СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ЛОКОМОТИВОВ ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2015 года по МПК B61L23/00 

Изобретение может применяться для любых типов локомотивов постоянного и переменного тока. В способе реализована функция добавления в базу данных о дополнительных типах подвижного состава и удаления предложенных типов для оптимизации процесса диагностирования.

Известен способ, реализованный в аппаратно-программном комплексе системы контроля и диагностики электрооборудования локомотивов, предназначенный для контроля, диагностики и настройки электрических цепей, электрических аппаратов, электрических машин тягового подвижного состава, прогнозирования отказов электрокоммутационной аппаратуры и электрических машин постоянного тока подвижного состава (см.: Система контроля и диагностики «ДОКТОР - 030М», Руководство по эксплуатации ЦВНТ.017.00.00 РЭ. - г.Омск, «Опытный завод электроники центра «Транспорт», 2011 г.).

Согласно способу в базе данных накапливаются результаты измерений по каждому параметру электрооборудования каждого локомотива приписного парка и автоматически прогнозируется отказ электрооборудования на основании накопленной статистики.

Недостатки известного способа заключаются в недостаточной функциональности.

Задача изобретения - повышение функциональности способа.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе контроля электрических цепей локомотивов постоянного и переменного тока, заключающемся в измерении параметров электрооборудования - напряжения постоянного и переменного тока, индуктивности, сопротивления постоянному току, в том числе и переходного сопротивления контактов, последующем сравнении с допустимыми (эталонными) значениями этих параметров и последующем формировании протоколов по результатам диагностики для просмотра на дисплее, печати или передачи на компьютер посредством USB-флэшдиска или дискеты, согласно изобретению отличается тем, что в способ дополнительно введены функция добавления в базу данных дополнительных типов подвижного состава и удаления предложенных типов для оптимизации процесса диагностирования, функции диагностирования и настройки электрических цепей электрических аппаратов, электрических машин тягового подвижного состава, а также функции прогнозирования отказов электрокоммутационной аппаратуры и электрических машин постоянного тока подвижного состава путем проверки секвенции включения аппаратов от контроллера машиниста; контроля межвиткового замыкания якорей и обмоток возбуждения двигателей; контроля и настройки нейтрали электрических машин постоянного тока; контроля сопротивления якорной цепи и обмоток возбуждения; контроля межвиткового замыкания катушек реле, дугогасительных катушек и индуктивных шунтов; контроля времени включения и отключения реле и контакторов; контроля переходного сопротивления контакторов; контроля индуктивности магнитных систем; контроля пусковых сопротивлений (малых) сопротивлений, а также формирование напряжений постоянного тока и синусоидального напряжения в соответствии, согласно которому оценка технического состояния объекта осуществляется по параметрам технического состояния, обеспечивающим его надежную и безопасную эксплуатацию согласно нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации, а остаточный ресурс - по определяющим параметрам технического состояния. В качестве определяющих параметров технического состояния принимаются параметры, изменение которых (в отдельности или в некоторой совокупности) может привести объект в неработоспособное или предельное состояние, при этом оценка технического состояния объекта в зависимости от его сложности может проводиться по одному или нескольким диагностическим параметрам, а если значения диагностических параметров объекта не поддаются непосредственному измерению, то их величины находят обработкой значений других параметров, связанных с искомыми известными функциональными зависимостями, например:

$$L_x\approx \frac{U_x{R}_{д}}{U_{ген}2\pi F_{ген}}$$

где U_x - падение напряжения на катушке L_x, которое пропорционально контролируемой индуктивности.

U_ген - напряжение, выдаваемое генератором,

F_ген - частота, выдаваемая генератором.

Указанные отличительные признаки расширяют функциональность заявляемого способа.

Способ позволяет реализовать следующие функции:

- проверять секвенцию включения аппаратов от контроллера машиниста, с выявлением неисправных узлов и агрегатов, и дальнейшей их локализацией;

- контролировать состояние и настраивать геометрическую нейтраль в электродвигателях;

- выявлять скрытые неисправности в электрооборудовании электроподвижного состава (межвитковые замыкания в двигателях, дугогасительных катушках контакторов);

- проверять времена срабатывания и отпускания контакторов, реле;

- контролировать параметры электрооборудования (индуктивности, сопротивления, в том числе и переходное сопротивление контактов) на допустимые (эталонные) значения с выводом результата на встроенный дисплей;

- формировать протоколы по результатам диагностики, для просмотра на дисплее, печати или передачи на компьютер, используя USB-флэшдиск или дискету;

- измерять напряжения постоянного и переменного тока, сопротивления постоянному току, индуктивности и временных интервалов, формирование напряжений постоянного тока и синусоидального напряжения.

В качестве базовой концепции способа используется подход, основанный на принципе безопасной эксплуатации по техническому состоянию, согласно которому оценка технического состояния объекта осуществляется по параметрам технического состояния, обеспечивающим его надежную и безопасную эксплуатацию согласно нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации, а остаточный ресурс - по определяющим параметрам технического состояния. В качестве определяющих параметров технического состояния принимаются параметры, изменение которых (в отдельности или в некоторой совокупности) может привести объект в неработоспособное или предельное состояние. Оценка технического состояния объекта в зависимости от его сложности может проводиться по одному или нескольким диагностическим параметрам. Если значения диагностических параметров объекта не поддаются непосредственному измерению, то они могут быть найдены обработкой значений других параметров, связанных с искомыми известными функциональными зависимостями.

Способ осуществляется посредством аппаратно-программного диагностического комплекса (АПДК), состоящего из базового блока, где установлен промышленный компьютер (системная плата РСМ/ оперативная память 64Mb/ Compact flash), источники питания, жидкокристаллический дисплей и набор сменных модулей, которые осуществляют измерение соответствующих параметров и передачу данных в компьютер базового блока.

Функционирование комплекса осуществляется под управлением программного обеспечения, часть которого расположена в компьютере базового блока, а другая часть, ответственная за измерение и передачу параметров, находится непосредственно в микропроцессорах, установленных в модулях.

При осуществлении способа комплекс контролирует следующие параметры оборудования:

- Проверка секвенции включения аппаратов от контроллера машиниста;

- Контроль межвиткового замыкания якорей и обмоток возбуждения двигателей;

- Контроль и настройка нейтрали электрических машин постоянного тока;

- Контроль сопротивления якорной цепи и обмоток возбуждения;

- Контроль межвиткового замыкания катушек реле, дугогасительных катушек и индуктивных шунтов;

- Контроль времени включения и отключения реле и контакторов;

- Контроль переходного сопротивления контакторов;

- Контроль индуктивности магнитных систем;

- Контроль пусковых сопротивлений (малых сопротивлений). В общем случае, способ решает две задачи:

- выявление скрытых дефектов (прогнозирование);

- поиск явно выраженных неисправностей (диагностика отказа).

Для тяговых электродвигателей и вспомогательных машин в способе определяют:

- межвитковое замыкание якорей и катушек обмоток возбуждения тяговых электродвигателей, вспомогательных машин и индуктивных шунтов;

- переходное сопротивление щетка-коллектор;

- геометрическая нейтраль, влияющая на коммутацию электрических машин и их КПД.

Для электрической аппаратуры в способе определяют:

- межвитковое замыкание, обрыв катушек электропривода реле или контактора;

- переходное сопротивление силовых контактов;

- время срабатывания и отключения реле и контакторов;

- ток включения и отключения электромагнитных реле и контакторов.

Ниже приведены конкретные примеры выявления дефектов отдельных типов электрооборудования.

Известно, что катушка контактора или обмотка электродвигателя имеют индуктивность, которая является величиной постоянной. Как емкость накапливает в себе энергию электрического поля, так индуктивность накапливает в себе энергию магнитного поля. При уменьшении электрического тока в цепи, содержащей индуктивность, возникает явление электромагнитной индукции - индуктивность препятствует уменьшению тока.

Измерение индуктивности основано на контроле падения напряжения на некоторой катушке L_x. Ток низкой частоты задается с помощью генератора и набора добавочных резисторов R_д определенного сопротивления.

При выполнении условия R_д>2πF_ген L_x получим:

$$L_x\approx \frac{U_x{R}_{д}}{U_{ген}2\pi F_{ген}}$$

где U_x - падение напряжения на катушке L_x, которое пропорционально контролируемой индуктивности.

U_ген - напряжение, выдаваемое генератором,

F_ген - частота, выдаваемая генератором,

R_д - сопротивление добавочных резисторов.

Для контроля пределов измерения индуктивности, кроме переключения R_д, производится переключение частоты генератора треугольного напряжения. Амплитуда меандра определяет величину индуктивности. При наличии межвиткового замыкания амплитуда резко падает, т.е. уменьшается индуктивность (в сравнении с эталонным значением).

Метод контроля времени включения (срабатывания) аппарата

На включающую катушку аппарата (контактора, реле) подается постоянное напряжение 50, 75 или 110В, в зависимости от типа аппарата, и одновременно запускается таймер. Программа контролирует замыкание контактов аппарата. При замыкании контактов таймер останавливается. Результат измерения отображается на дисплее и записывается на флэш-диск встроенного компьютера АПДК.

Метод контроля времени отключения аппарата

На включающую катушку аппарата (контактора, реле) подается постоянное напряжение 50, 75 или 110В, в зависимости от типа аппарата. Программа контролирует замыкание контактов аппарата. После замыкания контактов выполняется задержка на 0,5 сек, затем напряжение снимается и запускается таймер. Программа контролирует размыкание контактов аппарата. При размыкании контактов таймер останавливается. Результат измерения отображается на дисплее и записывается на флэш-диск встроенного компьютера АПДК.

Метод контроля переходного сопротивления

От генератора тока, через контролируемое сопротивление, подается эталонный ток. По падению напряжения на контролируемом сопротивлении оценивается его величина. Результат измерения отображается на дисплее и записывается на флэш-диск встроенного компьютера АПДК.

Присоединение контролируемого сопротивления к измерительной цепи осуществляется по четырехзажимной схеме включения.

Четырехзажимная схема включения состоит из четырех зажимов: двух токовых и двух потенциальных. К токовым зажимам измеряемого объекта подводится ток стабилизированного источника питания, потенциальные зажимы подключаются к измерительной цепи с большим входным сопротивлением, что исключает влияние проводов и зажимов токовой цепи. Это позволяет производить измерения очень малых сопротивлений (до 10^-4-10^-7).

Смещение щеток с нейтрали оказывает существенное влияние на работу тяговых двигателей. На основании стендовых испытаний установлена закономерность расхождения характеристик тяговых двигателей в зависимости от смещения щеточной траверсы. В режиме, близком к часовому, смещение траверсы на 1 мм приводит к расхождению в токах тяговых двигателей примерно на 2%. Смещение щеток с нейтрали значительно ухудшает условия работы тяговых двигателей, что проявляется в нарушениях нормальной коммутации, расхождении скоростных характеристик и приводит к повышенному износу щеток и коллекторов.

Поэтому, перед установкой тяговых двигателей на локомотив производят установку щеточной траверсы и фиксацию ее в месте, соответствующем нейтральному положению щеток. Однако, при производстве ремонтных работ щеточная траверса отпускается, и затем проворачивается, после ремонта траверса устанавливается по заводским рискам. Эти риски нанесены были с учетом частоты вращения якоря вправо и влево, и настройки по средней величине. Такая установка, без учета наведенной ЭДС, в большинстве случаев приводит к заведомому смещению щеток с нейтрали. Поэтому положение щеточной траверсы в тяговых двигателях и электрических машинах требуется контролировать при каждом заходе локомотива на ремонт и устанавливать новые риски.

Методика контроля и настройки нейтрали основана на определении минимального коэффициента трансформации (коэффициента настройки нейтрали).

Для определения состояния нейтрали непосредственно на локомотиве вывешивают колесную пару, а в якорную цепь подают переменное напряжение 10-12 В. Щуп, подающий напряжение, подключается к выводам якорной цепи. Нейтраль настраивается относительно всей якорной цепи, включая дополнительные полюса и компенсационную обмотку). Затем, с помощью измерителя контролируют напряжение на обмотке возбуждения. Другой измерительный щуп подключается к выводам обмотки возбуждения. За счет трансформаторной связи между якорной цепью и обмоткой возбуждения на обмотке возбуждения наводится напряжение, которое в следующий момент измеряется. Траверсу поворачивают по направлению вращения двигателя, затем против направления вращения, после каждого поворота выполняют измерения коэффициента трансформации.

В идеально собранной и неподвижной машине напряжение на обмотке возбуждения будет равно нулю. Однако в реальной машине из-за технологических отклонений при сборке, на обмотке возбуждения наводится небольшое напряжение.

Отношение напряжений поданного в обмотку якоря и наведенного в обмотке возбуждения дает коэффициент, пропорциональный состоянию геометрической нейтрали.

К=U₁/U₂ - коэффициент настройки геометрической нейтрали,

где U₁ - напряжение, наведенное в обмотке возбуждения;

U₂ - напряжение, подаваемое в обмотку якоря.

При отклонении геометрической нейтрали от нормы коэффициент увеличивается.

Геометрическая нейтраль считается настроенной в том случае, когда найдено такое положение траверсы, при котором коэффициент будет минимальным (стремящимся к 0).

Результат измерения отображается на дисплее и записывается на флэш-диск встроенного компьютера АПДК.

Методика определения межвиткового замыкания якоря на снятом с электровоза электродвигателе

Практический интерес представляет выявление межвиткового замыкания в якорной обмотке без разборки тягового двигателя. Иногда это требуется делать без выкатки тягового двигателя из-под электровоза.

Поставленную задачу можно решить, используя принцип измерения, что и при установке щеток на нейтрали. Для этого вывешивают колесную пару, а на щетки противоположной полярности подают переменное напряжение 10-12 В, медленно поворачивают якорь на угол в пределах полюсного деления и одновременно с помощью измерителя контролируют напряжение на обмотке возбуждения.

При отсутствии междувиткового замыкания в последовательно соединенных секциях между щетками противоположной полярности наводится э.д.с. Фаза э.д.с., наведенной в одной половине секций, противоположна фазе э.д.с. в другой половине. В результате в идеально собранной и неподвижной машине напряжение на обмотке будет равно нулю. Однако в реальной машине из-за технологических отклонений при сборке, неточной установки щеток на нейтраль появляется небольшое напряжение на обмотке, незначительное изменение которого при отсутствии междувиткового замыкания в якоре объясняется зубчатым строением якоря и перекосом щеток в щеткодержателях.

При наличии междувиткового замыкания в якорной обмотке напряжение на обмотке при повороте якоря приобретает форму волны, причем минимальный уровень напряжения отличается от максимального в несколько раз. Это происходит потому, что в цепи нарушается равенство противоположных э.д.с. из-за наличия замкнутых витков.

Заявленный способ соответствует критерию «промышленная применимость», поскольку для его осуществления применяются технические средства, представленные в современном техническом уровне.

Изобретение может применяться для любых типов локомотивов постоянного и переменного тока. В способе реализована функция добавления в базу данных о дополнительных типах подвижного состава и удаления предложенных типов для оптимизации процесса диагностирования. В качестве базовой концепции способа используется подход, основанный на принципе безопасной эксплуатации по техническому состоянию, согласно которому оценка технического состояния объекта осуществляется по параметрам технического состояния, обеспечивающим его надежную и безопасную эксплуатацию согласно нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации, а остаточный ресурс - по определяющим параметрам технического состояния. В качестве определяющих параметров технического состояния принимаются параметры, изменение которых (в отдельности или в некоторой совокупности) может привести объект в неработоспособное или предельное состояние. Оценка технического состояния объекта в зависимости от его сложности может проводиться по одному или нескольким диагностическим параметрам. Если значения диагностических параметров объекта не поддаются непосредственному измерению, то они могут быть найдены обработкой значений других параметров, связанных с искомыми известными функциональными зависимостями.

Способ контроля электрических цепей локомотивов, преимущественно постоянного и переменного тока, заключающийся в измерении параметров электрооборудования - напряжения постоянного и переменного тока, индуктивности, сопротивления постоянному току, в том числе и переходного сопротивления контактов, последующем сравнении с допустимыми (эталонными) значениями этих параметров и последующем формировании протоколов по результатам диагностики для просмотра на дисплее, печати или передачи на компьютер посредством USB-флэшдиска или дискеты, отличающийся тем, что в способ дополнительно введены функция внесения в базу данных дополнительных типов подвижного состава и удаления предложенных типов для оптимизации процесса диагностирования, функции диагностирования и настройки электрических цепей электрических аппаратов, электрических машин тягового подвижного состава, прогнозирования отказов электрокоммутационной аппаратуры и электрических машин постоянного тока подвижного состава путем проверки секвенции включения аппаратов от контроллера машиниста; контроля межвиткового замыкания якорей и обмоток возбуждения двигателей; контроля и настройки нейтрали электрических машин постоянного тока; контроля сопротивления якорной цепи и обмоток возбуждения; контроля межвиткового замыкания катушек реле, дугогасительных катушек и индуктивных шунтов; контроля времени включения и отключения реле и контакторов; контроля переходного сопротивления контакторов; контроля индуктивности магнитных систем; контроля пусковых сопротивлений (малых) сопротивлений, а также формирование напряжений постоянного тока и синусоидального напряжения, при этом оценка технического состояния объекта осуществляется по параметрам технического состояния, обеспечивающим его надежную и безопасную эксплуатацию согласно нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации, а остаточный ресурс - по определяющим параметрам технического состояния. В качестве определяющих параметров технического состояния принимаются параметры, изменение которых (в отдельности или в совокупности) может привести объект в неработоспособное или предельное состояние, при этом оценка технического состояния объекта в зависимости от его сложности может проводиться по одному или нескольким диагностическим параметрам, а если значения диагностических параметров объекта не поддаются непосредственному измерению, то их величины находят обработкой значений других параметров, связанных с искомыми известными функциональными зависимостями, например:

где L_x -искомая индуктивность катушки;
U_x - падение напряжения на катушке L_x, которое пропорционально контролируемой индуктивности;
U_ген - напряжение, выдаваемое генератором,
F_ген - частота, выдаваемая генератором.