Под дефектом электрической машины, работающей в заданном режиме, с точки зрения диагностики, понимают такое отклонение её параметров от нормированных значений, которое немедленно или с течением времени может привести к полной или частичной утрате ее работоспособности. Достоверность оценки работоспособности электрической машины зависит от того, насколько полно контролируемые параметры отражают её техническое состояние. При этом число контролируемых параметров должно быть таким, чтобы с достаточной точностью определить техническое состояние электрической машины.
Выбор наиболее информативных и эффективных диагностических параметров является главной задачей при разработке средств диагностирования электрических машин.
В электромеханических системах получить точную математическую модель достаточно трудно, так как известные системы управлений в электрических машинах описывают в основном электромагнитные процессы, к тому же конструкция электрической машины закрыта и лишена прямого доступа к внутренним элементам. Поэтому непосредственному измерению поддаются такие параметры, как значения тока, напряжения, мощности, температуры и частоты вращения. Однако этих параметров недостаточно для диагностирования электрических машин, так как впроцессе работы появляются износы в подшипниках, в коллекторно-щёточном аппарате, происходит перегрев обмоток, что приводит к нарушению структуры машины.
Поэтому знание параметров основных электромагнитных процессов для диагностирования необходимо, но недостаточно. Следовательно, математическую модель, основанную на уравнениях электромагнитных процессов, необходимо дополнить уравнениями побочных процессов, что связано с определенными трудностями. Для предварительного выбора набора диагностических параметров пользуются методом причинно-следственных связей объекта, чтобы определить функциональные зависимости контрольных параметров от рабочих факторов. Например, перегрев обмотки якоря может быть причиной потери целостности изоляции проводников в пазу, вследствие чего возникает их вибрация. А это значит, что если на первом этапе диагностическим параметром может быть температура, то на втором – вибрация проводников, а на третьем – степень износа витковой изоляции.
При определении диагностических параметров на первом этапе схемы причинно-следственных связей машины выделяют основные элементы, исходя из их назначения и значимости. Для тягового двигателя основными элементами являются: якорь, коллекторно-щёточный аппарат, остов, подшипниковый щит, моторно-осевые подшипники и зубчатая передача.
Подробное разделение конструкции на отдельные элементы позволяет выделить на каждом из них характерные диагностические параметры и выявить между ними функциональные связи.
Кроме неисправностей основных элементов возможны и другие дефекты, характеризуемые отклонениями параметров от допустимых значений. Необходимо помнить, что одной неисправности соответствуют несколько признаков или одному признаку соответствует несколько неисправностей. Результаты анализа параметров показывают, что такие параметры, как ток, температура, вибрация и шум, с точки зрения диагностирования, неравноценны, так как параметр «температура», имеющий хорошую информативность, обладает инертностью, а потому должен заменяться другим, более быстродействующим.
Основными параметрами, характеризующими нормальную работу электрической машины и тягового двигателя являются: сопротивление изоляции, виброакустический сигнал, определяющий техническое состояние якорных и моторно-осевых подшипников и биение якоря, а также коммутационный сигнал, определяющий параметры работы коллектора и щёточного аппарата. Все эти параметры проверяются стационарными устройствами диагностирования, в состав которых входят: высоковольтная установка; виброакустическая установка для измерения вибрационных характеристик тяговых двигателей и электрических машин; устройства для определения параметров щёточного аппарата и параметров коммутации и коллектора.
От качества изоляции электрических машин зависит их безотказная работа в условиях эксплуатации, особенно в районах с влажным климатом и в периоды выпадения большого количества осадков. Прочность изоляции электрических машин является важным фактором для оценки надёжности локомотива. При анализе причин, которые способствовали выходу из строя электрических машин, необходимо учитывать и характер пробоя изоляции. Следует помнить, что пробой изоляции носит необратимый процесс, а наличие влаги в диэлектрике способствует увеличению его теплопроводности. Повышение электропроводимости, с одной стороны, способствует высыханию изоляции, а с другой – приводит к увеличению температуры, которая не успевает снижаться и является причиной теплового пробоя.
Процесс пробоя развивается в два этапа. На первом этапе нарушается стационарный режим работы изоляции, когда электропроводимость увеличивается до значения, соответствующего короткому замыканию.
На втором этапе происходит разрушение материала изоляции, характер которого определяется особенностями предыдущего цикла. На первом этапе образуется основной канал пробоя с высокой электропроводимостью, а на втором – фиксируется пробой, который завершает разрушение изоляции.
Изменение электрических параметров изоляции в процессе старения приводит к постепенным и внезапным отказам. В результате старения изоляции увеличиваются диэлектрические потери, уменьшаются её сопротивление, электрическая и механическая прочность. Поэтому основным, уязвимым параметром при контроле технического состояния изоляции является ток утечки и чем хуже состояние изоляции, тем больше ток утечки.
Основным критерием технического состояния коллекторно-щёточного узла является степень искрения под бегающими краями щёток, которая определяется в основном визуально.
Однако этот критерий субъективен и не всегда отражает подлинную картину. Более достоверным контролируемым параметром является значение электромагнитной энергии, выделяемой в зоне контакта коллектора со щёткой. Выделение энергии сопровождается искровым разрядом под щёткой, видимым или невидимым для глаз человека. Для снятия информации необходим датчик, реагирующий на магнитные колебания, возникающие в процессе искрения под щётками. Между значением искрового разряда и возникающими при этом магнитными колебаниями имеется пропорциональная зависимость.
Степень искрения во многом зависит от качества изготовления и настройки двигателя, состояния коллектора и щёток, нажатия щёток на коллектор, биения коллектора и коллекторных пластин и других факторов.
Поэтому магнитные колебания, возникающие в момент искрения, являются наиболее достоверными параметрами, характеризующими техническое состояние коллекторно-щёточного узла. Между тем большое количество влияющих факторов затрудняет определение конкретного места и узла с ухудшенными рабочими параметрами.