ОЦЕНКА НАДЁЖНОСТИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ ЭКСПЛУАТАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕГРЕССИОННОГО И КОРРЕЛЯЦИОННОГО АНАЛИЗА

АННОТАЦИЯ

Выполнен анализ и проведена оценка надёжности систем асинхронных электроприводов электровозов с трёхфазным асинхронным двигателем с использованием известных методов энерго-ресурсосбережения в режиме высокоскоростной перевозки пассажиров и грузов. Разработаны регрессионные и корреляционные модели расчета показателей надёжности в зависимости от выполнения технического обслуживания, позволяющих дать количественную оценку зависимости в работы системы электропривода электровозов.

ABSTRACT

The analysis was carried out and the reliability of the evaluation of systems of asynchronous electric drives of electric locomotives with a three-phase asynchronous motor was carried out using methods for studying energy saving in the mode of high-speed transportation of passengers and goods. Regression and correlation calculations of reliability indicators depending on the performance of maintenance have been developed, which make it possible to calculate the numerical dependence in the operation of the electric locomotive electric drive system.

Ключевые слова: управление электропривода, переменный ток, электровоз, техническое обслуживание, ремонт, регрессия, отказ.

Keywords: Electric drive control, alternating current, electric locomotive, maintenance, repair, regression, failure.

Введение. Современное эффективное управление любим технологическим процессом вождения электровозов переменного тока  невозможно без своевременного получения полной и достоверной информации о техническом состоянии его системы управления. Для получения такой информации используются показатели технического состояния силовых электрических цепей, систем управления и их диагностики. В процессе эксплуатации электрооборудования электровозов неминуемо возникают повреждения и их отказы. В системе электрооборудования электровозов переменнного тока  наиболее уязвимыми элементами являются управляемые асинхронные электроприводы, работящие в резко переменных технологических и климатических и режимов движения.

В настоящее время в АО «O‘zbekiston temir yo‘llari» эксплуатируются около 50 электровозов переменного тока следующих серий «O‘zbekiston», «O‘zY», «UzEL» и «UzELR» изготовленных китайской компанией ЧЖУЧЖО техническое обслуживание и ремонт которых производится в депо «O‘zbekiston». Первая партия этих электровозов была пущена в ход 2003 году.  Пробег каждого электровоза в настоящее время в среднем составляет более 1500 млн.км.

Период приработки указанных электровозов по электрическому оборудованию составлял 320-370 тыс. км пробега, интенсивность потока отказов которых превышал средний уровень 2-3 раза.

Основная часть. Анализ последних исследований. Основными причинами отказов асинхронного электроприводов электровозов переменного тока являются:

• низкое качество текущего ремонта и технического обслуживания и ремонта системы электропривода;
• нарушение режима управления электровозов машинистами;
• несвоевременная доставка запасных частей (модулей IGBT, микропроцессорных систем управления и пр.).
• нарушение воздушного и жидкостного охлаждения;
• резкое переключение режимов работы системы управления электроподвижного состава.

Таблица 1.

Данные отказов и повреждений функциональных звеньев асинхронного привода электровозов

Ниже приведены гистограмма и диаграмма удельных отказов функциональных звеньев (ФЗ) управляемого асинхронного электропривода.

а)

б)

Рисунок 1. Гистограмма а) и диаграмма б) удельных отказов функциональных звеньев систем управления электровозов серии «O‘zbekiston», «O‘zY», «UzEL» и «UzELR» с асинхронным приводом

При выходе из строя одного из функциональных звеньев (ФЗ) электропривода переменного тока: четырехквадратного преобразователя 4QS, емкостного фильтра (ЕФ), автономного инвертора напряжения (АИН), системы управления и встроенной диагностики а также тягового трехфазного асинхронного двигателя (ТАД)  режим работы которых осуществляется микропроцессорной системой управления вщзможны повреждения и отказы [1,2,9].

При частичном метрологическом отказе каждого ФЗ система сохраняет свою работоспособность, но это погрешность во многих случаев превышает предельное значение. Диагностирование полных отказов ФЗ осуществляется с помощью встроенных систем диагностирования средств измерения и контроллером машиниста.

В существующей системе диагностирования асинхронного электропривода частичный отказ не предусмотрен, поэтому актуальной задачей является создание системы диагностирования частичных отказов, независящую от типа существующих средств измерения [1,2]. В предлагаемой статье рассмотрены этапы создания регрессионной и корреляционной модели устройства управления электрического привода электровозов.

В настоящее время комплекс техническое обслуживание и ремонт (ТОР) электровозов переменного тока в депо «O‘zbekiston» представляют собой определенную систему профилактических и организационных воздействий на узлы и элементы ФЗ с целью обеспечения их работоспособности и назначенного ресурса.

Эксплуатация электровозов как восстанавливаемых объектов сопровождается двумя потоками событий – первое потоком отказов элементов ФЗ и второе потоком восстановления их работоспособности. При этом интенсивность потока восстановления должна быть не менее интенсивности потока отказов. [3,4,7,8].

Сущность установленной планово – предупредительной системы каждого этапа ТОР электровозов состоит в выполнении работ в соответствии со структурой цикла. При каждом этапе ТОР электропривода электровозов выполняются работы, предусмотренные нормативами и перечнем операции.

Анализ существующих исследований в сфере систем ТОР электропривода электровозов переменного тока в условиях депо «O’zbekiston» позволил сделать ряд обобщений и определений, необходимых для получения новых научных и практических решений [6]. С этой целью введём обобщенную характеристику состояния напряженности работы электропривода электровозов в маршруте – способностей и возможностей выполнять многоплановые функции в каждом ФЗ в пределах допускаемых отклонений по его соответствующему ресурсу. Ресурс электропривода электровоза – это есть функция его обобщенной характеристики, т.е. способностей и многокритериальных возможностей функционировать в условиях интенсивной выработки технического ресурса электрических соединений и электронных блоков регулировки.

Постановка задачи. Оценка наибольших потерь ресурсов системы управления при рабочих процессах в период пассажиро-грузонапряженных движений при аварийном выходе из строя электровоза и необходимости вывода его из установленного графика. Ресурсные возможности установок электроприводов электровозов, участвующих в процессе движения зависят от разнообразия, сложности и напряженности графика движения, что требует непременного применения методов и средств оптимизации периодичности системы ТОР с учётом результатов диагностирования [3,4].

Изложение основного материала исследований. Для оценки линейной регрессионной зависимости материала экспериментальных исследований рассмотрим данные из семи признаков, указанных в таблице №1. Соответствующих разным видам ФЗ. Анализ данных показывает, что наиболее результативными признаки являются по конденсаторному фильтру, АИН, конвертору 4QS и система существующего правления и диагностики. На основе этих данных составим общее линейное уравнение [5]: 

,                                (1)

Случайные величины  пронормируем в виде:

 ,                                                           (2)

где j=

В результате получим уравнение регрессии в стандартном масштабе:

,                                 (3)

где                                             (4)

                             (5)

Приведем (3) к виду:

                                      (6)

Для дальнейших расчетов составим корелляционную матрицу, используя Ecxel [8]:

                                   (7)

Для коэффициентов корреляции  определим наблюдаемые значения критерия на основе [5]:

                                              (8)

Учитывая (7) получим для каждого  соответственно результаты наблюдений [5]:

         3.50      2.82        3.87     1.39                                                             (9)

Табличное значение t – критерия Стьюдента на уровне значимости  и числа степеней свободы n-2=30-2=28 считаем равным 2,05. Следовательно коэффициенты корреляции   значимы на уровне . А коэффициенты корреляции  значимы на уровне 0.20.

Уравнение регрессии в стандартизированном масштабе учитывая (3), (4), (5) можно представить в виде:

                                (10)

или в виде:

                      (11)

Коэффициент множественной детерминации:

                                  (12)

Оказался равным . Это означает, что 67% колеблемости результативного признака (трудозатраты на техническое обслуживание и ремонт) объясняется за счет вариации линейной комбинации отказов в работе систем управления электроприводов, при данных значениях коэффициентов регрессии .

Известно [5], что величина (1-)=1-0.67=0.33 определяет долю результативного признака, связанную с изменением неучтённых факторов. Необходимо указать, что вклад каждого учтенного фактора  в общую величину признака  определяется в виде произведения  выраженного в процентах. Составим видоизменённую таблицу, на основе выше приведённой корреляционной матрицы взаимовлияния с учётом (9):

  ,

Из последних данных следует, что 23% изменение трудозатрат на ТОР связано с изменяемостью, т.е., величин отказов в работе асинхронного электропривода электровоза:

• 12 % с вариацией отказов автономного инвертора напряжения;
• 30% - с вариацией отказов в работе TAD;
• 2% - с вариацией отказов в работе 4QS.

Коэффициент скорректированной множественной корреляции составляет [5]:

                           (13)

Подставляя исходное данные в (13) получим:

=0.79                                  (14)

Далее определим обобщенный ресурс системы управляемого асинхронного электропривода с ТАD:

                                      (15)

Определим теперь роль коэффициентов в стандартизированном уравнении регрессии (10). Допустим что

Учитывая исходные данные и подставляя их в (10) получим:

                                    (16)

Анализ (16) показывает, что при увеличении среднего числа отказов в работе системе электропривода на величину  среднее значение трудозатрат на ТОР – 2 возрастает на 10,48 с учётом того, что значения остальных факторов будет зафиксированы на средних уровнях.

Рассмотрим теперь линейное уравнение (11) множественной регрессии и выясним роль коэффициентов в уравнении.

В уравнении (11) значения фактора  увеличим на  а значения остальных факторов оставляя их без изменения, получим:

   (17)

Разработанные регрессионные и корреляционные модели расчета позволяют дать количественную оценку зависимости объемов ТОР отказов в работе систем электропривода с ТАД и могут быть использоваться для разработки оптимальной системы ТОР в условиях текущей эксплуатации электровозов.

Выводы

Эксплуатация современных электровозов таких как «O’zbekiston», «O’z Y», «O’zEl» и «O’zELR» на железнодорожных линиях «O’zbekiston Temir Yo’llari» неоднозначны и весьма специфичны.

Работа с перевозками пассажирскими и тяжеловесных грузов производится на различных по своим характеристикам (длине, продольном и поперечным уклонам, радиусом кривых в плане и профиле, состоянию покрытия полотна пути, маршрутов, высоких динамических нагрузок на электровозы. Эти характеристики приводят к ухудшению их технического состояния и значительно отличаются от условий эксплуатации, предписанных заводом изготовителем.    Анализ регрессионных и корреляционных показателей дает основание считать, что в сложных и тяжёлых условиях эксплуатации электровозов в системе «O‘zbekiston temir yo‘llari» показатели изменения коэффициентов использования электровозов, вводимых в работу, характеризуется тремя этапами. На первом этапе (1-1,2 года) происходит значительное снижение коэффициента использования на втором этапе (2-5 года) коэффициент использования стабилизируется, на третьем он вновь снижается до уровня, когда на дальнейшая эксплуатация электровоза без капитальных ремонтов.

На основании вышеуказанных расчетов можно утверждать, что работоспособность электровозов в значительной мере определяется системой технического обслуживания и ремонта. При регламентированных сроках службы электровозов (20-30 лет) продление их работоспособности в значительной мере определяется применением современных систем мониторинга и технического обслуживания, включающим модифицированные встроенные устройства и математические и алгоритмические методы диагностирования, что и является приоритетной задачей этого направления.

Список литературы:

1. Плакс Д.В. Системы управления электрическим подвижным составом. – М.: Маршрут, 2005 – 360с.
2. Магистральные электровозы. Электрические аппараты, полупроводниковые преобразователи, системы управления/ Под ред. В.И. Бачарова, Б.А. Тушканова – М.: Электроатомиздат, 1994.-384 с.
3. Литовченко В.В. 4Q-S четырехквадратный преобразователь электровозов переменного тока. Известия вузов. Электромеханика. №3. 2000 с. 64-73.
4. Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Барац Е.И. Адаптивная система прямого управления моментом асинхронного двигателя// Электротехника. №11. 2008 с. 35-39.
5. Емец С.В., Морозов А.А. Корреляционный и регрессионный анализ в задачаз диагностирования метрологических отказов. – Уфа. Сборник трудов IX Всеросс. Н.-Т. Конференции. Том 2. С. 150-155.
6. Руководство по техническому обслуживанию и ремонту электровозов переменного тока. – Ташкент, 2013. с.191.
7. Сontrol system for a frequency synchronized asynchronous electric drive., academia. Edu/66647235/Cont.
8. Jianlin Zhu Jianlin Zhu Keyou Liu Yu Tu Yi Yuan. A Research for AC Drive System of Electric Locomotive. A Research for AC Drive System of Electric Locomotive (researchgate.net)