ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФЕКТИВНОСТИ ЗАМЕНЫ В СТРЕЛОЧНЫХ ПРИВОДАХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА НА УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ

Матвеева Ольга Леонидовна

студент 3 курса, специальности «автоматика и телемеханика на Транспорте» СТЖТ-филиал САМГУПС, г. Саратов

E-mail: 

Селиверов Денис Иванович

научный руководитель, заместитель директора по упр, СТЖТ-филиала САМГУПС, г. Саратов

E-mail: denis-selivjorv@rambler.ru

Электродвигатель — это устройство, в котором электрическая энергия преобразуется в механическую. На железных дорогах России электрические двигатели применяются в электроприводах, которые перемещают остряки стрелочного перевода из одного положения в другое, запирают остряки и крайнем положении, с их помощью получают непрерывный контроль фактического положения стрелки.

В настоящий момент при новом строительстве и модернизации существующих станций используют приводы с электродвигателями переменного тока. Их преимуществом являются высокая надежность и удобство в эксплуатации. Несмотря на это, большая часть переводов на сети железных дорог до сих пор оснащена двигателями постоянного тока. Также следует отметить, что на сортировочных горках в силу условий технологии работы внедрение двигателей переменного тока не возможно. В стрелочных электроприводах используются следующие виды электродвигателей постоянного тока: МСП-0,1, МСП-0,15, МСП-0,25 [6].

Электродвигатель типа МСП-0,1 предназначен для установки в электроприводах для перевода стрелок легких типов, но в новых разработках электродвигатели МСП-0,1 не применяются. Электродвигатели постоянного тока типа МСП-0,1 мощностью 0,1 квт имеют последовательное соединение обмоток, являются двухполюсными, реверсивными, с горизонтальным валом на подшипниках качения, изготовляются на номинальное напряжение 30, 100 и 160 в; имеют две обмотки возбуждения.

Рисунок 1. Электродвигатель типа МСП.

Электродвигатель типа МСП-0,15 мощностью 0,15 квт предназначен для установки в электроприводах для перевода стрелок тяжелых, а также обычных типов. С 1982 года электродвигатели выпускаются только на напряжение 160 в. [10]

Электродвигатель МСП-0,25 является неотъемлемой частью усовершенствований железнодорожного оснащения. Стрелочный электродвигатель постоянного тока типа МСП-0,25 представляет собой двухполюсной, реверсивный электродвигатель с горизонтальным валом на подшипниках. Его мощность составляет 0,25 квт. Применяется такой электродвигатель в двухпроводной схеме управления стрелкой, которая получила широкое распространение в системах электрической централизации с центральным питанием [12].

Первый опыт применения на отечественных железных дорогах электроприводов переменного тока в схеме управления стрелкой относится к 1952 году. Но в, то время на станциях отсутствовали надежные источники переменного тока, возникали сложности с резервированием питания. Кроме того, не были решены вопросы последовательного перевода стрелок, связанные с увеличением числа жил кабеля. Все это обусловило широкое распространение двухпроводной схемы управления стрелкой с двигателями постоянного тока в системах электрической централизации с центральным питанием.

Дальнейшее развитие железнодорожного транспорта, увеличение массы поездов и рост скоростей их движения привели к необходимости удлинения станционных путей и укладке тяжелых типов рельсов, в том числе и на стрелках. Возросшие тяговые усилия по переводу остряков потребовали применения более мощных электродвигателей стрелочных приводов, что связано с увеличением рабочего тока и необходимостью иметь в каждом проводе линейной цепи по две, три и более жил кабеля.

Улучшение условий энергоснабжения, недостатки двухпроводной схемы управления стрелкой с двигателями постоянного тока, современные методы и технологии обслуживания, положительный опыт эксплуатации приводов с двигателями переменного тока, особенно в суровых климатических условиях, позволили рекомендовать их к широкому внедрению на всей сети российских железных дорог.

Асинхронные электродвигатели трехфазного переменного тока имеют ряд преимуществ по сравнению электродвигателями постоянного тока с последовательным возбуждением, которые применяются в стрелочных приводах. Прежде всего, это отсутствие в асинхронных электродвигателях такого сложного и малонадежного узла, как коллектор, что значительно сокращает эксплуатационные расходы на текущее обслуживание и ремонт, а также исключает получение ложного контроля положения стрелки за счет выпрямительного эффекта дуги при искрении коллектора [7].

Межремонтный срок службы электродвигателей переменного тока в 3—4 раза больше по сравнению с двигателями постоянного тока. В настоящее время на железной дороге применяются электродвигатели переменного тока типа МСТ. К ним относятся такие электродвигатели, как МСТ-0,3; МСТ-0,за; МСТ-0,зб; МСТ-0,зв и МСТ-0,6; МСТ-0.6а.

Рисунок 2. Электродвигатель типа МСТ.

Асинхронные трехфазные электродвигатели типов МСТ-0,3, МСТ-0,за, МСТ-0,зб, МСТ-0,зв устанавливаются в электроприводах типа СП для перевода остряков тяжелых и обычных стрелок электрической централизации; типов МСТ-0,6, МСТ-0,6а устанавливаются в электроприводах типа СП для перевода остряков стрелок в маневровых районах [1, с. 10]. Для управления стрелочным электроприводом с двигателем переменного тока используется пятипроводная схема автоматики. Улучшение условий энергоснабжения, недостатки двухпроводной схемы управления стрелкой с двигателями постоянного тока, современные методы и технологии обслуживания, положительный опыт эксплуатации приводов с двигателями переменного тока, особенно в суровых климатических условиях, позволили рекомендовать пятипроводные схемы управления стрелкой к широкому внедрению на всей сети российских железных дорог [8].

Следует отметить, что коллекторные двигатели изобретены более 170 лет назад. По управляемости и энергоэкономичности они считаются лучшими, в особенности для электроприводов с регулированием скорости или положения. Их основной недостаток — ненадежный и быстро изнашивающийся щеточноколлекторный узел, вызывающий искрение и помехи, а в стрелочных электроприводах и ложный контроль положения остряков. Спустя 50 лет, как альтернатива коллекторному двигателю, появились асинхронные двигатели переменного тока, по сути бесконтактные, лишенные данного недостатка, но существенно ниже по энергетической эффективности и управляемости.

Наилучшими областями их применения являются длительно работающие нерегулируемые электроприводы с одной или двумя скоростями вращения, стабильность которых не имеет решающего значения (обычные вентиляторы, насосы, транспортеры и др.). Развитие электроники привело к появлению весьма сложных и дорогих асинхронных двигателей с частотным управлением, регулируемых по скорости. Но их динамические показатели, такие, как точность регулирования и быстродействие, не могут конкурировать с более простыми электроприводами постоянного тока аналогичного класса и стоимости. Общим недостатком коллекторных и асинхронных двигателей классической конструкции является то, что основная доля тепла в них выделяется в роторе, откуда, весьма затруднен теплоотвод. Это существенно снижает надежность, срок службы и увеличивает габариты этих двигателей.

Примером бесколлекторного электродвигателя является ДБУ — это перспективный электродвигатель для компактных, надежных, регулируемых приводов любого назначения с наибольшим сроком службы, в особенности в тяжелых условиях эксплуатации (мороз, тепло, влажность, вибрации и др.). Они не требуют обслуживания и регламентных работ [4, с. 10]

Электродвигатель ДБУ предназначен для применения в электроприводах стрелочных переводов СП-6, СП-6м, СП-6к и других электроприводах стрелочных переводов железных дорог.

Он разработан и изготовлен с использованием новейших материалов и современных технологий. ДБУ обладает рядом преимуществ по отношению к применяющимся в настоящее время коллекторным двигателям постоянного тока МСП-0,15, МСП-0,25, а именно:

Рисунок 3. Электродвигатель типа ДБУ.

·повышенная надежность двигателя за счет отсутствия коллекторного узла гарантия — 4 года;

·исключение возможности пробоя обмоток при климатических и механических воздействиях за счет оригинального конструктивного решения двигателя;

·защита двигателя при перегрузках посредством блока электронного управления двигателем; повышенная надежность стрелочного электропривода за счет исключения механического фрикциона, функции которого обеспечивает электронный блок управления двигателя;

·автоматическое выключение двигателя через (10 ± 2) с после включения; двукратное уменьшение массогабаритных характеристик (в сравнении с коллекторными двигателями);

·возможность планового пуска двигателя, исключение удара остряка о рамный рельс; двигатель может быть изготовлен как для работы в сетях как постоянного, так и переменного тока;

·блок управления двигателя обеспечивает самодиагностику и диагностику электропривода (без прокладки дополнительных проводов) [9].

В настоящее время проходит испытания «интеллектуальный» стрелочный электродвигатель ЭМСУ, имеющий электронное управление и работающий как от постоянного, так и от переменного тока. Он сможет заменить практически все типы стрелочных электродвигателей, выпускавшихся ранее.

На заводе изготовителе производится около 20 модификаций электродвигателей, что является невыгодным, так как под каждый нужна специфическая оснастка, которую должно поддерживать в работоспособном состоянии, даже если она используется всего несколько раз в год. Поэтому специалисты придумали универсальный двигатель, который, благодаря использованию электронной платы, может быть запрограммирован на разное число оборотов и разный вид напряжения. При этом сама механика для всех типов двигателей осталась единой [2].

Рисунок 4. Электродвигатель типа ЭМСУ.

Двигатель ЭМСУ разработан на базе вентильно-индукторного двигателя. ЭМСУ предназначен для эксплуатации на железнодорожном транспорте в составе стрелочных электроприводов. Мощностью 0,1 квт двигатель оснащён микропроцессорной системой управления, позволяющей ему быть универсальным по питающему напряжению и частоте вращения ротора.

Еще одно удобство при эксплуатации электродвигателя ЭМСУ — это настройка номинальной частоты вращения ротора, в зависимости от типа стрелочного перевода, которая может производиться как на заводе-изготовителе, так и в условиях эксплуатации от переносного пульта или ноутбука.

Работа ЭМСУ в стрелочных переводах осуществляться от серийных схем управления эц, не требует перерасчёта кабельных сетей и может работать как от постоянного тока, так и от переменного. Этот электродвигатель имеет стабильную скорость вращения и стабильное потребление тока, легко перепрограммируется. Универсальность ЭМСУ по питающему напряжению позволяет использовать его в двухпроводной схеме управления стрелкой взамен ненадежного электродвигателя постоянного тока серии МСП без изменения схем автоматики. Эта особенность значительно сокращает затраты на замену двигателей постоянного тока на ЭМСУ и что очень важно повышает уровень безопасности движения поездов на участках с двухпроводной схемой управления стрелками [11].

По предложению руководства саратовской дистанции сцб приволжской железной дороги проведено исследование сокращения эксплуатационных расходов от замены МСП на ЭМСУ для станции, техническая оснащенность которой составляет 21 централизованная стрелка.

В связи с заменой  электродвигателей постоянного тока типа МСП на ЭМСУ в стрелочных электроприводах исключается ряд периодических работ по техническому обслуживанию электродвигателей, что предусмотрено инструкцией по технической эксплуатации устройств и систем сигнализации, централизации и блокировки цш—720—09 [3].

Прежде всего, исключается работа, связанная с проверкой исправности электродвигателя, его коллектора и щеточного узла.

Сокращение трудозатрат при исключении данных работ составляет 10,2 чел./часа. При расчете данного показателя взяты за основу трудозатраты на одну стрелку тпк, связанные с проверкой исправности электродвигателя, его коллектора и щеточного узла; количество стрелок на станции nс; количество проверок в год nп.

топк = (тпк × nс) × nп = (0,12 × 21) × 4 = 10,2 чел./час

По графику технического процесса двигатели МСП подлежат периодической замене для комплексной проверки и ремонта в условиях специализированных мастерских, чего не требуется при эксплуатации двигателей ЭМСУ. В результате этого появляется еще ряд статей сокращения эксплуатационных расходов.

Сокращение трудозатрат на замену электродвигателей постоянного тока в действующих приводах составит 3,8 чел./часа. При расчете данного показателя учтены трудозатраты на замену одного электродвигателя постоянного тока тзд, количество стрелок на станции nс.

тозд = (тзд × nс) = 0,18 × 21 = 3,8 чел./час

При этом в результате исключения работ, связанных с ремонтом заменённых электродвигателей МСП в специализированных мастерских, появляется ещё сокращение трудозатрат. Общие трудозатраты на ремонт электродвигателей МСП в условиях специализированных мастерских составит 19,74 чел./часа. При расчете данного показателя взяты за основу трудозатраты на ремонт одного электродвигателя МСП в условиях специализированных мастерских тр , количество стрелок (электродвигателей) nс.

тор = тр × nс = 0,94 × 21 = 19,74 чел./час

Из графика технического процесса будет исключена работа по измерению в электродвигателях постоянного тока сопротивления обмоток, сопротивления изоляции токоведущих частей относительно корпуса. В результате сокращение трудозатрат составит 8,19 чел./часа. При расчете этого показателя взяты за основу трудозатраты на измерение в электродвигателе МСП сопротивления обмоток, сопротивление их изоляции относительно корпуса на один электродвигатель в год тиз, количество стрелок nс, количество проверок в год nп.

тоиз = (тиз×nс) ×nп =(0,39×21) ×1=8,19 чел./час

Экономия эксплуатационных расходов в год в результате сокращения трудозатрат на обслуживание и ремонт двигателей МСП в связи с заменой на эмсу составит 6289,5 руб. При расчете данного показателя э были суммированы все трудозатраты с учётом  стоимость одного часа работы электромеханика cэл.мех .

э = (топк + тозд + тоиз + тор) × cэл.мех = (10,2 + 3,8 + 8,19 + 19,74) × 150 = 6289,5 руб.

Общая экономия эксплуатационных расходов будет включать в себя так же исключение необходимости приобретать материалы и оборудование для  ремонта и эксплуатации электродвигателей постоянного тока МСП: коллекторных щёток, электролитических конденсаторов искрогашения щёточно-коллекторного узла.

Экономия эксплуатационных расходов в год эмб при сокращении расходов на приобретение материалов и оборудования для ремонта и эксплуатации электродвигателей постоянного тока МС составит 14910 руб. При расчете данного показателя взяты за основу стоимость щеток сщ для замены в 21-м электродвигателе МСП (42 щётки по 35 руб.). Стоимость электролитических конденсаторов ск, устанавливаемых в электроприводах для искорогашения  коллектора двигателя мсп (42 конденсатора по 329 руб.).

эмб = сщ + ск = 1470 + 13440 = 14910 руб.

Подводя итоги исследования, можно утверждать, что двигатель ЭМСУ является перспективным для применения в двухпроводной схеме управления стрелкой вместо двигателя МСП, так как предполагаемое сокращение общих эксплуатационных расходов на примере станции из 21 стрелки составит 21199,5 руб. в год.

Dэсокр = э + эмб = 6289,5 + 14910 = 21199,5 руб.

Более того, замена электродвигателей МСП на ЭМСУ без изменения схем автоматики будет способствовать повышению уровня безопасности движения поездов.

Список литературы.

1.Асинхронные электродвигатели трехфазного переменного тока [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://edu.dvgups.ru  (дата обращения 25.11.2012)

2.Инновации этз «ГЭКСАР» [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://www.saratovnews.ru (дата обращения 12.10.2012)

3.Инструкция по техническому обслуживанию устройств сигнализации, централизации и блокировки. ОАО «РЖД», цш—720—09.

4.Казиев Г.Д., Красногорова А.А. схема управления стрелкой с бесколлекорным управляемым электродвигателем // автоматика, связь, информатика. — 2007. — № 6.— с. 10—14.

5.Отраслевые нормы времени на техническое обслуживание устройств сигнализации, централизации и блокировки. Р-200 у. 2003 г.

6.Повышение надежности двигателей постоянного тока стрелочных электроприводов. [электронный ресурс] – Режим доступа. — URL: http: //jurnal.org (дата обращения 22.11.2012)

7.Принцип построения и особенности работы контрольной, управляющей и рабочей цепей пятипроводной схемы управления стрелочным электроприводом с двигателем переменного тока [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://edu.dvgups.ru (дата обращения 15.01.2013)

8.Пятипроводная схема управления стрелкой [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://edu.dvgups.ru (дата обращения 15.01.2013)

9.Электродвигатели для привода стрелочных переводов [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://www.etm.ru/ (дата обращения 22.11.2012)

10.Электродвигатели для стрелочных электроприводов и приводов автостопа [электронный ресурс] – Режим доступа. — URL: http://scbist.com/ (дата обращения 22.11.2012)

11.Электродвигатель малогабаритный стрелочный универсальный (ЭМСУ). Ту32 цш 162.22—2009 (черт. 22381—00—00) [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://geksar.ru/ (дата обращения 12.10.2012)

12.Электродвигатель мсп-0,25 [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http: //speztrade.ru (дата обращения 25.11.2012)