[07-2011] Режимы работы и диагностики вспомогательных машин электровозов переменного тока

[Admin]

Режимы работы и диагностики вспомогательных машин электровозов переменного тока

Система вспомогательных машин (ВМ) является одной из важнейших, обеспечивающих нормальное функционирование тягового оборудования электровозов. На электровозах переменного тока 2ЭС5К, ЗЭС5К для привода вентиляторов и компрессоров используют трехфазные асинхронные двигатели (380 В, 55 кВт, 113 А, 1500 об/мин), питающиеся от однофазной сети по конденсаторной схеме (см. рисунок). Вследствие напряженных условий эксплуатации двигателей необходимо контролировать работу ВМ, оперативно отключая их в случае аварии.

Наиболее просто следить за ними по фазным токам двигателя, как это принято для асинхронных двигателей общепромышленного применения. Однако в случае электровозных ВМ задача отделения нормальных режимов от аварийных осложняется. Это обусловлено большим разнообразием условий, в которых работают ВМ: колебания напряжения в контактной сети, изменение температуры окружающей среды, изменение нагрузки на валу, емкости конденсаторной батареи в системе и др.

Рассмотрим токовые нагрузки и напряжения на двигателе в системе ВМ в зависимости от условий эксплуатации и режимов работы.

ВАЖНЕЙШИЕ УСЛОВИЯ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ТОКОВЫЕ НАГРУЗКИ ДВИГАТЕЛЯ, РАБОТАЮЩЕГО В КАЧЕСТВЕ ПРИВОДА ВЕНТИЛЯТОРА

Уровень напряжения в контактной сети (19 — 29 кВ, табл. 1). Из табл. 1 видно, что при любых напряжениях в контактной сети токи в фазах двигателя несимметричны. Наибольшие токовая нагрузка и несимметрия имеют место при пониженном напряжении в сети.

Температура окружающей среды (табл. 2). Как следует из этих данных, снижение температуры окружающего воздуха увеличивает токовую нагрузку двигателя.

Величина рабочей емкости конденсаторной батареи. Конденсаторные батареи включены на фазы С2, СЗ всех двигателей системы ВМ, т.е. емкость влияет на все ВМ. В табл. 3 приведены данные о влиянии емкости для случая одиночной работы двигателя. Они показывают, что снижение величины емкости конденсаторной батареи увеличивает токовую нагрузку двигателя и ухудшает симметрию токов.

Вообще, при повышенных нагрузках двигателя, низких температурах и напряжении в контактной сети, отсутствии в системе ВМ расщепителя фаз требуется большая емкость конденсаторной батареи. Сейчас чаще всего в качестве рабочей для двигателя НВА-55 выбирают емкость 726 мкФ (полторы конденсаторные банки типа КПС-0,5-3802).

В эксплуатации отмечается постепенное снижение емкости вплоть до значений ниже допустимых. Поэтому необходимо периодически контролировать емкость конденсаторных батарей, например, методом, описанным в статье «Диагностика состояния ротора вспомогательных машин» (см. «Локомотив» № 5, 2011 г.)

Высшие гармонические составляющие в питающем напряжении ВМ. Вследствие все более широкого использования управляемых полупроводниковых приборов (транзисторов IGBT, управляемых полупроводниковых мостов и др.) в контактной сети появляются высшие гармоники напряжения. Обычно наибольшая по величине — третья гармоника с частотой 150 Гц, которая в токе 1з достигает 80 — 90 % от первой гармоники с частотой 50 Гц. Высшие гармоники искажают и увеличивают токи двигателя, ухудшают моментную характеристику двигателя и вызывают дополнительные вибрацию и шум ВМ на электровозах.

Пусковые режимы. Характер переходных режимов в системе ВМ сильно влияет на токовые нагрузки и надежность ВМ. Важнейший из переходных режимов — пуск ВМ. Условия для пуска двигателя усложняются при низких окружающей температуре, напряжении в контактной сети и малых значениях емкости. Менее напряженным является одиночный пуск двигателя, когда он следует после полного запуска предыдущего двигателя. Групповые пуски ВМ недопустимы. Они могут приводить к выплавлению обмотки ротора или выгоранию обмотки статора. Причины — значительное увеличение продолжительности пуска, снижение напряжения на обмотке собственных нужд и резкое ухудшение симметрии трехфазного напряжения в системе.

ВАЖНЕЙШИЕ АВАРИЙНЫЕ РЕЖИМЫ ДВИГАТЕЛЯ

Обрыв питания одной из фаз двигателя. Если трехфазный асинхронный двигатель отключен, то запустить его при обрыве любой из фаз невозможно. При подаче напряжения на оставшиеся две фазы он не раскручивается и входит в режим короткого замыкания. Если двигатель не отключила защита, значит, через 20 — 30 с он выйдет из строя из-за перегрева обмоток. Однако если двигатель запущен, то при обрыве одной из фаз он будет продолжать работать, но с перегрузкой по току.

Рассмотрим такие режимы.

Обрыв фазы СЗ (табл. 4). Очевидно, что в этом режиме величина емкости не влияет на токовую нагрузку двигателя. Токи li = I2 возрастают на 60 — 80 % по сравнению с теми, что протекали до обрыва фазы СЗ.

Обрыв фазы 02 (табл. 5). Режим обрыва фазы 02 наиболее опасен для двигателя из-за повышенного тока в фазах 01 и 03. Прежде всего это относится к повышенному напряжению в контактной сети и увеличенной емкости конденсаторной батареи. Ток в двух фазах увеличивается в 3 раза, а нагрев может возрасти в 9 раз, что неминуемо вызовет перегрев и выход из строя изоляции обмотки статора и расплавление обмотки ротора.

В данном режиме возрастают линейные напряжения на обмотках двигателя, достигая недопустимых значений (равные или больше 860 В), что опасно для их витковой изоляции. Парадокс в том, что в режиме резонанса напряжений двигатель продолжает нести номинальную нагрузку на валу (33 кВт).

При меньших напряжениях в контактной сети (25 — 19 кВ), емкостях и обрыве фазы 02 двигатель переходит в режим холостого хода (мотор-вентилятор) или короткого замыкания (мотор-компрессор).

Остановка двигателя в режиме короткого замыкания (ротор двигателя не вращается). При внезапном разрушении подшипников двигателя или заклинивании приводного механизма (вентилятор, компрессор) возникает аварийный режим короткого замыкания. Токовые нагрузки двигателя при этом увеличиваются, отличаясь в зависимости от схемы его включения и величины емкости. Приведем некоторые ситуации.

Остановка двигателя при нормальной схеме включения (табл. 6).

Остановка двигателя при обрыве фазы С 3 (табл. 7).

Остановка двигателя при обрыве фазы С 2 (табл. 8).

Данные в табл. 1 — 8 свидетельствуют о разнообразии токовых нагрузок двигателей системы вспомогательного привода в различных режимах. Однако в эксплуатации разброс нагрузок двигателя еще больше, учитывая всевозможные сочетания напряжений, температур, аварийных ситуаций и др. При таком разнообразии нагрузок эффективно защищать двигатели от перегрузок с помощью токовых реле сложно. Действительно, при номинальном токе двигателя НВА-55, равном 113 А, возможны аварийные режимы двигателя при меньших токах (см. табл. 8, С = 726 мкФ) и нормальные эксплуатационные режимы при больших токах (см. табл. 1, Ukc = 19 кВ).

В настоящее время уже применяется так называемая интеллектуальная защита асинхронных двигателей. Суть ее в том, что в непрерывном режиме измеряются фазные токи и линейные напряжения двигателя. Данные передаются на бортовой компьютер, который анализирует полученную информацию. По заложенным критериям он принимает решение о продолжении работы двигателя, если тот исправен, или об отключении, если сам двигатель или схема его питания неисправна. Такая защита защищает двигатели, но и позволяет диагностировать систему в целом. Разработка компьютерной программы диагностики представляет отдельную задачу. Она обязательно должна основываться на экспериментальных данных, приведенных в данной статье.

В заключение следует отметить, что приведенные данные о нормальных и аварийных режимах работы вспомогательных асинхронных двигателей на электровозах переменного тока позволяют распознать: исправны ли двигатель и схема его питания, а также определить возможные неисправности двигателей, не доводя их до аварийного состояния. В случае же аварии — быстро определить причину повреждения. Из-за разнообразия режимов работы ВМ целесообразно использовать «интеллектуальную» защиту с применением бортовых компьютеров.

Канд. техн. наук Ю.А. ФЕДЮКОВ, инженеры Е.А. МАРЧЕНКО, С.В. ФОШКИНА, ОАО «ВЭлНИИ»

[СЦБот]

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin