DIAGNOSTYKA UKŁADU PRZENIESIENIA MOMENTU TRAKCYJNEGO POCIĄGU SZYBKIEGO Z WYKORZYSTANIEM OBSERWATORÓW STANU

Transkrypt

1 DIAGNOSTYKA UKŁADU PRZENIESIENIA MOMENTU TRAKCYJNEGO POCIĄGU SZYBKIEGO Z WYKORZYSTANIEM OBSERWATORÓW STANU Jaoław Guzińki, Zbigniew Kzeminki, Akadiuz Lewicki, Politechnika Gdańka, Wydział Elektotechniki i Automatyki Ul. Nautowicza 11/1, Gdańk, Abtact - Fo afety tanpot all of the ail ytem hould be equipped with appopiate diagnotic tool. Mot of the diagnotic ytem ae equipped with additional eno fo afe opeation. With exta eno the vehicle become moe complicated fo maintenance. Typically, the taction moto ae equipped with peed eno. The eno fault ha ignificant influence on the pope woking of the whole tain ytem. Uually the ail vehicle i poweed by few moto and few patially independent dive, while diconnecting anyone of the moto influence the tain peed and conequently the tavel time. In the taction dive, it i poible to ue peed calculation intead of peed meauement. Uing calculated peed, it i poible to e.g. witch to the peed enole ytem in cae of peed eno fault. The peented application of the peed and load toque obeve i dedicated to the high peed tain. With the calculated peed, it i poible to e.g. witch to the peed enole ytem in cae of peed eno fault. The moto toque tanmiion i the coe ytem in taction dive. In the tanmiion ytem, the poblem may appea even in new tain a a eult of manufactuing o aembly eo. Afte an initial peiod, the poblem with the tanmiion may appea a a eult of weaing and mateial conumption. It caue gowing amplitude of ome fequencie. To identify the poblem elated to the tanmiion ytem, typically an analyi of the vibation, meaued by the acceleomete, ae done. Howeve, intead of the vibation meauement it i alo poible to ue the calculated load toque. To define the toque tanmiion fault citeia it i eential to build initially a data bae with load toque wavefom fo healthy and faulty mechanical ytem, and then to define fault citeia. The obeve ae popoed to be pat of the diagnotic ytem fo high peed tain with 1. MW thee-phae induction moto dive. The ued obeve tuctue wa explained and the model of the ytem a well the diagnotic ytem concept wa popoed. The appopiate diagnotic tuctue and citeia wee uggeted. The imulation and expeimental tet ae hown. The pepective of futue indutial implementation ae dicued. The popoed olution i a mall pat of the developed complex high peed tain pedictive maintenance ytem. Nowaday the ytem i unde implementation in high peed tain factoy. 1. Wtęp W nowoczenych układach napędowych zczególny nacik połoŝony jet na zapewnienie niezawodności pacy pzez wpowadzanie ytemów diagnotycznych [1], []. Sytemy takie, toowane ą m.in. w kolejnictwie [3], [4], opócz wykywania pojawiających ię uzkodzeń powinny mieć moŝliwość wykywania wcześniejzych ymptomów ozwijających ię uzkodzeń tak aby z wypzedzeniem pzewidzieć wytąpienie awaii układu. Najczęściej ytemy diagnotyczne wykozytują analizę ygnałów dodatkowych czujników intalowanych w ytemie takcyjnym np. czujniki dgań [5]. Nietety waz ze wzotem ilości czujników ytem takcyjny taje ię coaz badziej złoŝony co komplikuje i podaŝa kozty pzeglądów i emontów pociągu. Zatoowanie nowoczenej techniki mikopoceoowej pozwala jednak na ealizację ytemów diagnotycznych nie wymagających dodatkowych czujników. MoŜna wykozytać jedynie te czujniki, któe zaintalowane zotały wcześniej w pociągu do celów teowania napędem. Wymaga to jednak zatoowania odpowiednich algoytmów obliczeniowych [6], [7], [10]. WaŜnym elementem napędu jet układ tanmiji momentu takcyjnego z wału ilnika na oś napędową pojazdu [4]. Diagnotyka takiego układu odbywa ię najczęściej pzez analizę miezonych dgań ilnika i pzekładni [5] lub metody obliczeniowe [9]. W napędach takcyjnych toowane ą czujniki pędkości obotowej ilnika, wykozytywane w poceie teownia napędem. Pawidłowe działanie takich czujników ma ównieŝ znaczące znaczenie dla bezpieczeńtwa pociągu. W tym wypadku celowe jet ównieŝ zatoowanie nazędzi diagnotycznych. W niniejzej pacy zapezentowano ytem takcyjny, w któym do celów diagnotycznych zaimplementowano obewatoy pędkości obotowej i momentu obciąŝenia ilnika takcyjnego [9], [14]. Pzedtawione ozwiązanie jet częścią komplekowego ytemu diagnotycznego dla pociągu duŝych pędkości.. Sytem takcyjny pociągu zybkiego [9], [14] Poponowane ozwiązanie pzeznaczone jet dla elektycznego zybkiego zepołu takcyjnego (EZT). Zepół takcyjny (y.1) kłada ię z dwóch wagonów napędowo-teowniczych (WNS) oaz kilku wagonów 19

2 paaŝekich. KaŜdy WNS jet napędzany pzez cztey ilniki aynchoniczne klatkowe o mocach 1.MW zailanych z niezaleŝnych falowników napięcia. KaŜdy z ilników pzęŝony jet z oobnymi oiami napędowymi pzez złoŝony układ tanmiji momentu y.. Układ tanmiji momentu kłada ię z dwóch pzekładni zębatych oaz ytemu pzęgieł zapewniających kompenację zmian połoŝenia między wałem ilnika o oią napędową. W EZT kopu ilnika i piewza pzekładnia mocowane ą do amy wagonu, natomiat duga mocowana jet do amy wózka. Do napędu pociągu zatoowano ilniki aynchoniczne klatkowe o mocy 1.MW na napięcie 810V i pędkość makymalną 3973 ob/min. Pzy ilniku znajduje ię cyfowy czujnik pędkości obotowej. Makymalna pędkość ekploatacyjna EZT wynoi 30km/godz. Silnik zailany jet z tanzytoowego falownika napięcia o wejściowym napięciu tałym 1800V, dotaczanego z takcji elektycznej 5kV, 50Hz pzez tanfomato i tanzytoowy potownik teowany. Do kontolowania ilnika zatoowano algoytm teowania polowo zoientowanego. Stuktua układu egulacji pzedtawiona zotała na y. 3. ( i î ) ( b bf ) α + k3 ˆ ψ β ( Sb SbF ) ( ) β k3 ˆ ψ α Sb SbF dˆξ dτ = a ˆ ˆ 5ξ + a ˆ 6 ˆ ωi + j ˆ ωξ + jk4 (3) ds dτ = k S S (4) bf fo ksb ˆ ψ e ψ = (5) k S ˆ ψ b ( ˆ ξ ˆ ψ + ˆ ξ ˆ ψ ) ( ˆ ψ ˆ ψ ) ˆ ω = + (6) α α β β α β Ry.1 SzybkobieŜny zepół takcyjny Fig.1 Multiple unit high peed tain 5. Obliczanie pędkości ilnika napędowego pociągu W licznych pacach naukowych pezentowane ą metody obliczania pędkości obotowej ilnika aynchonicznego w czaie zeczywitym [6], [1], [13]. Najpopulaniejze ozwiązania bazują na znajomości modelu matematycznego ilnika wykozytując opacowaną pzez Luenbegea koncepcję obewatoa tanu [11]. Jedną z takich metod [1], chaakteyzującą ię wyoką pecyzją obliczeń i dobymi właściwościami dynamicznymi, wykozytano w poponowanym ytemie diagnotycznym [9]. Zatoowany obewato tanu umoŝliwia ównoczene obliczanie pędkości ω oaz tumienia magnetycznego ψ [1]: com dî dτ = a î + a ψˆ ja ˆξ + a u + k i î (1) ( ) dψ ˆ τ = ψ + î + ˆ d a5 ˆ a6 jξ + e ψ () Ry. Widok fagmentu wózka napędowego Fig. Pat of the diving bogie Ry.3 Stuktua układu teowania napędem EZT Fig.3 Aynchonou moto contol tuctue 0

3 gdzie: ^ oznacza wielkość obliczaną w obewatoze, i, u com ą wektoami miezonego pądu oaz zadanego napięcia, S b oaz S bf ą wewnętznymi zmiennymi obewatoa, a 1..a 6 to wpółczynniki modelu ilnika: a ( R L R L ) ( L ) 1 + m =, a R L ( L ) w σ = m w σ, a3 = Lm w σ, a4 = L wσ, wσ = L L L ; R, R, L, L, L m to paamety ilnika natomiat k 1, k, k 3, k 4, k fo ą tojonymi paametami obewatoa. Zmiezony pąd tojana i obliczony tumień winika ilnika pozwala na ównoczene obliczanie aktualnego momentu elektomagnetycznego ilnika [9]: Mˆ = ˆ ψ î ˆ ψ î (7) e α β β α 6. Obliczanie momentu obciąŝenia ilnika takcyjnego W celu diagnotyki układu tanmiji momentu takcyjnego wykozytano analizę momentu obciąŝenia ilnika [7], [8], [10]. W pezentowanym ozwiązaniu moment obciąŝenia ilnika jet obliczany pzy wykozytaniu odpowiedniego obewatoa tanu toowanego m.in. w układzie wykywającym poślizg kół pociągu [1], [3]. Obewato momentu obciąŝenia M 0 ilnika opiany jet układem ównań: (8) d z1 0 k1l z1 k1lklbj M k1l = + ωˆ + Mˆ dt z 1 k z k k J k Mˆ L 0 L M ωˆ ( ) e L 1L M m L = z k J (9) gdzie k 1L, k L ą tojonymi wzmocnieniami obewatoa, z 1, z ą wewnętznymi zmiennymi obewatoa, J M jet momentem bezwładności ilnika, M e jet momentem elektomagnetycznym ilnika obliczanym w obewatoze pędkości (7). Obewato momentu obciąŝenia nie wymaga czujnika pędkości obotowej. W zaleŝnościach (8) i (9) wykozytano pędkość obotową obliczoną pzez obewato pędkości (1)-(6). momentu Mˆ 0 uzykując dobą zgodność pzebiegów poza chwilą początkową, w któej ozpoczęto obliczenia obewatoa momentu. Stanowiko ekpeymentalne Badania ekpeymentalne pzepowadzono na tacjonanym tanowiku badawczym zeczywitego układu napędowego zybkiego EZT y. 6. Na tanowiku ekpeymentalnym pzepowadzono zeeg tetów pawdzając działanie obewatoów pzy óŝnych pędkościach napędu i óŝnym obciąŝeniu zaówno w tanach utalonych jak i pzejściowych. Badania ekpeymentalne obewatoa pędkości Na y. 7 i y. 8 pzedtawiono pzykładowe wyniki badań ekpeymentalnych obewatoa pędkości. W teście z y. 7 błąd obliczeń obewatoa pędkości nie pzekacza 1.5%. Na y. 8 moŝna zauwaŝyć wzot błędu obliczeń waz ze wzotem pędkości pociągu. Pzy pędkości 30 km/godz. chwilowa watość błędu obliczeń dochodzi do 5%. Wzot ten jet związany z odkztałceniami pądu zailania ilnika odbiegającymi znacząco od pzebiegów inuoidalnych. Waz ze wzotem pędkości ilnika zmniejzana jet czętotliwość pzełączeń tanzytoów ilnika od 450 Hz aŝ do pacy bez modulacji zeokości impulów pzy pełnej pędkości pociągu y Badania obewatoów Popawność działania obewatoów zweyfikowano dla napędu pociągu zybkiego o mocy 1.MW. Badania ymulacyjne Do ymulacji wykozytano pakiet Matlab/Simulink. Pzykładowe wyniki działania obewatoa pędkości pzedtawiono na y. 4, gdzie zadawane były zmiany momentu geneowanego pzez ilnik. W celu kócenia czau ymulacji pzyjęto zmniejzony moment bezwładności całego pociągu. Odpowiednio do geneowanego momentu pędkość ilnika ulegała zmianie powadząc do uzykania pzez cały pociąg pędkości km/godz. Uzykano popawne działanie obewatoa pędkości z błędem nie pzekaczającym %. Kolejne badania ymulacyjne, w któych wymuzano zmiany momentu obciąŝenia za pzekładnią napędu M 0 zad pzy ównoczenych zmianach pędkości obotowej ilnika, ównieŝ potwiedziły ównieŝ pawidłowość działania obewatoa momentu obciąŝenia y. 5,. Poównano zeczywity moment obciąŝenia na wale ilnika M 0 z momentem obliczonym w obewatoze Ry.4 Wyniki ymulacji obewatoa pędkości Fig.4 Speed obeve imulation eult Ry.5 Symulacja obewatoa momentu obciąŝenia Fig.5 Load toque obeve imulation eult

4 Ry.6 Stanowiko ekpeymentalne napędu EZT Fig.6 Expeimental tet bench Ry.7 Badania ekpeymentalne obewatoa pędkości zmiana pędkości km/godz. Fig.7 Expeimental eult the tain tat to 50km/h Ry.8 Badania ekpeymentalne obewatoa pędkości zmiana pędkości km/godz. Fig.8 Expeimental eult the tain tat to 30km/h Ry.9 Miezony pąd ilnika pzy pędkości 30km/godz. Fig.9 Moto upply cuent at 30 km/h Ry.10 Identyfikacja czętotliwości zazębienia pzekładni pzy pędkości około 50 km/godz Fig.10 Mehing fequency identification at 50 km/h Badania ekpeymentalne obewatoa momentu Zapezentowany obewato momentu obciąŝenia ma zotać zatoowany do wykywania uzkodzeń w mechanicznym układzie tanmiji momentu. Poównawcze badania ekpeymentalne powinny zotać pzepowadzone zaówno dla układu z popawnie działającym ytemem tanmiji momentu obciąŝenia jak i dla układu z oŝnymi uzkodzeniami. Z uwagi jednak na oganiczony dotęp do tanowika tetowego oaz badzo wyoki kozt badań nizczących pzekładnię w dotychczaowych badaniach wykonano tylko tety na jedynym itniejącym tanowiku badawczym, w któym pzekładnia nie miała uzkodzeń. Dotychcza pzepowadzone tety obewatoa momentu miały za zadanie pawdzenie czy obewato momentu obciąŝenia potafi odtwozyć moment na wale ilnika zgodny z momentem zmiezonym za pomocą zaintalowanego pecjalnie w tym celu czujnika momentu obciąŝenia. Pzepowadzone tety potwiedziły duŝą dokładność obewatoa momentu polegającą na tym, Ŝe pzy uŝyciu obewatoa momentu moŝliwe było wykycie np. czętotliwości zazębienia zębów pzekładni. Amplitudy dgań związanych z tą czętotliwości okazały ię być poza zakeem pomiaowym ytemu pomiaowego momentu obciąŝenia. Dokładność obliczeń obewatoa momentu pzekacza więc dokładność układu pomiaowego. Na y. 10 i y. 11 pzedtawiono pzykładowe wyniki badań ekpeymentalnych obewatoa momentu obciąŝenia.

5 Ry.11 Identyfikacja czętotliwości zazębienia pzekładni pzy pędkości około 150 km/godz Fig.11 Mehing fequency identification at 150 km/h Więkzą dokładność obliczeń uzykano dla niŝzej pędkości pociągu 50km/godz co, podobnie jak w pzypadku obewatoa pędkości, ma związek z pogazaniem ię kztałtu pądu waz z malejącą czętotliwością pzełączeń tanzytoów falownika. PowyŜej pędkości 150 km/godz obewato momentu nie był w tanie zidentyfikować czętotliwości zazębienia co pozwala pzypuzczać, Ŝe jego zatoowanie paktycznie oganiczone jet do pędkości mniejzych od 150 km/godz. Pomimo to obewato momentu nadaje ię do zatoowań diagnotycznych, gdyŝ w układzie zeczywitym nie mui pacować cały cza lecz np. jedynie pzy jeździe pociągu z małymi pędkościami. Powinno to umoŝliwić wykycie powoli ozwijających ię uzkodzeń układu pzenieienia napędu. Błędy montaŝowe układu tanmiyjnego, chaakteyzujące ię gwałtownymi uzkodzeniami, mogą być wykyte w czaie jazd tetowych pociągu odbywających ię początkowo z nikimi pędkościami. 8. Koncepcja ytemu diagnotycznego Ry.1 Wykycie uzkodzenia czujnika pędkości i pzełączenie na teowanie bezczujnikowe Fig.1 Speed eno fault identification and witch to peed enole contol Ry.13 Analiza hamonicznych momentu obciąŝenia Fig.13 Load toque hamonic analyi W tetach z y. 10 i y. 11 ilnik wiował ze tałymi pędkościami odpowiadającymi pędkościom pociągu 50km/godz. oaz 150 km/godz. Pzy kaŝdej z pędkości zmieniano obciąŝenie układu do poziomu około 5 %, 50 %, 75 %, 100 %. Natępnie pzepowadzono analizę hamonicznych obliczonego momentu obciąŝenia i pzedtawiono na yunkach poziomy amplitud odpowiadających czętotliwościom zazębienia. Zaobewowano, zgodny z teoią, wzot amplitud waz ze wzotem obciąŝenia układu. Sytem diagnotyczny jet obecnie na etapie pac zmiezających do okeślenia kyteiów diagnotycznych. ZałoŜono, ze ytem diagnotyczny nie będzie wykozytywał Ŝadnych dodatkowych czujników. Główny element ytemu diagnotycznego tanowią obewatoy pędkości obotowej oaz momentu obciąŝenia ilnika. Aby diagnozować tan czujnika pędkości oaz układu pzenieienia napędu obliczane w obewatoach wielkości będą poddane analizie w ytemie diagnotycznym, któy na podtawie zdefiniowanych kyteiów oceni tan układu i wykyje uzkodzenia oaz dokona ich pedykcji. Diagnotyka czujnika pędkości Diagnotyka czujnika pędkości polega na pawdzaniu, w czaie zeczywitym, kyteium diagnotycznego: ˆ ω ω > E (0) lim it gdzie E limit oznacza dopuzczalny błąd między miezoną a obliczaną pędkością ilnika. W tetowanym ozwiązaniu pzyjęto poziom dopuzczalnego błędu E limit =3%.. Poziom ten utalono tak aby był więkzy od zaobewowanego w badaniach % błędu obliczeń obewatoa pędkości. Jeśli ytem diagnotyczny wykyje pzekoczenie dopuzczalne watości E limit ytem powinien zaygnalizować uzkodzenie i np. pzełączyć teowanie ilnikiem na tzw. teowanie bezczujnikowe - y.1. Diagnotyka układu tanmiji momentu takcyjnego Układ diagnotyczny układu tanmiji momentu takcyjnego będzie wykozytywał analizę hamonicznych obliczonego momentu obciąŝenia ilnika y. 13. Poponowaną tuktuę układu pzedtawiono na y. 14. Sytem diagnotyczny układu tanmiyjnego podzielony jet na dwie części: on-line oaz off-line y. 14. Sytem on-line łuŝy do wykycia powaŝnych uzkodzeń chaakteyzujących ię gwałtownym wzotem wybanych amplitud hamonicznych. Sytem off-line łuŝy do pzewidywania powoli naatających uzkodzeń. 3

6 Ry.14 Sytem diagnotyczny układu tanmiyjnego Fig.14 Tanmiion ytem diagnotic ytem 10. WdoŜenie ytemu diagnotycznego Badania potwiedziły pzydatność zapoponowanych obewatoów do celów diagnotycznych. Sytem jet obecnie w takcie pac wdoŝeniowych dla zeczywitych, jeŝdŝących po liniach kolejowych, zybkich EZT. Zgodnie z wymaganiami poducenta EZT opacowywany jet ytem mikopoceoowy DSP, któy będzie początkowo pacował w układzie otwatym, łuŝąc do gomadzenia zaejetowanych watości pędkości i momentu obciąŝenia tak aby w takcie późniejzej analizy zdefiniować kyteia diagnotyczne. Sytem DSP będzie komunikował ię z itniejącym ytemem teowania EZT pzez intefej komunikacyjny ieci pzemyłowej otzymując niezbędne do obliczeń dane pomiaowe i ygnały zadane układu teowania. Równocześnie ejetowane będą wzelkie infomacje o tanie pzekładni otzymywane z zakładu zajmującego ię kontolą i napawą zybkich EZT. UmoŜliwi to pzygotowanie niezbędnej bazy danych o uzkodzeniach ytemu. Natępnie układ DSP włączony zotanie w zamknięty układ teowania EZT. Równocześnie powadzone ą pace wpowadzenia pezentowanej koncepcji ytemu diagnotycznego w napędzie najnowzych zybkich EZT, w któych zatoowano ilniki ynchoniczne z magneami twałymi o mocy 700kW. Podobnie jak w pzedtawionym ozwiązaniu dla EZT 1.MW wykozytany zotanie ten am obewato momentu obciąŝenia. Zmianie ulegnie natomiat obewato pędkości obotowej ilnika [13]. Liteatua [1] K. Ohnihi, M. Shibata, T. Muakami - Motion contol fo advanced mechatonic, IEEE/ASME Tanaction on Mechatonic, vol. 1, no. 1, pp , [] C. T Kowalki Monitoowanie i diagnotyka uzkodzeń ilników indukcyjnych wykozytaniem ieci neuonowych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wocławkiej, Wocław 005. [3] S. Kadowaki, K. Ohihi, T. Hata, N. Iida, M. Takagi, T. Sano, and S. Yaukawa - Antilip eadheion contol baed on peed-enole vecto contol and ditubance obeve fo electic commute tain eie of the Eat Japan Railway Company, IEEE Tanaction on Indutial Electonic, vol. 4, no. 4, pp , Augut, 007. [4] J. Madej Mechanika tanmiji momentu takcyjnego. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wazawkiej, Wazawa 000. [5] T. Kuchaki Sytem pomiau dgań mechanicznych. Wydawnictwo Naukowo- Techniczne, Wazawa 00. [6] Z. Kzemińki - Senole contol of the induction moto baed on new obeve. Intenational Confeence on Powe Electonic, Intelligent Motion and Powe Quality, PCIM 000, Noymbega, Niemcy, 000. [7] L. Vedma, A. Andeon - A method to detemine dynamic load on pu gea teeth and on beaing. Jounal of Sound and Vibation. no. 67, 003. [8] C. D. Begg, T. Mede, C. Byington, K. Maynad - Dynamic modelling fo mechanical fault diagnotic and pognotic.mechanical Sytem Modeling fo Failue Diagnoi and Pognoi, Maintenance and Reliability Confeence, MARCON 99, Gatlinbug, Tenneee, [9] J. Guzinki, M. Diguet, Z. Kzeminki, A. Lewicki, H. Abu-Rub - Application of Speed and Load Toque Obeve in High Speed Tain. 13th Intenational Powe Eleconic and Motion Contol Confeence EPE-PEMC 008, Poznań. [10] M. S. Tondo - Minimizing electomechanical ocillation in the dive with eilient coupling by mean of tate and ditubance obeve. Euopean Powe Electonic Confeence, EPE1993, Bighton, Wielka Bytania, [11] D. G. Luenbege - An intoduction to obeve, IEEE Tanaction on Automatic Contol, vol. AC- 16, no., [1] Z. Kzemińki - Obeve of induction moto peed baed on exact ditubance model. Int. Conf. EPE- PEMC 008, Poznań, 008. [13] K. Zawiki, K. Ubańki Roto Speed and Poition Detection fo PMSM Contol Sytem. 9th Int. Conf. on Powe Electonic and Motion Contol, EPE-PEMC 000, 5-7 Septembe 000, Kozyce, Słowacja. [14] J. Guzinki, M. Diguet, Z. Kzeminki, A. Lewicki, H. Abu-Rub - Application of Speed and Load Toque Obeve in High Speed Tain Dive fo Diagnotic Pupoe, IEEE Tan. on Indutial Electonic, vol. 56, no. 1, Januay 009. Paca zotała częściowo finanowana pzez Minitetwo Nauki i Szkolnictwa WyŜzego w amach pojektu badawczego n N /3050 oaz ze śodków na naukę w latach jako pojekt badawczy n N N