ в частности, намного превышающий нормативные значения. Эти два явления тесно взаимосвязаны.

В вентиляционных машинах, имеющих простое устройство, высокий вибрационный фон часто создают электрические дефекты, в частности несимметрия фазного тока Электрические дефекты генерируют значительные знакопеременные электродинамические, электромагнитные и магнитострикционные силы. В промышленности и на транспорте несимметрия в системе питания трехфазных асинхронных электродвигателей (АЭД) является частым явлением и достигает в электровозах значений 10% и более, что приводит к существенному возрастанию вибрации ВМ. Поэтому должно быть уделено особое внимание влиянию несимметрии фазного тока асинхронного электропривода на динамические характеристики и вибрации ВМ

Несимметричные режимы работы асинхронных двигателей вызваны как внешними (например, несимметрией токов питающей сети), так и внутренними (например, различием сопротивлений отдельных фаз обмотки статора) причинами. Несимметрию фазного тока можно выявить при измерении и анализе вибрации ВМ. Однако единственный известный диагностический признак этого дефекта - наличие в спектре вибрации составляющей с удвоенной частотой сети - имеется и в числе признаков других электрических дефектов, что снижает качество и достоверность вибрационной диагностики. Поэтому изучение динамики и силовых факторов при несимметрии фазного тока должно быть направлено на определение точного перечня вибрационных диагностических признаков данного дефекта с целью его своевременного выявления и устранения.

В прикладном аспекте очень важно решить проблему эффективного контроля вибрации, автоматизированного анализа и вибрационной диагностики развивающихся дефектов вентиляционных машин, находящихся в высоковольтных зонах машинных отделений электровозов. Это повысит эффективность ремонта ВМ и электровозов в целом, а также надежность в эксплуатации.

Целью диссертационной работы является исследование динамики и разработка комплексных методов вибрационной диагностики несимметрии фазных токов в вентиляционных машинах с асинхронным электроприводом для обеспечения эффективности их ремонта и надежности в эксплуатации.

Необходимость достижения указанной в диссертационной работе цели обусловила постановку и решение следующих задач:

1. Проведение комплекса экспериментальных исследований динамики, обобщение и систематизация вибрационных признаков дефектов вентиляционных машин с асинхронным электроприводом в различных режимах работы и на различных стадиях жизненного цикла

2. Разработка экспериментального макета вентиляционных машин с асинхронным электроприводом для моделирования работы и анализа пространственных колебаний при изменении степени несимметрии фазных токов, характеристик нагрузки и жесткости опорной системы.

3. Разработка математической модели, исследование силовых вибрационных полей и оценка их влияния на формы колебаний асинхронных электродвигателей ВМ при иесим-

метрии фазных токов.

4. Численное моделирование пространственной динамики, разработка методики комплексной вибродиагностики вентиляционных машин на наличие несимметрии фазных токоа

5. Разработка технических рекомендаций по созданию комплекса входного вибрационного контроля вентиляционных машин электровозов и опытно-промышленное испытание этого комплекса, разработка алгоритмов автоматизированной диагностики электрических дефектов.

Методы исследований. При решении поставленных в диссертационной работе задач использовались методы теории колебаний, теоретической механики и динамики машин, метод симметричных составляющих, спектрального анализа, метод конечных элементов. При моделировании использовался программный продукт МАТЬАВ 7.5, некоторые вычисления выполнены с помощью системы символьной математики МаШСас! 14.

Научная новизна диссертации:

1. Результаты комплексного исследования параметров пространственного и спектрального распределения вибрации ВМ электровозов в различных режимах работы и на различных стадиях жизненного цикла, показавшие существенный вклад в общий уровень виброактивности составляющих на характерных частотах электрических дефектов.

2. Установлены зависимости пространственного распределения и полного спектрального состава вибрации вентиляционных машин с асинхронным электроприводом от различной степени несимметрии тока в фазах, изменения характеристик нагрузки и жесткости опорной системы с помощью физического моделирования на специально спроектированном стенде.

3. Математическая модель и результаты численного моделирования силовых вибрационных воздействий и динамики вентиляционных машин с асинхронным электроприводом при несимметрии фазных токов, позволившие обосновать и подтвердить результаты экспериментальных исследований.

4. Схемные решения комплекса входного виброконтроля, алгоритм вибродиагносгики несимметрии фазных токов и методика комплексной оценки технического состояния вентиляционных машин по вибрационным и сопутствующим тепловым параметрам при их обслуживании и ремонте.

Практическое значение работы состоит в том, что на основе выполненных исследований существенно расширен перечень диагностических признаков электрического дефекта -несимметрия фазного тока вентиляционных машин с асинхронным электроприводом. Разработаны и предложены математическая модель динамики ВМ при нарушении симметрии тока в фазах, схемные решения комплекса входного виброконтроля, алгоритм вибродиагностики электрических дефектов и методика комплексной оценки технического состояния ВМ по вибрационным и сопутствующим тепловым параметрам. По программе, использующей алгоритмы автоматизированной диагностики дефектов ВМ «Вибродефскт», получено свидетельство о государственной регистрации.

Разработанные методики, алгоритмы, программные модули могут найти широкое применение как в научных исследованиях, так и в производстве.

Реализация результатов подтверждена актами использования результатов работы по договорам с ВСЖД - филиалом ОАО «РЖД»: 1) НИОКР № ДТ/544р/08 от 1.04.2008 г. «Разработка и внедрение комплекса входного виброконтроля и диагностики дефектов мотор-вентиляторов электровозов при их ремонте с учетом фактического состояния» с внедрением результатов в ТЧР-2 ст. Нижнеудинск в ноябре 2008 г.; 2) НИОКР № ДТ/1008р/07 от 10.05.2007 г. «Термо-оптическое устройство и технология термодиагностики дефектов электрооборудования электровозов на ранней стадии перегрева (при техническом обслуживании (ТО) и текущем ремонте (ТР))», внедрение результатов в ТЧр-2 ст. Нижнеудинск в ноябре 2007 г.

Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, основывающаяся на методах теории колебаний, теоретической механики и динамики машин, методе симметричных составляющих, спектральном анализе подтверждена экспериментальной проверкой основных положений, сопоставлением аналитических исследований с результатами, полученными при численном моделировании.

Апробация работы. Основные положения диссертации и ее результаты докладывались и обсуждались на III международной конференции «Проблемы механики современных машин» (г. Улан-Удэ, ВСГТУ, 2006 г.); IV международной конференции «Проблемы механики современных машин» (г. Улан-Удэ, 2009 г.); XVI Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении» (г. Иркутск, ИСЭМ СО РАН, 2010 г.); 3-ей международной научно-технической конференции «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния» (Беларусь, г. Могилев, 2009 г.); Первом Международном симпозиуме «Инновации и обеспечение безопасности современной железной дороги» (Китай, провинция Цианси, г. Наньчан, Северо-Восточный транспортный университет, 2008 г.); Втором Международном симпозиуме «Инновации и обеспечение безопасности современной железной дороги» (Россия, г. Иркутск, Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС), 2010 г.); международной конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития транспортного комплекса России» (г. Новосибирск, СГУПС, 2007 г.); 2-ой международной научно-технической конференции «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов» (Беларусь, г. Могилев, Белорусско-Российский университет, 2006 г.); IV Международной конференции «Математика, ее приложения и математическое образование» (г. Улан-Удэ, Восточно-Сибирский государственный технологический университет, 2011 г.).

Публикации. Результаты исследований изложены в 18 научных работах в виде статей и докладов на конференциях, из них 4 публикации - в журналах, рекомендованных ВАК; получено свидетельство на госрегистрацию программы «Вибродефект».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы из 102 наименований и 5 приложений. Общий объем работы - 219 страниц, из них 184 страницы основного текста, включая 31 таблицу и 165 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертации, дается общая характеристика диссертационной работы.

В первой главе обоснована необходимость экспериментальных исследований, математического моделирования динамических взаимодействий возмущающих сил в асинхронном электроприводе ВМ и вспомогательных машин в целом при несимметрии фазных токов. Проведен анализ технического состояния, определен фактический межремонтный пробег вспомогательных машин электровозов различных серий, который намного меньше нормативного. Чаще всего ремонт связан с дефектами асинхронного электропривода.

Измерения уровня вибрации в электровозах различных серий при работающих вспомогательных машинах показали высокий уровень вибрации в кабинах и машинных отделениях электровозов (рис. 1). Спектральный анализ вибрации показал, что основные причины этих вибраций - дисбаланс и электрические дефекты вспомогательных машин электровозов (рис. 2). Присутствие в спектрах составляющей с большой амплитудой на частоте 100 Гц говорит о наличии признаков электрических дефектов, что требует их

систематизации и уточнения. Выявлена достаточно высокая степень несимметрии фазных токов асинхронных электродвигателей вспомогательных машин и в частности мотор-вентиляторов (10-12%) (рис.3).

1 2 9 4 5 6 7 8

Рис. 1. Расположение вспомогательных машин электровоза ЭП1 и точек измерения вибрации: МВ1 - МВ4 - мотор-вентиляторы; МК-1, МК-2 - мотор-компрессоры Определены такие параметры, как токи, МДС, моменты прямой и обратной последовательности. Показателем несимметрии является отношение токов обратной и прямой последовательности. В известных трудах описания динамических явлений ограничены взаимодействием моментов прямой и обратной последовательности, введено понятие вибрационной составляющей вращающего момента Однако в приведенных исследованиях основной акцент сделан на изучении и оптимизации электрических параметров АЭД, не учтены дополнительные составляющие вибрационных моментов, что требует их дополнительного изучения, исследования влияния на виброактивность ВМ. В заключительной части главы сформулированы цели и задачи исследований.

4Т

1.-1 г 5 1.6 гочкн ча члшроночс u j —| ijи

„ - „ 1562-2 1S62-1116S4-J 1665-JI1734-2

Рис.2. Распределение спектральных составляющих вМ, е№., вШ.2 оЫ,

вибрации на электровозе: 12,1 Гц - дисбаланс МК; Рис 3 распределение несимметрии тока по

24,4 Гц - дисбаланс MB; 100, 200, 300 Гц - часто- вспомогательным машинам электровозов ты электрических дефектов BJ180p

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям динамики вентиляционных машин при несимметрии фазных токов с различными характеристиками нагрузки на валу электродвигателя и жесткости опорной системы.

Проведена систематизация вибрационных признаков электрических дефектов асинхронных электродвигателей. Выявлен единственный известный признак несимметрии - наличие в спектре вибрации составляющей с двойной частотой сети - 100 Гц. Но данная составляющая входит в число признаков других электрических дефектов, что снижает достоверность вибродиагностики несимметрии. Поэтому необходимы более детальные исследова-

ния влияния несимметрии фазных токов на уровень, направление и спектральный состав вибрации ВМ.

Объектами исследований динамических характеристик при несимметрии фазного тока выбраны вентиляционные машины с асинхронным электроприводом. В электровозах они называются мотор-вентиляторами. Это обусловлено тем, что данные машины просты по конструкции, не содержат передаточных механизмов. И уровень, и спектральный состав их вибрации в основном определяется динамическими явлениями в электромагнитной системе асинхронного электропривода.

Исследования виброактивности мотор-вентиляторов показали высокие уровни вибрации, значительно превышающие предельно допустимые значения на всех стадиях жизненного цикла (рис. 4). Например, среднеквадратичное значение (СКЗ) виброскорости на подшипниковых опорах мотор-вентиляторов электровозов серии ЭП1, 2ЭС5К «Ермак» при их работе во время стоянки электровозов почти двукратно превышает предельно допустимые уровни для электрических машин данной мощности. Та же картина сохраняется и при движении электровоза на разных скоростях и режимах, следовательно, вибрация ВМ электровозов в основном определяется внутренними причинами, а не внешними путевыми колебаниями.

Основной вклад в высокий уровень вибрации вносят составляющие на частоте 100 Гц (электрические дефекты) и на оборотной частоте МБ (дисбаланс) (рис.5). Заметный вклад вносят также вибрации на гармониках оборотной частоты (расцентровка, ослабления) и на высокочастотных составляющих (дефекты подшипников). Вклад гармоник 200 Гц и 300 Гц двойной частоты сети 100 Гц в общий уровень вибрации больше у вертикальных составляющих вибрации, чем у горизонтальной вибрации, общий уровень вибрации (СКЗ виброскорости)

амплитуда на частоте 100 Гц (электрнч дефекты) сумма амплитуд на частотах 200 Гц н 300 Гц (электрич. дефекты)

амплитуда на оборотной частоте Ъ Ш. 11 (дисбаланс) сумма амплитуд гармоник 2й иЗП. (расцентровка) сумма ампгапуд гармоник с 411 по 10П (ослабление) сумм:] амплитуд на оборотной частоте МК нее гармониках

сумма амшпггуд гармоник с 1011 до 5 кГц

(высокочаст, составляющие) 0 1 1 3 4 * 6 ~ 8 9

виброскорость мы с в вертикальное направление Р горизонтальное направление

Рис.5. Распределение составляющих вибрации МВ на электровозах серии ЭП1 при одновременной работе мотор-вентиляторов и мотор-компрессора (средние значения)

На рис.6 приведен характерный спектр вибрации, полученной в вертикальном направлении на МВ электровоза ЭП1 №163, с большим вкладом в результирующую вибрацию электрического дефекта характерной частоты 100 Гц и ее гармоник на частотах 200 Гц и 300 Гц.

СКЗ ишроскорооги новых •лскгродрнппелегй

СКЗ ииброскорое ги МВ гш электровоз

СО »короск^ро^г » МВ нот лагоших на решит

СКЗ в«броскор1н:ти МВ

«осле ремон т

2.1

7.01

0 1 2 3 4 5 с'< ? Я 9 СКЗ ни от кжороеш. мм. с Рис.4. Распределение СКЗ виброскорости мотор-вентиляторов на различных стадиях жизненного

Рис.9. Внешний вид экспериментальной вентиляционной машины (2) с блоком регулирования фазных токов (1)

На рис.7 показан спектр виброскорости МВ при движении электровоза ВЛ80р со скоростью 65 км/час. Спектр характеризуется наличием высоких пиков на частотах действия электромагнитных сил - 100 Гц и 200 Гц, на оборотной частоте вращения ротора МВ -24,6 Гц; на 2-й гармонике частоты компрессора - 15,62 Гц; остальные пики меньшей амплитуды связаны с путевой вибрацией и резонансами, вызванными движением электровоза.

частота, Гц

Рис.6. Спектр виброскорости МВ-4 электровоза ЭП1 №163, вертикальное направление, радиаль- «»>™«ли

ный подшипник Рис. 7. Спектр виброскорости МВ-2 элек-

тровоза ВЛ80р №1656, скорость 65 км/ч, режим рекуперации, СКЗ виброскорости 4,31 мм/с

В связи с невозможностью проводить исследования при изменении степени несимметрии фазных токов ВМ на электровозах, разработана экспериментальная установка (рис. 8), позволяющая проводить аналогичные динамические исследования на макете ВМ с асинхронным электроприводом. На установке моделировалось также изменение жесткости упругих элементов подвески и момента нагрузки в виде соосного подключения электродвигателя постоянного тока, работающего в генераторном режиме.

На рис.9 приведен экспериментальный макет вентиляционной машины с асинхронным электроприводом, в котором есть возможность регулирования фазных токов.

Рис.8. Экспериментальная установка: 1-асинхронный электродвигатель АИР90Ь4УЗ; 2 - блок регулирования тока в фазах; 3 - двигатель постоянного тока; 4 - резистор;

5 - мультиметр; 6 - источник питания

Для измерения пространственной вибрации электродвигателя и вентиляционной машины по 6 каналам использовалась многоканальная виброизмерительная и регистрирующая аппаратура 8ТО-2160.

Результаты экспериментальных исследований на асинхронном электродвигателе пока-

зали, что с увеличением несимметрии уровень колебаний увеличивается по всем направлениям, причем неравномерно. Максимальные вибрации наблюдаются в тангенциальном и горизонтальном направлениях (рис. 10). Так, например, при 10 -12% несимметрии, характерной для электровозов, тангенциальные вибрации увеличиваются на 30%, а горизонтальные - на 60%.

Спектральный состав вибрации - это составляющие на частотах 100 Гц (максимальный уровень), 200 Гц и 300 Гц. Спектральный анализ показал, что при значительной несимметрии вокруг спектральных составляющих 100, 200, 300 Гц появляются боковые (комбинационные) частоты с интервалом оборотной частоты (т.е. колебания на приведенных выше электрических частотах модулируются оборотной частотой электродвигателя) (рис. 11).

Этот впервые выявленный набор вибрационных параметров позволил существенно расширить число диагностических признаков степени развития несимметрии фазного тока асинхронного электропривода ВМ.

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 несиммегрия фазных токов. Va —♦—1.1, горизонт напр. •—Т-2, осевое напр. —*— г.3, вершк капр г.4, тангенц. напр. *3. горизонт, напр. т.б, вертик. напр

Рис.10. График изменения СКЗ виброскорости в шести измеряемых точках от степени несимметрии фазных токов двигателя. Направления измерений: т.1, т. 5 - горизонтальное; т.2-осевое; т.З, т.б - вертикальное; т.4 - тангенциальное

Исследования проводились как при жестком креплении, так и при опирании МВ на упругие резинокордные элементы изменяемой жесткости. Последний вариант более предпочтительней для исследований, т.к. исключает влияние неопределенной жесткости основания на распределение возмущений, вызванных несимметрией фазных токов. Построенный трехмерный график (рис.12) иллюстрирует изменение общего СКЗ виброскорости ВМ при изменении несимметрии и жесткости подвески.

В третьей главе рассмотрены силовые и динамические характеристики асинхронного электропривода вентиляционных машин при

Рис. 11. Спектр виброскорости в вертикальном направлении при обрыве фазы (100% несимметрии фазного тока)

СКЗ виброскорости

12 WMÍC 10

усилии «естк^Р®3^ 40 затяжки, кг о степень несиммвтрии

[■0-2 «2-4 и4-е иб-8 Ив-10 ■ 10-121 Рис, 12. Изменение СКЗ виброскорости в тангенциальном направлении при изменении несимметрии и жесткости упругих элементов

несимметрии питающего фазного тока. Проведено численное моделирование механических колебаний электропривода выявлены зависимости уровня вибраций в различных направлениях от степени несимметрии фазного тока в обмотках статора.

Проведены теоретические исследования пространственно-временного распределения тангенциальных и радиальных сил (рис.13), возникающих от электромагнитного взаимодей-

ствия в кольцевом зазоре между статором и ротором. Определены точные значения распределения тангенциальных сил (1), учитывающие комбинированное взаимодействие тока прямой и обратной последовательности с магнитной индукцией прямой и обратной последовательности.

% несимметрш тока

Рис. 13. Сечение кольцевого зазора между Рис.14. График изменения вращающего момента ротором и статором АИР90Ь4УЗ от несимметрии тока одной фазы

рт=0,5[А,В1со5(2р^-2а11-(ра1-<рЬ\) + АхВхсо5(<рЬ[ -<ра{) + + А1В2со5(2р£)-ч>аХ ~(рЬ2)+ АхВ2со5(2ах1 + (ра{-<рь2) + + А2В]со$(2р9-<ра2 - <Рь\)+ А2В\ сов(2а)\1 - фа2 + (рьх) + + А2В2соз(1р9 + 2сох1-(ра2 - срЬ2)+ А2В2 со$((рЬ2-сра2) где А];А2; В];В2 - линейная токовая нагрузка статора и индукция результирующего магнитного поля в воздушном зазоре прямого и обратного следования фаз; р - число пар полюсов, ю! = ; /с- частота сети (50 Гц); - частота сети; (ра1;<ра2 • фазы тока статора прямой и обратной последовательности; <Ры,(Рь2' фазы индукции магнитного поля в зазоре прямого и обратного следования фаз.

Интегрирование выражений (1) в пределах $ = 0 + 2к дает уточненные значения вращающего момента (2), включающего постоянную и переменную составляющую (рис. 14). Частота переменной составляющей момента - 100 Гц. Постоянная составляющая при увеличении несимметрии убывает, а амплитуда переменной составляющей момента увеличивается, генерируя вибрационные возмущения, снижающие КПД ВМ. Например, при несимметрии 10% СКЗ переменной составляющей вращающего момента по отношению к постоянной составляющей увеличивается до 8% , что свидетельствует о пропорциональном возрастании потерь и уменьшении КПД двигателя. 2л-

Кр = К2' ¡РтМ = лЯ^МВ^офы - сра,)л-А2В2со*((рЬ2 - (Ра2) + Д^со^г + <ра1 - %2) +

о (2>

+ А2В1С08(20]1 - сра2 + %))]

Величина переменной составляющей вращающего момента, полученная по приближенным формулам, приведенным в трудах указанных выше авторов, дает в 1,4 раза меньшие значения, чем момент, вычисленный по точным формулам (1,2) для электродвигателя экспериментальной установки.

На рис.15 приведено пространственно-временное распределение тангенциальных сил (1), действующих в кольцевом зазоре АЭД при симметричном режиме питания. Равномерное движение электромагнитных тангенциальных сил по окружности зазора при увеличении несимметрии превращается в существенно неравномерное (импульсное) движение при значительной несимметрии (рис, 16).

Рис. 15. Трехмерный график тангенциальных Рис. 1 б. Трехмерный график тангенциальных сил в функции времени I и угловой координа- сил в функции времени I и угловой координаты ты 9 при симметрии тока в фазах: Э при 100% несимметрии тока в фазах (оба) 3-х мерный график, б) вид сверху рыв фазы): а) 3-х мерный график, б) вид сверху

Амплитудная характеристика (рис.17) показывает, что размах колебаний тангенциальных сил, постоянный за период при симметричном режиме, превращается в изменяющийся от 0 до максимального значения в середине периода, т.е. появляется модуляция амплитуды тангенциальных сил (рис.17). При этом движение максимумов и минимумов тангенциальных сил с постоянной скоростью при симметричном режиме заменяется зоной застоя на каком-то угле и резким движением на межполюсное деление в конце и начале периода (рис.18), т.е. движение поля тангенциальных сил становится существенно неравномерным, и сами эти силы изменяют свои амплитудные значения от 0 до максимума за тот же период.

•Ргшах, Ю0%

л? ¿гот, 0%

Ргт„, 50М, / \ Ч

У/ \\ \ V

~ У/

|Д5 0.Й05 уег^г а")

Рттш, 100« A-r.il г,. 0%

тшт,0%

^ГГШЧ, 50%

гюах, ЭЩз Л-тах, 100%

Рис.18. График изменения во времени фазы Рис.17. Изменение максимального Рттш и мини- # максимального и минимального значений мального 1\тт значений тангенциальных сил за РТ по кольцевому зазору при несимметрии период Т при несимметрии тока 0%, 50%, 100% тока в 0%, 50%, 100%

Разработанная в среде МАТЬАВ программа вычисления тангенциальных (3) и радиальных сил и ее составляющих, проинтегрированных в пределах полюсного деления, а также спектрального анализа с использованием функции быстрого преобразования Фурье, позволила определить реальный спектральный состав периодических результирующих (т.е приведенных сосредоточенных) тангенциальных и радиальных сил, флуктуирующих с основной частотой 100 Гц. При 4-х полюсах макета полюсное деление составляет угол = яг/2.

Интегрирование тангенциальной силы (1) по углу Э в пределах периода переменной

составляющей "Г (30 = 0; 3) - ж /2 ) по выражению (3) дает одну сосредоточенную на этом участке постоянную тангенциальную силу, создающую четвертую часть вращающего момента.

¡рт(9)<19 = ^-(91 -Эй)-соз(Пх-<ра1) +

•Я

а в

+ 9, - 90 )] ■ соб[<рл + <рЬ2 -р(91 + 90 )] +

¿■Р

+ , -90)]-соз[<ра2+<рн-р(9]+90)] + ^^-(9] -9й)-со8(<рЬ2-<ра2) + (3)

2 р 2

Л В

+ -~-5т[р(91 -9о)]-соз[2011 + /ра1 +рЬ1 - р(91 +90)] +

2 р

а в а в

+ -у2"^ - >■ <™(2щ1 + <?а]-<рЬ2) + -у1^ -»о)' соз(2ш{1 - <ра2 +<рЬ1) +

а в

+ р(9\ -90)]■ ли/"2ггу - (¡>аг - <рь2 + р(9, + 90 )]

2 р

Интегрирование тангенциальной силы по частям в пределах половины периода Т/2, т.е. в пределах половины полюсного деления 30 =0; 3/ = л/4 в общем интервале 8 = 0 + ж/2, дает возможность перейти от распределенной по кольцевому зазору системы тангенциальных сил РТ к двум эквивалентным сосредоточенным силам: Рг£тах и Рггт\п (рис.19), приложенным на межполюсном делении с угловым интервалом л/4 и вращающимся вместе с электромагнитным полем статора со сдвигом по времени на половину периода Т/2. На рис.19 приведено также результирующее значение Р^ двух интегральных сил для 100% несимметрии тока Результирующая интегральная сила Р&1 будет создавать переменную составляющую вращающего момента:

0 ж-V

Спектр этой силовой функции приведен на рис.20. Соотношение спектральных составляющих на частотах кратных 100 Гц (рис.20) можно выразить полиномиальной зависимостью:

Ап.т=Аш(-9,3-10~7 х3 +8,б-10~4х2-0,2б-х + 26,9), п = 2,3,4 ,

где Ап[00-амплитуда колебаний тангенциальной силы на гармониках п -100 Гц;

А100 - амплитуда колебаний тангенциальной силы на гармонике 100 Гц; х - частота, Гц.

Аналогично анализировалось пространственно-временное распределение радиальных сил в зазоре статора и ротора В общем виде распределенные радиальные силы имеют вид:

р, =-/—[(В} +В2г) + В? со*2(р9-1»11-<рЬ1) + в1со52(рЗ + (1>11-<рьг)] + ■>Мо

1 №

+ ---[В,В2 С(к(2р9-фЬ\ -<Ры)+ В]В2 со$(2т^ + фьх + <рЬ2)]

¿Ро

Пространственно-временное распределение радиальных сил (4) определило наличие стационарных минимумов и максимумов этих сил на межполюсном делении как по углу кольцевого зазора 9, так и за период Т. Увеличение несимметрии несколько уменьшает амплитуду максимумов и минимумов радиальных сил за период Т. Фазовая характеристика показывает, что радиальные силы почти не изменяют положения максимумов и минимумов по углу 19 в кольцевом зазоре.

"г :о

5.8

14 12 10

8 6 4

..........✓--т-Ч,..............I...........

// :

.// . Г":/..

У?.....

ли.

'л

О,

(МИР?

•А К-

«5

2« 3

% -I

1...............

* 1- у-Кг,-

С...±г. 1 . . . >

100

200

зео

?0° плсича, Гц

Рис.19. Результирующее значение Рт^ для Рис.20. Спектр результирующей силовой функ-100% несимметрии тока ции Ргу^

При интегрировании распределенной силы (4) по всему кольцевому зазору получаем приведенную радиальную силу электромагнитного притяжения ротора к статору (5), которая при увеличении несимметрии флуктуирует с увеличивающейся амплитудой вокруг некоторой постоянной составляющей, и плавно уменьшающейся. Это приводит к некоторой деформации статора и изменению кольцевого зазора по углу 9.

Ргцчлх) = +4)+ЩВ2со$(2щ1+ч>Ь] -<рЬ2][ (5)

о 1Ро

Проинтегрируем выражение (4) в пределах 90 + :

\рг(9)с19 = Щ-(91-9о)(В,2 + В!) + р(9, -9й)-+ <рЬ1 - р(9] +Э0)] +

к 2 Р

2 р 2 р х^[2ео11-21рЬ2+р(9] + 90)] + а0В1В2со*(2е>11 + рЬ1 ~90).

(6)

Полученные интегральные характеристики радиальных сил на межполюсном делении и их спектр показали наличие тех же частотных составляющих 100,200, 300 Гц и боковых комбинационных частот.

Конечноэлементное моделирование (с использованием программы АШУБ) деформаций ярма статора (рис.23, 24) в незакрепленном состоянии при найденных интегральных значениях тангенциальных и радиальных сил позволило по- Рис.23. Расчетная схема приложения радиальных лучить распределение результирующих сил РТ£тах и РТ^т,„ по внутренней поверхио-деформаций ярма статора для форм Сти статора (форма колебаний г = 4)

колебаний г =4, /=100 Гц; г = 8, /=200 Гц и г = 12, /=300 Гц.

По результатам моделирования можно заключить, что радиальные силы приводят к деформации наружной поверхности статора включительно до формы колебаний г = 8.

Датчики, установленные на наружной поверхности статора, на корпусе электродвигателя, фиксируют радиальные колебания статора вплоть до частот 200 - 300 Гц. Деформации от действия тангенциальных сил передаются на наружную поверхность статора только в форме колебаний г = 4. Колебания тангенциальных сил передаются на электродвигатель

в основном в виде реакции на крутильные колебания ротора, создаваемые переменной составляющей вращающего момента.

Проведены аналитические исследования динамических характеристик двумерной модели подвески электродвигателя при воздействии переменного вращающего момента, вызванного несимметрией фазного тока.

На рис. 25 представлены расчетная схема и общий вид объекта моделирования. Все характеристики расчетной схемы соответствовали характеристикам реального электродвигателя марки АИР! ,4УЗ. Предположим, что на каждый упруго- Рис.24. Деформация ярма статора от действия диссипативный элемент (УЭ) наложены радиальных сил, формы колебаний г=4; 100 Гц связи, ограничивающие их перемещение только в продольном(вертикальном) и угловом направлениях. Тогда положение объекта защиты (03) будет полностью определено координатами г1 и г , которые можно принять за обобщенные. Другой парой обобщенных координат будут гд и а. Здесь - смещение центра тяжести О' по вертикали; а - угол наклона оси О'г' к оси Одгд .Система координат Одхдгд связана с основанием, причем т. Од совпадает с т. О' в положении равновесия 03; система координат О'х'г' связана с твердым телом (т. О' находится в геометрическом центре опорной поверхности 03).

у//лшт//тмш/ш//ши))шш шШШШШШШШШвт Рис.25. Расчетная схема двухмерной модели и объект моделирования Используя уравнения статики, найдем силовые возмущения по каждой из координат: Ф\=\\1\(1У. Ф2=>122/2({). (7)

Здесь Нп=ФгЦ^уФх0р Ь22 = Ф10[и<±уФх0<±.

Используя уравнения Лагранжа II рода получим уравнения движения твердого тела, которые в операторной форме будут иметь вид:

(а121 +аъг2)р2 +(с, +Ъ]р)гх = йцЛ(0; («3*1 +«2*2)р2 +(«2 +¿>2Р)г2 = ¿22/2(0 (8) Преобразуем их к виду:

¿11*1 + аТ222 = АЦ/ЛО.' ¿21*1 + ¿22*2 =й22/г(0. (9)

где с1 ¡¡, с/12, ¿21. ¿22" операторные многочлены:

с/п=а1Р л-Ьхр+с^ ¿п=с1гх = аър Структурная схема рассматриваемой системы (10) представлена на рис.26. С учетом введенных обозначений выразим систему уравнений (9) в матричной форме:

I.. и., т. /,.. г.

(П)

Запишем передаточную функцию УЭ как: ¥уэ. (р) = С/ + Ь/р, где - с, жесткость / -го УЭ,;

¿11 ¿12

¿21 ¿22 z2 h22Í2

C¡22 = а2Р +¿2P + c2-

Рис .26. Структурная схема двухмерной модели

d2i

1 4

<¡22

Ь/ - коэффициент демпфирования

Двухмерная виброзащитная система характеризуется четырьмя передаточными функциями в операторной форме:

¿22/;11 и/ 21_ ¿12^22

Wu(p) = ^ = -

Л d\ld22~d\2d2\

JV2l(p) = ^- =--^U-

Á ¿n¿22 ~¿12¿21

W21(p) = ^ = -

Í2 d\\d22~d\2d2\

; Щ2(Р>-

. z2

d\\h

(12)

1 \n22

/2 ¿11¿22 ~¿12¿21 ' Выражения (12) позволяют определить частотные характеристики многомерной механической системы. Найдем комплексные коэффициенты усиления по каждому из двух выходных каналов от суммарного воздействия по двум входным каналам. Матрица комплексных коэффициентов усиления будет иметь вид:

~Wn(ja>) Wn(ja) JV21(jco) W22(jco)_' Представим каждый из элементов матрицы (10) в комплексной форме:

Wik(jm) = U¡k(o>) + jVik(m). Матрицы вещественных U (со) и мнимых У (со) частотных характеристик системы запишутся в виде:

К(ю) =

(13)

U (О):

U11 (со) UX2(co) U 2i (со) U22( со)_

V(m) =

Vn(co) VX2(co) V2X (со) V22(co)_

(14)

Амплитуды колебаний по обобщенным координатам zfl и 0:

Аг> = Н+ V? (со); Аа = №((»)+ УЦсо). (15)

Здесь и(со), иа (со), У,д (со), Уа (со) - вещественные и мнимые части передаточных функций по обобщенным координатам и а (в комплексной форме). Они получены из

уравнений связей координат:

и,/со) = и-1(а))/2; иа(а) = ит(со)/Ьт; У,/о)) = У1_(со)/2; Уа'(со) = УЕ(со)/Ьт.

иъ(со)= ££/,/<»;; Уг(а)= %У,/со).

и=1

Безразмерным параметром, характеризующим качество виброзащиты, является коэффициент передачи по абсолютному ускорению

Амплитудно-частотные характеристики в координатах коэффициентов динамичности ??г = Az0 /Sf"; r/a =Aa/S™, частота возбуждения / = а/2я для различных значений параметра демпфирования v = b/2тсо0, щ =((Oqz + со0а)/2 > полученные по выражениям (16), приведены на рис.27, 28. Здесь 8"п = (mg + 0zg )/(c¡+c2) - статическая деформация под действием силы Фг0 и силы тяжести в направлении оси Z, = 2Фх0р, /c¡Lr - статическая деформация под действием силы Ох0 в направлении угла а.

Собственные частоты модели при вертикальных и угловых колебаниях лежат в области 47,6 Гц и 25,2 Гц. С увеличением демпфирования угловые и особенно вертикальные резонансные колебания снижаются. Амплитудно-частотные характеристики позволяют оценить степень ослабления тангенциальных, горизонтальных и вертикальных колебаний электродвигателя на упругом подвесе на разных характерных частотах для несимметрии фазного тока.

С использованием имеющейся программы моделирования динамики твердого тела «Din ТТ» произведено численное моделирование пространственных свободных и вынужденных колебаний объекта (асинхронного электродвигателя макета), расположенного на упругих элементах при воздействии периодического силового возмущения, определенного ранее и характерного для несимметрии.

к А¡4 18,11

0.03

-0.06

ñ ' Vi / Л -0.09

'Л-100 \

Ът

П/.ш

i >1 К)

Частота. Гц

А л-'w

___'btm _

'U,

-щг

Рис.27. Коэффициент динамичности по Рис.28. Коэффициент динамичности по упи

координате Ъ координате а

Программа позволяет определить осциллограммы и спектры колебаний тела в точках установки датчиков вибрации и в заданной их ориентации, с тем чтобы сравнить результаты моделирования с экспериментальными данными, полученными ранее (глава 2). Дифференциальное уравнение колебаний электродвигателя как твердого тела в матричной форме будет иметь вид:

где: А - диагональная матрица инерции твердого тела А = сИа%{ап,а22,азз,аи,ац,а66}; В- матрица коэффициентов демпфирования Ькг(к,г = 1,2,...,6); С - матрица коэффициентов жесткости подвеса Скг(к,у = 1,2,...,6); С> - вектор комплексных амплитуд обобщенных возмущающих сил; со - частота возбуждения.

Дичга. Jfel

Задавая в программе «Din ТТ» конструктивные параметры экспериментального электродвигателя, его упругой подвески и силовое возмущение в виде вращающего момента вокруг оси X ротора при несимметрии по уравнению (2), определим уровень колебаний электропривода по 6 обобщенным координатам. Так как экспериментальные исследования проводились с использованием 6 датчиков виброускорения, установленных в определенных точках и при заданной ориентации, в программе «Din ТТ» проводился пересчет колебаний по обобщенным координатам в колебания в точках установки датчиков в заданных направлениях.

На рис.29 приведен результат численного моделирования пространственных колебаний в тангенциальном направлении электродвигателя при 100% несимметрии фазного тока (обрыв фазы). Осциллограмма виброскорости электродвигателя в точке установки датчика №4 соответствует пуску и работе в номинальном режиме при обрыве фазы.

Анализ полученных результатов показывает, что максимальные установившиеся колебания электродвигателя в тангенциальном направлении соответствуют экспериментальным данным (рис.30). Программы моделирования позволяют определять характеристики вибраций асинхронного электропривода различных типоразмеров и мощности при типовых случаях несимметрии фазных токов и обрыве фазы. Экспериментальные измерения подтвердили результаты моделирования - максимальная вибрация наблюдается в тангенциальном направлении.

Четвертая глава посвящена разработке методик и рекомендаций по аппаратуре входного виброконтроля при ремонте

B|wíh, с

Рис.29. График изменения виброскорости в тангенциальном направлении на датчике №4 при пуске электродвигателя в номинальном режиме при обрыве фазы

~> 40

700 900 Время, мс

Рис.30. График виброскорости, полученный на экспериментальной установке при несимметрии тока на датчике №4 в тангенциальном направлении

мотор-вентиляторов. Сопутствующим вибрации диагностическим параметром при несимметрии фазного тока является температура статорной обмотки и корпуса асинхронного электродвигателя.

С учетом требований, предъявляемых к виброаппаратуре, предложена модульно-распределенная схема измерения вибрации ВМ, позволяющая формировать любую конфигурацию и число каналов измерительной системы. Основной единицей такой системы является двухканальный виброизмерительный блок (ВИБ) с дистанционным управлением (рис.31). Вибродатчики модуля устанавливаются на 2 опоры МВ (рис. 32) в горизонтальном направлении.

Методы и средства, разработанные лабораторией «Техническая диагностика» в области вибро- и термоконтроля, отвечают современным методам в оценке технического состояния вспомогательных машин электровозов переменного тока

Разработанный многоканальный вибродиагностический комплекс (рис.31) внедрен в производство и используется в ремонтном локомотивном депо (ТЧР-2) ст. Нижнеудинск ВСЖД-филиала ОАО «РЖД».

Вибродиагностический комплекс позволяет выявлять причины повышенной вибрации, связанные не только с дисбалансом или другими механическими повреждениями, но и с дефектами в электромагнитной системе машины. Вклад в общий уровень вибрации от несимметрии в системе питания двигателя доходит до 60 %.

ВИБ: 1 - виброизмерительный блок; 2,3- дат- Рис.32. Измерение вибрации подшипников

чики вибрации; 4 - пульт управления МВ с помощью одного ВИБ

Нарушения симметрии фазных токов электродвигателя приводят не только к генерированию вибрации на соответствующих частотах, но также к интенсивному тепловому износу изоляции в связи с повышенным нагревом статорной обмотки. Нагревание обмотки сверх допустимой температуры сопровождается повышенным тепловым износом изоляции, что снижает ее технические характеристики и приводит к сокращению межремонтного периода. Общепринятая практика показывает, что ресурс изоляции при увеличении температуры на 8-10% снижается в два раза. Теоретические исследования подтверждены многочисленными экспериментами как в лабораторных условиях, так и непосредственно на электровозах в штатном режиме работы. Данная методика термодиагностики мотор-вентиляторов также внедрена и используется в ТЧР-2 ст. Нижнеудинск.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведены экспериментальные исследования и анализ вибраций вентиляционных машин электровозов в различных режимах работы и на различных стадиях жизненного цикла Выявлены значительные колебания электромагнитной природы на удвоенной частоте сети, характерные для несимметрии фазного тока и для большинства других электрических дефектов асинхронного электропривода ВМ, снижающих достоверность вибродиагностики дефектов.

2. На специально созданной экспериментальной установке проведено физическое моделирование и исследование динамики вентиляционных машин с асинхронным электроприводом при изменении характеристик нагрузки и жесткости опорной системы, позволившие впервые определить пространственное распределение и полный спектральный состав вибрации при различной степени несимметрии тока в фазах.

3. Установлено, что при увеличении степени несимметрии тока в фазах вентиляционных машин с асинхронным электроприводом в наибольшей степени увеличиваются вибрации в тангенциальном и радиальном направлениях. При этом в спектре вибрации последовательно появляются составляющие на удвоенной частоте сети, второй, третей ее гармониках и боковых гармониках оборотной частоты ротора, что формирует оригинальный набор диагностических признаков несимметрии фазного тока

4. Разработаны математические модели, проведено численное моделирование про-

странственно-временного распределения тангенциальных и радиальных сил, вибрационных силовых воздействий и многомерной динамики вентиляционных машин с асинхронным электроприводом при несимметрии фазных токов, что позволило обосновать возникающие динамические эффекты и подтвердить результаты экспериментальных исследований.

5. Конечноэлементное моделирование деформации статора при найденных тангенциальных и радиальных силовых воздействиях позволило определить основные формы колебаний и деформации статора электродвигателя при несимметрии фазных токов.

6. Разработана методика комплексной вибродиагностики вентиляционных машин с использованием сопутствующих температурных параметров на выявление несимметрии фазных токов.

7. Предложены технические рекомендации и схемные решения комплекса входного вибрационного контроля вентиляционных машин электровозов перед ремонтом, проведены опытно-промышленные испытания комплекса, разработаны алгоритмы автоматизированной диагностики электрических дефектов, в том числе несимметрии фазных токов, использованных в программе «Вибродефект», по которой получено свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ. Комплекс входного виброконтроля вентиляционных машин и программа «Вибродефект» внедрены в ремонтном локомотивном депо ст. Нижне-удинск ВСЖД - филиале ОАО «РЖД».

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

Публикации ведущих репетируемых научных журналов, входящих в перечень ВАК

1. Романовский А.И. Исследование вибродиагностических признаков несимметрии тока асинхронных электродвигателей // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. ИрГУПС. - Иркутск, 2009. - №4 (24). - С. 185-191.

2. Лукьянов A.B. Комплекс термодиагностики оборудования электровозов / A.B. Лукьянов, В.Ю. Гарифулин, В.Н. Перелыгин, А.И. Романовский // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. ИрГУПС. - Иркутск, 2009. - №4(24). - С. 179-184.

3. Лукьянов A.B. Разработка комплекса входного виброконтроля вспомогательных машин электровозов при текущем ремонте / A.B. Лукьянов, АЛО. Портной, В.Ю. Гарифулин, А.И. Романовский II Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. ИрГУПС. - Иркутск, 2010. - №2 (26). - С. 45 - 50.

4. Лукьянов A.B. Динамика асинхронного привода при несимметрии тока в фазах / A.B. Лукьянов, А.И. Романовский., Д.А. Лукьянов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. ИрГУПС,- Иркутск,2010.-№3 (27).-С. 96-102.

Публикации в российских изданиях, доклады на российских и международных конференциях

5. Лукьянов A.B. Виброактивность вспомогательных машин электровозов ВЛ-80, ВЛ-65 и рекомендации по ее снижению / A.B. Лукьянов, А.И. Романовский. // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. ИрГУПС - Иркутск, 2006.- №4 (12).-С. 51-63.

6. Лукьянов A.B. Исследование вибрации вспомогательных машин электровозов / A.B. Лукьянов, Е.М. Лыткина, А.И. Романовский. // Проблемы механики современных машин: Материалы третьей международной конференции/ ВСГТУ. - Улан-Удэ, 2006 - Т.2. -С. 156-160.

7. Лукьянов A.B. Исследование повышенной вибрации вспомогательных машин электровозов / A.B. Лукьянов, Е.М. Льггкина, А.И. Романовский // Доклад на 2-ой международной научно-технической конференции «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов», Белорусско-Российский университет. - Могилев, 2006-С. 274-277.

8. Лукьянов А.В. Исследование вибрации вспомогательных машин электровозов ВЛ-80, ВЛ-65 и рекомендации по ее уменьшению / А.В. Лукьянов, А.И. Романовский II Вестник Всероссийского научно-исследовательского и проектно-конструкторского института электровозостроения (ВЭЛНИИ). - Новочеркасск, 2007. - № 2(54).- С. 210-219.

9. Лукьянов А.В. Тепловизионная диагностика оборудования локомотивов / А.В. Лукьянов, В.Н. Перелыгин, А.И. Романовский, В.Ю. Гарифулин // Доклад на международной конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития транспортного комплекса России», СГУПС. - Новосибирск, 2007. - С. 122-130.

10. Lukiyanov A.V. Thermal Imaging Diagnostics of Electric Locomotives / A.V. Lukiyanov, V.N. Perelygin, V.Yu. Garifulin, A.I. Romanovskiy // The First International Symposium on Innovation & Sustainability of Modern Railway. -Nanchang, China 2008. - P. 592-596.

11. Романовский AM Исследование вибрационных признаков электрических дефектов вспомогательных машин электровозов // Проблемы механики современных машин: Материалы четвертой международной конференции/ ВСГТУ. - Улан-Удэ, 2009. -Т.4. -С.150-154.

12. Лукьянов А.В. Комплекс дистанционного входного виброконтроля вспомогательных машин электровозов / А.В. Лукьянов, АЛО. Портной, В.Ю. Гарифулин, А.И. Романовский // Материалы 3-ей международной научно-технической конференции «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния», Республика Беларусь, Могилев, 2009. - С. 268-270.

13. Лукьянов А.В. Разработка комплекса входного виброконтроля мотор-вентиляторов электровозов / А.В. Лукьянов, АЛО. Портной, В.Ю. Гарифулин, А.И. Романовский II Проблемы механики современных машин // материалы IV международной конференции / ВСГТУ. - Улан-Удэ, 2009. - ТЛ. - С. 252-256.

14. Lukiyanov A.V. Vibration and Thermal diagnostics for identification of locomotives defects / A.V. Lukiyanov, A. P. Khomenko, V.N. Perelygin, A.I. Romanovskiy II Journal of East China Jiaotong University. - Nanchang, China 2009. - № 26. - P.269-274.

15. Lukiyanov A.V. Vibration-Based and Thermal Imaging Diagnostics of Electric Locomotives [Электронный ресурс] / A.V. Lukiyanov, A. P. Khomenko, V.N. Perelygin, A.I. Romanovskiy II Proceedings of the Third International Congress on Design and Modelling of Mechanical Systems CMSM'2009. - Hammamet, Tunisia 2009.

16. Романовский А.И. Исследование вибрационных признаков несимметричных режимов работы вспомогательных машин электровозов //Труды XVI Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении»/ Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН. Иркутск, 2010. - Т.2. -С.101-108.

17. A.Romanovskiy. Vibrodiagnostic features of asymmetry of line currents system of the primary winding of the asynchronous motor // The Second International Symposium on Innovation & Sustainability of Modern Railway / Proceedings of ISMR'2010, - Irkutsk, Russia, 2010, P.3

18. Лукьянов А.В.Динамика асинхронного привода при несимметрии тока в фазах / А.В. Лукьянов, А.И.Романовский, ДЛ.Лукьянов // Математика ее приложения и математическое образование (МПМО'11): Материалы IV Международной конференции /ВСГТУ. Улан-Удэ, 2011.-Ч.1,- С. 190-194.

Свидетельство РФ о регистрации программы для ЭВМ

1. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. №2011610455. Вибродефект. Версия 1.1.1 / А.В.Лукьянов, В.Ю.Гарифулин, В.Н. Перелыгин, ДА.Лукьянов, А.И.Романовский; правообладатель Иркутский гос. ун-т путей сообщения,- № 2010615510, заявл. 08.09.2010; опубл. 11.01.2011,-9 с.

Подписано в печать: 29.12.2011 г. Формат 60 х 90 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,25 Тираж 120 экз. Заказ № 2н

Отпечатано: Федеральное государственное унитарное геологическое предприятие «Урангеологоразведка». Юридический адрес: 115148, г. Москва, ул. Б. Ордынка, дом 49, стр.З.ИНН 7706042118 Справки и информация: БФ «Сосновгеология» «Глазковская типография». Адрес: 664039, г. Иркутск, ул. Гоголя, 53; тел.: 38-78-40, тел/факс: 598-498

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Романовский, Александр Игоревич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ПРОБЛЕМА ВЫСОКОЙ ВИБРАЦИИ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ МАШИН И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРОВОЗОВ.

1.1. Проблема низкой надежности и высокой вибрации вентиляционных машин электровозов.

1.1.1 Статистика отказов вспомогательных и вентиляционных машин электровозов.

1.1.2 Параметры технического состояния мотор-вентиляторов. Нормы допустимой вибрации.

1.1.3 Анализ уровня и спектрального состава вибрации в электровозах при работе вспомогательных машин.

1.2. Теоретические основы электромеханического преобразования энергии и возникновения вибрационных сил в асинхронном двигателе при нарушении симметрии в его системе питания.

1.2.1 Основные элементы конструкции асинхронного электродвигателя.

1.2.2 Теория электромеханического преобразования энергии в электрических машинах в номинальных режимах работы.

1.2.3 Особенности преобразования энергии в электрических машинах при несимметрии фазных токов в обмотке статора.

1.2.4 Образование магнитодвижущих сил, токов и моментов прямой и обратной последовательности многофазной обмотки электродвигателя.

1.2.5 Влияние несимметрии токов в фазах обмотки статора на магнитные вибрации.

1.3 Вибродиагностика и термодиагностика как эффективные средства безразборного контроля вентиляционных машин.

1.3.1 Актуальность внедрения вибродиагностики в процесс ремонта вспомогательных машин.

1.3.2 Основные методы и средства вибро- и термодиагностики электровозов при техническом обслуживании и ремонте.

1.3.3 Вибродиагностические и тепловые признаки механических дефектов мотор-вентиляторов.

1.4 Цель и задачи исследования.

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ И

СОПУТСТВУЮЩИХ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНИЧЕСКОГО

СОСТОЯНИЯ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ МАШИН ПРИ НЕСИММЕТРИИ

ФАЗНОГО ТОКА.

2.1 Методика и аппаратура экспериментального измерения вибрации.

Вибрационные признаки электрических дефектов.

2.1.1 Методика проведения виброизмерений.

2.1.2 Аппаратура экспериментального измерения вибрации.

2.1.3 Вибрационные и сопутствующие признаки электрических дефектов асинхронных электродвигателей.

2.2. Исследование уровня и спектрального состава вибрации вентиляционных машин на электровозах.

2.2.1. Исследование вибрации вентиляционных машин на участке испытаний.

2.2.2. Исследование вибрации вентиляционных машин на электровозах.

2.3. Экспериментальная установка для проведения динамических исследований асинхронных машин с несимметрией фазного тока.

2.3.1. Описание экспериментальной установки.

2.3.2. Способ формирования и характеристика несимметричных режимов.

2.4. Вибрация асинхронного электродвигателя с несимметрией фазного тока при жестком креплении его к основанию.

2.4.1. Общий уровень и спектральный состав пространственной вибрации электродвигателя.

2.4.2. Спектральный состав пространственной вибрации электродвигателя при изменении тока в фазах и начального дисбаланса.

2.4.3. Спектральный состав вибрации электродвигателя при работе его под нагрузкой и в качестве электропривода вентиляционной машины.

2.5. Исследование вибрации электродвигателя с несимметрией фазных токов на упругой подвеске с изменяемой жесткостью.

2.5.1. Характеристики жесткости упругих элементов.

2.5.2. Массо-инерционные характеристики электродвигателя марки АИР90Ь4УЗ.

2.5.3. Экспериментальные исследования свободных колебаний электродвигателя на упругом подвесе.

2.5.4. Исследования вынужденных колебаний электродвигателя при его пуске в случае моделирования несимметрии тока.

2.5.5. Исследования спектрального состава колебаний электродвигателя при моделировании несимметрии тока.

2.6. Выводы и заключения по главе.

Глава 3. ДИНАМИКА АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ МАШИН ПРИ НЕСИММЕТРИИ ТОКА В ФАЗАХ.

3.1. Математическая модель силовых взаимодействий в асинхронном электроприводе при несимметрии тока в фазах.

3.2. Анализ воздействия тангенциальных электромагнитных сил в зазоре статора и ротора.

3.2.1. Колебания вращающего момента ротора.

3.2.2. Пространственно- временное распределение тангенциальных

3.3 Анализ воздействия радиальных электромагнитных сил в зазоре статора и ротора.

3.3.1. Одновременное воздействие радиальных сил по всей окружности кольцевого зазора (колебания формы г = 0).

3.3.2. Деформация поля радиальных сил и анализ периодических составляющих возмущений при несимметрии фазного тока.

3.4. Динамические свойства двумерной системы упругой подвески электродвигателя.

3.5. Численное моделирование динамики асинхронного электропривода при несимметрии.

3.5.1. Структура программы расчета динамических характеристик твердого тела на упругом подвесе "Din TT".

3.5.2. Исходные данные для численного моделирования пространственной динамики асинхронного электродвигателя при несимметрии фазного тока.

3.5.3. Результаты моделирования свободных и вынужденных колебаний.

3.6 Выводы и заключения по главе.

Глава 4. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ВХОДНОГО ВИБРОКОНТРОЛЯ И

МЕТОДИКИ ИСПЫТАНИЙ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ МАШИН С

АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПРИ ОБСЛУЖИВАНИИ И

РЕМОНТЕ.

4.1 Комплекс входного виброконтроля мотор-вентиляторов при техническом обслуживании и ремонте.

4.1.1 Требования к аппаратуре входного виброконтроля.

4.1.2 Состав и характеристики комплекса. ^ ^g

4.1.3 Технология виброиспытаний при проведении технического обслуживания и текущего ремонта.

4.2 Данные опьггао-промышленных испытаний и диагностики дефектов при обслуживании и ремонте.

4.3 Исследование сопутствующих параметров температуры статорной обмотки асинхронного электропривода при несимметрии фазного тока.

4.3.1. Экспериментальные исследования полей температур при несимметрии тока.

4.3.2. Расчет превышения температуры обмотки статора двигателя марки АИР90Ь4УЗ экспериментального макета, работающего в номинальном режиме, при нарушении симметрии в системе питания.

4.4 Методика выявления дефектов элементов цепи вспомогательных машин по сопутствующим параметрам, с использованием тепловизионного контроля.

4.4.1.Тепловой переходный процесс асинхронного электропривода.

4.4.2. Расчет превышения температуры обмотки статора двигателя АНЭ225Ь4УХЛ2, работающего при нарушении симметрии в системе питания.

4.5 Методика тепловых испытаний мотор-вентиляторов при техническом обслуживании и ремонте.^^

4.6. Выводы и заключения по главе.

Введение диссертация по механике, на тему "Динамика вентиляционных машин с асинхронным электроприводом при несимметрии фазных токов"

Вентиляционные машины (ВМ) с асинхронным электроприводом применяются во многих отраслях промышленности, в энергетике, железнодорожный транспорте, строительстве, сельском хозяйстве и т. д. ВМ в электровозах и тепловозах (мотор-вентиляторы) применяются в качестве машин отвода тепла от электрически нагруженного оборудования силовой цепи: тяговых электродвигателей, тормозных реостатов, выпрямительно-инверторных преобразователей и т.д. Другие вспомогательные машины электровозов: мотор-компрессоры и фазоращепители также имеют асинхронный электропривод. Одной из приоритетных задач на транспорте является повышение надежности и продление срока эксплуатации оборудования засчет качественного технического обслуживания и ремонта, а также снижение затрат на ремонт оборудования. Эта задача непосредственно связана с необходимостью определения текущего технического состояния машинного оборудования с асинхронным электроприводом и быстрой, точной достоверной диагностикой развивающихся дефектов.

Статистическая обработка данных по внеплановым отказам оборудования электровозов Восточно-Сибирской железной дороги - филиала ОАО «РЖД» за 20072009 г.г. показала высокий процент повреждений вспомогательных машин. Чаще всего ремонт связан с дефектом асинхронного электропривода. Исследования вибрации вспомогательных машин показали, что в среднем ее уровень значительно превышает предельно допустимые значения. Большинство вспомогательных машин по количеству и энергопотреблению составляют центробежные вентиляционные машины - мотор-вентиляторы (МВ), которые обладают повышенным уровнем виброактивности. Поэтому они и выбраны в качестве основного объекта настоящего диссертационного исследования. Причинами вибрации являются механические и электрические дефекты. Дополнительный вклад в общий высокий вибрационный фон МВ вносит вибрация, вызываемая несимметрией тока в фазах. Ее вклад сильно варьируется и составляет от 5 до 50% от общего уровня вибрации. При этом часть энергии расходуется на генерирование паразитных колебаний и значительно ухудшаются энергетические и динамические показатели электропривода.

Проведенные испытания на 10 электровозах серии ВЛ80р в локомотивном депо ст. Иркутск-сортировочный показали среднюю степень несимметрии 10 - 12%. На участках испытаний МВ после ремонта уровень несимметрии тока в фазах достигал 17%-20%.

Несимметричные режимы возникают при искажении симметрии напряжений в сети, при несимметрии в цепях статора и ротора, при несимметричной схеме соединений обмоток двигателя. Такие режимы могут возникнуть как результат отклонения условий работы двигателя от нормальных, в частности вследствие неисправностей и аварий.

Вибрационные составляющие, вызываемые несимметрией тока, нельзя убрать балансировкой или другими механическими методами снижения колебаний ротора, ввиду сложной пространственной картины, порождаемой несимметрией вибрации. Более того, искажая сигнал оборотной частоты дополнительными составляющими, несимметрия тока снижает качество балансировки, делает невозможным полное устранение дисбаланса. Несимметрию тока можно убрать, только устранив ее электрические причины.

Исследования в области несимметричных режимов работы электрических машин проводились широким кругом ученых. Наиболее весомый вклад в изучение данной проблемы внесли Вольдек А.И., Копылов И.П., Иванов-Смоленский А.В., Шубов И.Г., Кацман М.М. и др [19, 42, 88, 19, 41]. Их исследования ограничиваются определениями электрических параметров, таких как магнитодвижущая сила, токи и моменты прямой и обратной последовательности. Изучению пространственно-временного распределения тангенциальных (электродинамических) и радиальных электромагнитных) сил и их влияния на возбуждение колебаний статора и ротора асинхронного электродвигателя при несимметрии фазных токов не уделялось достаточного внимания.

В монографиях [19, 42, 88, 19, 41] возникновение при несимметрии вибрационной составляющей момента объясняется в терминах моментов прямой и обратной последовательности, но не учтены комбинационные составляющие моментов, получаемые при перемножении токов и м.д.с. прямой и обратной последовательности.

Очень важным динамическим и диагностическим признаком несимметрии тока в фазах является наличие во временном сигнале и спектре вибрации составляющей с двойной частотой сети 2 • (/с=50 Гц - частота сети) [21]. Однако эта составляющая является общим признаком наличия электромагнитных сил в электрических машинах, т.е. этот признак присущ всем дефектам электромагнитной природы: повреждениям стержней ротора, статическому эксцентриситету статора, динамическому эксцентриситету ротора, обрыву или замыканию витков обмоток статора, ослаблению листов железа статора и др. Для несимметрии фазного тока приведенный выше признак является единственным, что затрудняет диагностику этого дефекта. Расширение набора диагностических признаков несимметрии тока в фазах, в том числе и 100% несймметрйи (обрыва фазы), является важной задачей динамики машин с асинхронным электроприводом. Выявление степени несимметрии фазного тока по анализу вибрационного сигнала также является актуальной задачей, так как измерить ток во всех фазах всех эксплуатируемых машин с асинхронным электроприводом не представляется возможным. В ибро диагностика машин получает все большее распространение, и нужно научиться извлекать из данных виброизмерений максимальное количество полезной информации.

Задачами стратегического направления научно-технического развития ОАО «РЖД» до 2015 г., изложенными в «Белой книге» ОАО «РЖД», являются повышение безопасности движения поездов, реорганизация технического обслуживания и ремонта подвижного состава, в том числе на основе развития и использования современных методов и средств диагностики.

Диагностика состояния МВ при техническом обслуживании и входном контроле перед ремонтом до последнего времени не применялась, так как имеется ряд ограничений по безопасности проведения измерения средствами контроля в высоковольтной зоне машинного отделения электровоза. Поскольку процесс проведения технического обслуживания и ремонта строго регламентирован по времени, крайне важно использовать методы и средства, позволяющие выполнить обследование за предельно малый срок с одновременным сохранением качества выполнения операций.

Это делает актуальной проблему создания комплекса входного виброконтроля МВ, обеспечивающего сбор вибрационной информации в автономном режиме, в режиме дистанционного управления при реализации перехода на обслуживание и ремонт МВ по фактическому состоянию.

Исходя из вышеизложенного, можно утверждать, что развитие исследований, направленных на изучение динамики и колебаний машинных вентиляционных агрегатов с асинхронным электроприводом при несимметрии фазных токов, на создание дистанционно управляемых комплексов виброконтроля и диагностики дефектов МВ, является актуальной научно-технической задачей.

2. Разработка экспериментального макета вентиляционных машин с асинхронным электроприводом для моделирования работы и анализа пространственных колебаний при изменении - степени несимметрии фазных токов, .характеристик .нагрузки^ и жесткости опорной системы.

3. Разработка математической модели, исследование силовых вибрационных полей и оценка их влияния на формы колебаний асинхронных электродвигателей ВМ при несимметрии фазных токов.

4. Численное моделирование пространственной динамики, разработка методики комплексной вибродиагностики вентиляционных машин на наличие несимметрии фазных токов.

Методы исследований. При решении поставленных в диссертационной работе задач использовались следующие методы: метод симметричных составляющих, метод конечных элементов, методы теоретической механики и динамики машин. При моделировании использовался программный продукт МАТЪАВ 7.5, некоторые вычисления выполнены с помощью системы символьной математики МаШСаё 14.

Научную новизну диссертации представляют следующие результаты, которые выносятся на защиту:

4. Схемные решения комплекса входного виброконтроля, алгоритм вибродиагностики несимметрии фазных токов и методика комплексной оценки технического состояния вентиляционных машин по вибрационным и сопутствующим тепловым параметрам при их обслуживании и ремонте.

Практическая значимость работы состоит в том, что на основе выполненных исследований существенно расширен перечень диагностических признаков электрического дефекта вентиляционных машин с асинхронным электроприводом в виде несимметрии фазного тока. Разработаны и предложены математическая модель динамики вентиляционных машин при несимметрии фазных токов, технические требования и схемные решения комплекса входного виброконтроля, алгоритм вибродиагностики несимметрии фазных токов и методика комплексной оценки технического состояния вентиляционных машин по вибрационным и сопутствующим тепловым параметрам. По программе автоматизированной диагностики дефектов вентиляционных машин «Вибродефект» получено свидетельство о государственной регистрации.

Реализация результатов подтверждена «Актами внедрения» по договору с ВСЖД НИОКР № ДТ/544р/08 «Разработка и внедрение комплекса входного виброконтроля и диагностики дефектов мотор-вентиляторов электровозов при их ремонте с учетом фактического состояния» с внедрением результатов в ТЧр-2 ст. Нижнеудинск в ноябре 2008 г. Методы комплексной вибро-термодиагностики мотор-вентиляторов предложены и реализованы также в НИОКР № ДТ/1008р/07 от 10.05.2007 г. «Термо-оптическое устройство и технология термодиагностики дефектов электрооборудования электровозов на ранней стадии перегрева (при техническом обслуживании (ТО) и текущем ремонте (ТР))» с внедрением результатов в ТЧр-2 ст. Нижнеудинск в ноябре 2007 г.

Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждена экспериментальной проверкой основных положений, сопоставлением аналитических исследований с результатами, полученными при численном моделировании.

Апробация работы. Основные положения диссертации и ее результаты докладывались и обсуждались на III международной конференции «Проблемы механики современных машин» (г. Улан-Удэ, ВСГТУ, 2006 г.); IV международной конференции «Проблемы механики современных машин» (г. Улан-Удэ, 2009 г.); XVI Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении» (г. Иркутск, ИСЭМ СО РАН, 2010 г.); 3-ей международной научно-технической конференции «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния» (Беларусь, г. Могилев, 2009 г.); Первом Международном симпозиуме «Инновации и обеспечение безопасности современной железной дороги» (Китай, провинция Цианси, г. Наньчан, Северо-Восточный транспортный университет, 2008 г.); Втором Международном симпозиуме «Инновации и обеспечение безопасности современной железной дороги» (Россия, г. Иркутск, Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС), 2010 г.); международной конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития транспортного комплекса России» (г. Новосибирск, СГУПС, 2007 г.); 2-ой международной научно-технической конференции «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов» (Беларусь, г. Могилев, Белорусско-Российский университет, 2006 г.), IV Международной конференции «Математика, ее приложения и математическое образование» (г. Улан-Удэ, ВосточноСибирский государственный технологический университет, 2011 г.)

Заключение диссертации по теме "Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры"

2.6 Выводы и заключения по главе

1. Проведена систематизация электрических дефектов асинхронных электродвигателей, определены их вибродиагностические признаки как основа разработки алгоритмов автоматической вибродиагностики дефектов. Выявлено, что единственный вибрационный признак несимметрии фазных токов (наличие в спектре составляющей на частоте 100 Гц) присутствует в составе вибропризнаков большинства других электрических дефектов, что затрудняет точную идентификацию несимметрии фазных токов с целью ее устранения.

2. Экспериментальные исследования вибрации вентиляционных машин на электровозах различных серий определили характерный для всех машин вибрационный портрет: относительный вклад составляющей на 100 Гц очень значителен как у горизонтальной, так и у вертикальной вибрации. Причем вибрация в горизонтальном направлении значительно превышает вертикальную вибрацию. При движении электровоза в различных режимах с разными скоростями вибрационная картина несколько иная: усиливаются возмущения в низкочастотной области, вызванные этим движением; несмотря на это вклад возмущений с частотой 100 Гц остается значительным.

3. Исследованы пространственные колебания асинхронного электродвигателя при изменении степени несимметрии фазных токов, характеристик нагрузки и жесткости опорной системы с помощью разработанного экспериментального макета. В результате определены характерные для данного вида дефекта идентификационные признаки, выявлены соотношения амплитуд на характерных частотах в шести точках крепления датчиков, обозначены максимально-информативные направления проявления дефекта. Выявлена наибольшая вибрация в тангенциальном направлении.

4. Впервые выявлено, что при несимметрии фазного тока характерные электрические частоты 100, 200 и 300 Гц сопровождают боковые частоты оборотной частоты. Установлена зависимость амплитуд спектральных составляющих на характерных для несимметрии фазных токов частотах от величины дисбаланса вращающихся масс. Доказано влияние жесткости опорной системы электродвигателя на изменения СКЗ виброскорости и амплитуды спектральных составляющих на частотах, характерных для несимметрии.

Глава 3. ДИНАМИКА АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ МАШИН ПРИ НЕСИММЕТРИИ ТОКА В ФАЗАХ

Проведенные экспериментальные исследования показали высокий уровень тангенциальной и радиальной вибрации, которая создается тангенциальными и радиальными силами, а это побуждает исследовать возмущающие силы, их пространственно-временные зависимости и поля.

В реальных условиях эксплуатации асинхронного электропривода часто его отдельные фазы нагружены несимметрично (неравномерное распределение нагрузки по фазам, подключение мощных однофазных приемников и т. д.). Частным случаем несимметрии фазного тока является и обрыв фазы. В главе рассмотрены силовые и динамические характеристики асинхронного электропривода вентиляционных машин при несимметрии питающего фазного тока. Проведено численное моделирование механических колебаний электропривода, выявлены зависимости уровня вибрации в различных направлениях от степени несимметрии фазного тока в обмотках статора. При анализе несимметричных режимов работы асинхронного электропривода будем предполагать, что электродвигатель имеет симметричное устройство, т. е. все три фазы одинаковы в магнитном и электрическом отношении.

3.1. Математическая модель силовых взаимодействий в асинхронном электроприводе при несимметрии тока в фазах

Электромагнитные силы, действующие в воздушном зазоре между статором и ротором асинхронных электродвигателей (АЭД), имеют характер вращающихся или пульсирующих силовых волн из-за зубчато-пазовой структуры статора и ротора. Их величина зависит от электромагнитных нагрузок и некоторых конструктивных и расчетных параметров активного ядра машины. Вызываемая электромагнитными силами вибрация во многом зависит от характеристик статора как колебательной системы [16]. В большинстве типов электрических машин значение магнитной вибрации лежит в диапазоне частот 100—4000 Гц [93]. Наибольшую интенсивность имеет вибрация, возбуждаемая основной волной вращающегося магнитного поля.

Как показали исследования, основным источником магнитного шума и вибраций в электродвигателях являются не колебания зубцов, непосредственно к которым приложены электромагнитные силы, а колебания ярма статора [93]. При расчетах ярмо машины представляется в виде цилиндрической оболочки, на которую воздействует система радиальных и тангенциальных сил с числом волн г, периодически изменяющиеся во времени и симметрично распределенных по окружности.

При изучении вибрации статора, возбуждаемой магнитными силами, различают следующие пространственные формы колебаний, которые присущи всем типам электрических машин переменного и постоянного тока (рис.3.1): при г = 0 (рис. 3.1, а) статор вибрирует, как пульсирующий цилиндр (нагрузки растяжения - сжатия). Частота собственных колебаний кольца статора при этом виде колебаний будет [93]:

3.1) где т - масса, приходящаяся на единицу площади цилиндрической поверхности ярма, к - высота спинки статора, Яс- средний радиус ярма, Е - модуль упругости. К этой же пространственной форме относятся и крутильные колебания статора, вызываемые периодической составляющей вращающего момента. г=2 г=Л

Рис.3.1. Формы колебаний статора электрических машин

При г = 1 (рис.3.1, б) все силы, возбуждающие этот вид колебаний, приводятся к одной вращающейся результирующей силе, приложенной в центре тяжести машины. В этом случае статор при установке машины на амортизаторы вибрирует относительно своего центра тяжести без изменения формы колебаний. При жестком креплении машины к фундаменту пространственные формы колебаний статора искажаются. В этом случае вибрационные характеристики машины во многом зависят также от свойств фундамента. Поэтому при исследованиях вибрационных характеристик машин принята методика, при которой машина устанавливается на амортизаторы, чем исключается влияние фундаментов. Это позволяет проводить расчеты колебаний статоров как свободных колец.

Частота собственных колебаний машины на амортизаторах

О)0 =

3.2) где Хс - приведенная податливость статора.

При г >2 (рис.3.1, в) частота собственных колебаний ярма статора асинхронной машины переменного тока может быть рассчитана по формулам [93]: гк б)0 = г( г ~~ 1) л/777 ^

ЕЬг шя? при Д,

3.3)

Щ = г(г2 -1)

Ек гЬ,

12тК4с(1 + Зг2х) ПРИ Я

1, где X ~ к'

12Я:

Рассмотрим механизм возникновения пульсации вращающего момента и радиальной вибрации при несимметрии фазного тока и определим их характерные признаки и взаимозависимость. Постоянная и переменная составляющая тангенциальных сил, которые относят к электродинамическим силам, создают постоянную и переменную составляющие вращающего момента на валу ротора и соответствующую динамическую реакцию на ярме статора. При этом возбуждаются колебания формы

Г = 1 (рис.3.1,6). Постоянная и переменная составляющая радиальных сил, которые относят к электромагнитным силам, создают постоянные и переменные силы магнитного притяжения, стремящиеся уменьшить зазор между ротором и статором, причем последние деформируют ярмо статора и генерируют его колебания формы Г = 2, при этом статор принимает форму эллипса (рис.3.1,в).

Значение и распределение радиальных и тангенциальных магнитных сил в воздушном зазоре (рис.3.2) определяется как [93]:

Pr=-^—b2(S,t), (3.4) рт = a(3,t)-b(3,t) , (3.5) где a(3,t) - линейная токовая нагрузка статора или ротора; Ъ(3,t) = f(3,t) ■ Л(3,t) -магнитная индукция в воздушном зазоре в точке с угловой координатой 3 в момент Рис.3.2. Сечение кольцевого зазора времени t ; между ротором и статором f(3,t) и Л(3,t) - мгновенные значения результирующей м.д.с. обмоток статора и ротора и магнитной проводимости зазора. а(3,t) = Aj cos(pS - û)jt - çal ) + A2 cos(pS + co¡t - (pa2 ) ; (3-6) b(S,t) = B] cos( pê - co1t-<pbl) + B2cos( p3 + co¡t - (рЬ2 ), (3.7) где Д// А2 ; B¡;В2 - линейная токовая нагрузка статора и индукция результирующего магнитного поля в воздушном зазоре прямого и обратного следования фаз; р -число пар полюсов, cú¡ — 2rfc ; fc - частота сети (50 Гц); (pai,(pa2 - фазы тока статора прямой и обратной последовательности; ФъьФЫ' фазы индукции магнитного поля в зазоре прямого и обратного следования фаз.

Распределенные тангенциальные силы в зазоре статора и ротора электродвигателя.

Подставляя (3.6) и (3.7) в уравнение (3.5), получим значение распределенных по поверхности обмотки статора тангенциальных сил: рТ = 0,5 • [AjBj cos(2рЗ - 2<D¡t - <ра1 -<pbl) + A¡B¡ cos(сры -<pal) + + AjB2 cos(2p3- (pal ~(pb2) + AjB2 cos(2co¡t + çal ~(pb2)+ (3.8; A2BjCos(2p3 - (pa2 -<pbl) + A2Bj cos(2a¡t ~ça2+(Pbi) + + A2B2 cos(2p3 + 2û)jt - ça2 ~(pb2) + A2B2 cos(çb2 - ça2 )

Уравнение (3.8) включает 4 группы характерных составляющих: - постоянные:

AjBj cos((ры -(Pal) К Л2В2 cos((pb2 -<pa2)\

- зависящие от углового положения и числа пар полюсов:

AjB2 cos(2рЗ- <ра1 - (рЪ2 ) и A2Bj cos(2рЗ - (ра2 -q>bl)\

- зависящие от угловой скорости и времени:

AjB2 cos(2<x>jt + (ра1 -<pb2) и A2Bj cos(2o)jt -<ра2+<ры)-,

- зависящие от углового положения, числа пар полюсов, угловой скорости и времени: AJB1cos(2p3-2co]t-<paI-<pbl) кА2В2 cos(2рЗ +2(Djt-<ра2 - pb2)

Распределенные радиальные силы в зазоре статора и ротора электродвигателя

В общем виде радиальные силы могут быть представлены следующим образом [60]: рг = [(В2! + В22 ) + В2 cos 2(р$ - cojt -<рЬ1) + В22 cos 2(рЭ + ajjt- (рЪ2 )] + + а0-[BjB2 cos(2рЗ - (ры -(pb2) + BjB2 cos(2a)jt + (pbl + (pb2 )]

Результирующая радиальная сила аналогично тангенциальным силам (3.8) слагается из постоянной и переменной составляющей. Постоянная составляющая в этом выражении указывает на то, что к статору приложена система равномерно распределенных сил, создающих напряжение сжатия и уменьшающих зазор между статором и ротором. Переменная составляющая представляет собой бегущую силовую волну, меняющую один раз свой знак в пределах каждого полюсного деления [60].

3.2. Анализ воздействия тангенциальных электромагнитных сил в зазоре статора и ротора

3.2.1. Колебания вращающего момента ротора.

Возникновение в электрической машине электромагнитных сил и вращающих моментов можно рассматривать как результат взаимодействия волн тока с синусоидальными волнами распределения индукции магнитного поля вдоль окружности статора и ротора. Отличный от нуля вращающий момент создается взаимодействием пространственных гармоник тока и магнитного поля одинакового порядка, а гармоники разных порядков создают вдоль окружности ротора (статора) знакопеременные электромагнитные силы и составляющие момента, суммарное значение которых равно нулю.

Интегрируя тангенциальные силы по угловой координате 3 по всей окружности статора 3[0; 2ж], получаем вращающий момент электромагнитных сил, действующих на ротор (статор) как твердое тело.

2л

3.10)

Mep = 7tR2l[A¡B1cos((pbl-(pal)+A2B2Cos((pb2-(pa2)+ (3 A1B2cos(2ü)1t + (pal -g>b2)+A2B1cos(2co1t - cpa2 + (ры)],

Уравнение вращающего момента (3.11) содержит постоянные составляющие и составляющие, периодически изменяющиеся от времени с удвоенной круговой частотой сети 2o)j. В монографии Шубова [93] в качестве тангенциальной силы возбуждающей крутильные колебания статора, принята: р? =0,5A2B1cos(2(D1t + (pbl-(pa2), = 2nR2lp?, (3.12) т.е. сила, соответствующая только четвертой компоненте уравнения (3.11), при этом не учитывалась третья компонента этого уравнения, также периодически изменяющаяся от времени.

Линейная токовая нагрузка статора прямого и обратного следования фаз определяется в соответствии с уравнением: л тпв Т

Аи=—J1,2; (3.13) рт где г = — - полюсное деление; m - число фаз; пв - число витков одной фазы 2р пв = ne¡р, П в ] - число витков одной фазы, приходящихся на одну пару полюсов); d - диаметр ротора; R = d / 2 - радиус ротора; / - длина ротора; Ijj- ток в фазах статора при прямом и обратном следовании фаз.

Основное магнитное поле в воздушном зазоре определим как:

Ь0 = В0 cos(рЗ- cojt - (p0r ). р

Здесь Bq = -— AqJU - амплитуда основной волны магнитного поля; К

I0r - амплитуда основной волны м.д.с. трехфазных обмоток ; коб обмоточный коэффициент; к„ - коэффициент насыщения магнитной цепи; I or = Korl - реактивная составляющая тока холостого хода kior = Ior /1 = 0,25 -j- 0,5 для электродвигателей от 1 до 100 кВт [41]); Лд = ——

5кс постоянная составляющая магнитной проводимости; 8 - воздушный зазор между статором и ротором; кс - коэффициент Картера; Мо - магнитная проницаемость среды.

Отсюда индукция результирующего магнитного поля в воздушном зазоре прямого и обратного следования фаз примет вид:

B¡2=1>35'blb6ñLk¡orIl2 (314) ркноКс

При нарушении симметрии в системе питания электродвигателя вращающийся

108 магнитный поток будет эллиптическим, последний (по аналогии с током в фазах) может быть заменен двумя вращающимися в противоположные стороны составляющими магнитного потока: прямой и обратной последовательности. Магнитный поток прямой последовательности создает движущий момент, а обратной последовательности - тормозной [21, 69].

Проведем численный расчет по уравнениям (3.8-3.14) с целью определения влияния степени несимметрии фазного тока и параметров электродвигателя на величину результирующего вращающего момента. Примем исходные параметры экспериментальной установки. Для асинхронного электродвигателя АИР90Ь4УЗ: й =0,095 м;

0,13 м; д =0,0003 ш\Р=2\ т = 3; Пв1=246; коб=1,202 ; &н=1,2; 0)1=27$с-, с =50 Гц ; /и0 = 4л • 10~7 Гн/м.

Характер изменения вращающего момента от времени, вычисленного по уравнению (3.11) при токе в фазах: 1а =2,5 А; 1Ь =3,5 А; 1С = 5 А (степень несимметрии — '-•100% = 50%), приведен на рис.3.3. 41

Рис.3.3 Осциллограмма изменения вращающего момента при несимметрии тока в фазах 50%

График иллюстрирует, что вращающий момент имеет постоянную ^вр.сотг^ 11,2 Нм и переменную составляющие Мвруаг=±в,\ Нм. Последняя изменяется с периодом Т = 0,01 сек, т.е. с частотой 2/с = 100 Гц (двойной частотой сети). При с 50 частоте вращения магнитного поля статора /ст =— = — = 25 Гц и периоде

Р 2

Тст = 1 / /ст = 0,04 сек, флуктуация вращающего момента происходит 4 раза за период вращения поля, т.е. период флуктуации Мвр вр.уаг 1 0,01 сек. со

2/с ответствует перемещению поля на угол Э = л/2, равный угловому межполюсному расстоянию.

На рис.3.4 приведены графики изменения максимального Мвр тах, минимального Мвр т1Пи среднего Мврсрзначений амплитуд вращающего момента асинхронного электродвигателя АИР90Ь4УЗ от степени несимметрии, вычисленных по уравнению (3.11). Здесь же приведены соответствующие значения вращающих моментов тах > ^вртт» ^врср вычисленных по приближенному уравнению (3.12).

Из графиков видно, что при возрастании степени несимметрии увеличивается переменная составляющая вращающего момента, тогда как среднее значение вращающего момента (постоянная составляющая) уменьшается [60].

Вычисления по точной формуле (3.11) дают большую (в 1,4 раза) амплитуду переменной составляющей вращающего момента, чем при расчетах по приближенной формуле (3.12).

Асинхронные Электродвигатели " % несимметрии тока выпускаются с разным числом пар полю- Рис.3.4. График изменения врасов, что определяет их номинальную щаЮщего момента АИР90Ь4УЗ от нечастоту вращения и вращающий момент симметрии тока одной фазы. при заданной мощности. Для всех типов двигателей процессы, происходящие в электромагнитной системе, аналогичны, изменяется только полюсное деление. На рис.3.5. приведены линии максимальных, минимальных и средних значений амплитуд изменения вращающего момента в зависимости от степени несимметрии фазного тока при различном числе пар полюсов р = 1,2,3. Графики показывают увеличение переменной составляющей вращающего момента при увеличении числа пар полюсов до значений р =5, т.е. при увеличении среднего значения вращающего момента.

80% 100% несимметрия, %

Рис.3.5. Изменение вращающего максимальных, минимальных и средних значений вращающего момента от степени несимметрии и числе пар полюсов р = 1,2,3

На рис.3.6 показано изменение вращающего момента на валу электродвигателя за период Т=0,01 с. для степени несимметрии фазного тока 50% при числе пар полюсов р = 1,2,3. Приведенные графики изменения вращающего момента относились к работе электродвигателя с номинальной нагрузкой на валу.

Рассмотрим изменение вращающего момента Мвр при изменении момента нагрузки и увеличении скольжения.

Параметры работы электродвигателя при увеличении нагрузки на валу, т.е. изменения режима работы от холостого хода до пускового, приведены в табл.3.1. Они получены по паспортным данным электродвигателя марки АИР90Ь4УЗ (приложение 1), расчетом токов прямой 1и и обратной последовательности /12 при различной степени несимметрии (приложение 2) и по уравнениям (3.8), (3.11), (3.13), (3.14).