Повышение надёжности приводных асинхронных машин на электроподвижном составе

Виктор [Viktor] Дмитриевич [D.] Тулупов [Tulupov]; Михаил [Mikhail] Александрович [A.] Слепцов [Sleptsov]; Александрс [Aleksandrs] Айнарович [A.] Бриедис [Briedis]

doi:10.24160/1993-6982-2021-5-92-102

Виктор [Viktor] Дмитриевич [D.] Тулупов [Tulupov]
Михаил [Mikhail] Александрович [A.] Слепцов [Sleptsov]
Александрс [Aleksandrs] Айнарович [A.] Бриедис [Briedis]

DOI: https://doi.org/10.24160/1993-6982-2021-5-92-102

Ключевые слова: тяговый привод, преобразователи частоты и напряжения, подшипниковый ток

Аннотация

Рассмотрена проблема выходов из строя тяговых машин на электроподвижном составе (ЭПС). При эксплуатации ЭПС с микропроцессорным управлением и применением электроприводов с полупроводниковыми преобразователями и асинхронными тяговыми машинами (АТМ) наблюдается сокращение срока службы подшипников с 2 млн км, заявленных производителем, до 200…600 тыс. км.

При исследовании подшипников выявлены следующие типы повреждений: матирование тел качения и дорожек внешнего и внутреннего кольца, рифление, деградация смазки. Проведённый анализ показывает, что в большинстве случаев причиной неисправности подшипников является протекание тока.

В основе подшипниковых токов лежат различные механизмы генерации, в работе предложена классификация и проанализированы возможные контуры протекания подшипниковых токов. Исходя из анализа литературных источников, приведены методы снижения подшипниковых токов, представлена оценка их эффективности.

Для повышения надёжности АТМ разработаны контрмеры против прохождения электрического тока через подшипники — метод плазменного напыления оксида алюминия на внешнее кольцо, изолирующего внешнее кольцо подшипника от корпуса и гибридные подшипники с керамическими телами качения.

Для выбора оптимального решения и определения разницы между концепцией изолирования внешнего кольца и гибридной концепцией проведены эксплуатационные испытания. Сделаны выводы о целесообразности применения гибридных подшипников с кольцами из подшипниковой стали и телами качения из подшипникового нитрида кремния (Si₃N₄).

Сведения об авторах

Виктор [Viktor] Дмитриевич [D.] Тулупов [Tulupov]

(22.02.1932 — 28.02.2021) — доктор технических наук, профессор кафедры электротехнических комплексов автономных объектов и электрического транспорта НИУ «МЭИ»

Михаил [Mikhail] Александрович [A.] Слепцов [Sleptsov]

кандидат технических наук, доцент, профессор

Александрс [Aleksandrs] Айнарович [A.] Бриедис [Briedis]

магистр техники и технологии по направлению «Электроэнергетика и электротехника», старший преподаватель кафедры электротехнических комплексов автономных объектов и электрического транспорта НИУ «МЭИ», главный специалист департамента технологического развития ООО «Торговый дом ЛокоТех», e-mail: aleksandrs_briedis@mail.ru

Литература

1. Busse D. e. a. Bearing Currents and Their Relationship to PWM Drives // IEEE Trans. Power Electronics. 1997. V. 12. Pp. 243—252.

2. Shaotang Chen, Lipo T.A., Fitzgerald D. Modeling of Motor Bearing Currents in PWM Inverter Drives // IEEE Trans. Industry Appl. 1996. V. 32. No. 6. Pp. 1365—1370.

3. Busse D., Erdman J.M., Kerkman R.J., Schlegel D.W., Skibinski G. The Effects of PWM Voltage Source Inverters on the Mechanical Perfomence of Rolling Bearings // IEEE Trans. Industry Appl. 1997. V. 33. No. 2. Pp. 567—576.

4. Mutze A. Bearing Currents in Inverter Fed AC-motors. Aachen: TU-Darmstadt, 2004.

5. Tischmacher H., Gattermann S. Bearing Currents in Converter Operation // Proc. XIX Intern. Conf. Electrical Machines. 2010. Pp. 1—8.

6. Tischmacher H., Gattermann S. Investigations on Bearing Currents in Converter-fed Electrical Motors // Proc. XX Intern. Conf. Electrical Machines. 2012. Pp. 1764—1770.

7. Тулупов В.Д., Слепцов М.А, Бриедис А.А. Методы повышения надёжности работы подшипниковых узлов в тяговых асинхронных машинах // Вестник МЭИ. 2021. № 2. С. 60—70.

8. ГОСТ IEC/TS 61800-8—2017. Электрические приводные системы с регулируемой скоростью. Ч. 8. Спецификация напряжения на силовом сопряжении

9. Kriese M., Wittek E., Gatterman S., Tischmacher H., Poll G. Prediction of Motor Bearing Currents for Converter Operation // Proc. XIX Intern. Conf. Electrical Machines. 2010. Pp. 1—6.

10. Mutze A., Oh H.W. Design Aspects of Conductive Microfiber Rings for Shaft-Grounding Purposes // IEEE Trans. Industry Appl. 2008. V. 44. No. 6. Pp. 1749—1757.

11. Kempski A., Smolenski R., Bojarski J. Statistical Model of Electrostatic Discharge Hazard in Bearing of Induction Motor Fed by Inverter // J. Electrostatics. 2005. V. 63. No. 6—10. Pp. 475—480.

12. Shaotang Chen, Lipo T. Circulating Type Motor Bearing Current in Inverter Drives // Industry Appl. Magazine. 1998. V. 4. Pp. 32—38.

13. Conraths H.J., Giessler F., Heining H.D. Shaft Voltage and Bearing Currents — New Phenomen in Inverter Drive Induction Machines // European Conf. Power Electronics and Appl. 1999.

14. Dahl D., Sosnowski D., Schlegel D., Kerkman R.J., Pennings M. Gear up Your Bearings // Industry Appl. Magazine. 2008. V. 14. Pp. 45—53.

---

Для цитирования: Тулупов В.Д., Слепцов М.А., Бриедис А.А. Повышение надёжности приводных асинхронных машин на электроподвижном составе. // Вестник МЭИ. 2021. № 5. С. 92—102. DOI: 10.24160/1993-6982-2021-5-92-102.

#

1. Busse D. e. a. Bearing Currents and Their Relationship to PWM Drives. IEEE Trans. Power Electronics. 1997;12:243—252.

2. Shaotang Chen, Lipo T.A., Fitzgerald D. Modeling of Motor Bearing Currents in PWM Inverter Drives. IEEE Trans. Industry Appl. 1996;32;6:1365—1370.

3. Busse D., Erdman J.M., Kerkman R.J., Schlegel D.W., Skibinski G. The Effects of PWM Voltage Source Inverters on the Mechanical Perfomence of Rolling Bearings. IEEE Trans. Industry Appl. 1997;33;2:567—576.

4. Mutze A. Bearing Currents in Inverter Fed AC-motors. Aachen: TU-Darmstadt, 2004.

5. Tischmacher H., Gattermann S. Bearing Currents in Converter Operation. Proc. XIX Intern. Conf. Electrical Machines. 2010:1—8.

6. Tischmacher H., Gattermann S. Investigations on Bearing Currents in Converter-fed Electrical Motors. Proc. XX Intern. Conf. Electrical Machines. 2012:1764—1770.

7. Tulupov V.D., Sleptsov M.A, Briedis A.A. Metody Povysheniya Nadezhnosti Raboty Podshipnikovykh Uzlov v Tyagovykh Asinkhronnykh Mashinakh. Vestnik MEI.2021;2:60—70. (in Russian).

8. GOST IEC/TS 61800-8—2017. Elektricheskie Privodnye Sistemy s Reguliruemoy Skorost'yu. Ch. 8. Spetsifikatsiya napryazheniya na Silovom Sopryazhenii. (in Russian).

9. Kriese M., Wittek E., Gatterman S., Tischmacher H., Poll G. Prediction of Motor Bearing Currents for Converter Operation. Proc. XIX Intern. Conf. Electrical Machines. 2010:1—6.

10. Mutze A., Oh H.W. Design Aspects of Conductive Microfiber Rings for Shaft-Grounding Purposes. IEEE Trans. Industry Appl. 2008;44;6:1749—1757.

11. Kempski A., Smolenski R., Bojarski J. Statistical Model of Electrostatic Discharge Hazard in Bearing of Induction Motor Fed by Inverter. J. Electrostatics. 2005;63;6—10:475—480.

12. Shaotang Chen, Lipo T. Circulating Type Motor Bearing Current in Inverter Drives. Industry Appl. Magazine. 1998;4:32—38.

13. Conraths H.J., Giessler F., Heining H.D. Shaft Voltage and Bearing Currents — New Phenomen in Inverter Drive Induction Machines. European Conf. Power Electronics and Appl. 1999.

14. Dahl D., Sosnowski D., Schlegel D., Kerkman R.J., Pennings M. Gear up Your Bearings. Industry Appl. Magazine. 2008;14:45—53

---

For citation: Tulupov V.D., Sleptsov M.A., Briedis A.A. Improving the Reliability of Traction Induction Motors Used in the Electric Rolling Stock. Bulletin of MPEI. 2021;5:92—102. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2021-5-92-102.