авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Усовершенствованный тяговый электропривод магистральных электровозов постоянного тока для эксплуатации на участках с трудным профилем

На правах рукописи

БАРАНОВ ВАЛЕРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД МАГИСТРАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА ДЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА УЧАСТКАХ С ТРУДНЫМ ПРОФИЛЕМ 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Петербургский государственный университет путей сообщения” доктор технических наук, профессор

Научный консультант:

Мазнев Александр Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Щербаков Виктор Гаврилович кандидат технических наук, доцент Хоменко Борис Иванович Федеральное государственное бюджетное

Ведущая организация:

образовательное учреждение высшего профессионального образования “Уральский государственный университет путей сообщения” (г. Екатеринбург)

Защита диссертации состоится 17 февраля 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)” в 107 ауд.

главного корпуса по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской области, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования “Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)”.

Автореферат диссертации размещен на официальном сайте ВАК www.ed.gov.ru и ФГБОУ ВПО ЮРГТУ(НПИ) www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан: 13 января 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета П.Г. Колпахчьян

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Промышленный железнодорожный транспорт вы полняет перевозки грузов на территории предприятий и осуществляет доставку сырья от места его добычи к местам переработки. Развернутая протяженность его путей составляет 71% длины линий общего пользования, а выполняемый объем перевозок почти в 3 раза превышает этот показатель.

Работа промышленного транспорта характеризуется более тяжелыми экс плуатационными условиями. Его особенностью является низкая, по сравнению с магистральным, скорость движения, в основном не превышающая 40–50 км/ч.

Поезда при этом имеют большую массу, часто близкую к нормам магистраль ных железных дорог. В качестве тягового подвижного состава используются тяговые агрегаты (ОПЭ1, ПЭ2М, НП1), тепловозы, электровозы отечественного (ВЛ41, НПМ2), и зарубежного производства (серии EL).

На сегодняшний день используемые на промышленном железнодорожном транспорте технические средства морально устарели, практически полностью выработали свой эксплуатационный ресурс и нуждаются в замене. Поэтому при значительных эксплуатационных расстояниях и достаточно больших объемах перевозок возникла необходимость применения в качестве тягового подвижно го состава магистральных локомотивов, которые не приспособлены для непо средственной эксплуатации в условиях промышленного транспорта, т.к. имеют малую осевую нагрузку 23 – 25 тс/ось и достаточно высокую расчетную ско рость движения (около 50 км/ч). В результате, использование для тяги поездов магистральных электровозов постоянного тока сопровождается неполным ис пользованием мощности их тяговых двигателей. Указанные особенности этих локомотивов являются основой проблемы, связанной с необходимостью реали зации максимальной силы тяги при пониженной скорости. Таким образом, можно сделать вывод, что характеристики тяговых двигателей магистральных электровозов постоянного тока не соответствуют условиям и режимам их рабо ты на промышленном железнодорожном транспорте.

Кроме этого на магистральных линиях железных дорог существуют участ ки с трудным профилем, наличие которых приводит к снижению величины унифицированной массы поезда на направлении. Ее увеличение при одиночной тяге и отсутствии подталкивания возможно только за счет улучшения тяговых свойств эксплуатируемых локомотивов.

Цель работы состоит в улучшении тяговых свойств магистральных элек тровозов постоянного тока в условиях работы на промышленных предприятиях, а также на участках железных дорог с трудным профилем за счет регулирования жесткости их характеристик.

Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:

определены факторы, влияющие на реализацию электровозом максимальной силы тяги в условиях ограниченной скорости движения;

выполнен анализ существующих способов питания обмоток возбуждения тя говых двигателей и оценено их влияние на характеристики локомотива;

для усиления возбуждения разработан способ использования суммы токов якорей смежных параллельных ветвей;

выполнен расчет тяговых характеристик электровоза при регулировании тока возбуждения статическим преобразователем;

проанализировано влияние разных способов регулирования возбуждения тя говых двигателей на работу электрооборудования локомотива;

выполнены экспериментальные исследования на лабораторном стенде, со стоящем из двух тяговых двигателей мощностью 55 кВт и маховика;



проведены эксплуатационные испытания опытного электровоза ВЛ10У– при следовании с поездами на участках ОАО “Апатит”.

Методика исследований. Для решения указанных задач использовались методы теории электрических цепей и машин, локомотивной тяги, а также ма тематическое моделирование.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основе обзора существующих способов и систем усиления возбуждения тяговых двигателей предложено техническое решение, обеспечивающее реа лизацию указанного режима без использования дополнительных источников питания;

2. Разработаны и обоснованы схемотехнические решения, позволяющие осуще ствлять управление жесткостью тяговых характеристик электровоза, а также определена область их эффективного использования;

3. Выявлены факторы, влияющие на эффективность использования магистраль ных электровозов постоянного тока в условиях работы на промышленных предприятиях, а также на участках железных дорог с тяжелым профилем;

4. Разработана математическая модель, позволяющая исследовать установив шиеся и нестационарные режимы в силовой цепи опытного электровоза, вы званные изменением величины питающего напряжения (в т.ч. полным его прекращением) и перегруппировкой двигателей при разных способах их воз буждения;

5. Предложена методика определения величины пульсаций тока якорей тяговых двигателей в режиме усиленного возбуждения при импульсном регулирова нии сопротивления шунтирующей цепи;

6. Оценена эффективность предложенных рекомендаций по устранению разно сти токов параллельных ветвей групп якорей тяговых двигателей за счет регу лирования возбуждения и величины сопротивления стабилизирующих резисторов.

Практическая ценность работы. Результаты работы могут быть исполь зованы при создании и модернизации эксплуатируемых магистральных элек тровозов постоянного тока. По результатам математического моделирования даны рекомендации по улучшению качества переходных процессов в силовой цепи электровоза.

К защите представляются следующие основные положения:

Способ и схемотехнические решения, позволяющие реализовать режим уси ленного возбуждения без применения дополнительного источника энергии и осуществлять поддержание заданного тока возбуждения;

Результаты теоретических и экспериментальных исследований эффективно сти применения режима усиленного возбуждения тяговых двигателей магист ральных электровозов постоянного тока с целью улучшения их тяговых свойств;

Методика определения величины пульсаций тока якорей тяговых двигателей в режиме усиленного возбуждения при импульсном регулировании;

Рекомендации по улучшению качества переходных процессов в силовой цепи электровоза при работе в режиме усиленного возбуждения.

Использование результатов диссертационной работы. Результаты рабо ты использованы при модернизации магистральных электровозов ВЛ10У, экс плуатируемых в ОАО “Апатит”. Разработанные схемо-технические решения позволили увеличить массу поезда на 8–10%, увеличить провозную способ ность, что в результате позволяет уменьшить эксплуатационные расходы на пе ревозочный процесс.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры “Электрическая тяга” ПГУПС (г. Санкт Петербург), на научно-техническом семинаре кафедры “Электрическая тяга” УрГУПС (г. Екатеринбург), расширенном заседании кафедры “Электрический транспорт” ЮРГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск), на научно-технических конфе ренциях ПГУПС “Неделя науки–2006” и “Неделя науки–2008”, на заседании научно-технического совета ОАО “ВЭлНИИ” (г. Новочеркасск).

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 12 печатных ра бот общим объемом 5,5 п.л., в том числе 5 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК. По теме работы получено 4 патента на полезные модели.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ Диссертация включает в себя введение, четыре главы, заключение, список литературы из 87 наименований, содержит 137 страниц, 80 рисунков, 5 таблиц, 5 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформу лирована цель исследований, представлена их научная новизна и практическая значимость, а также определены методы ее достижения. Сформулированы ос новные положения, выносимые на защиту.





В первой главе приведен обзор существующих в настоящее время спосо бов улучшения тяговых характеристик электровозов, рассмотрены достоинства и недостатки каждого из них. Отмечено, что основным недостатком электрово зов постоянного тока является наличие лишь трех ступеней регулирования пи тающего тяговые двигатели напряжения, определяемых их способом соедине ния. Поэтому для улучшения тяговых свойств этих локомотивов единственным путем является регулирование возбуждения и управление жесткостью тяговых характеристик.

Вопросами улучшения тяговых свойств электровозов занимались многие отечественные ученые. Большой вклад в решение вопросов улучшения тяговых свойств электровозов внесли А.Е. Алексеев, А.Т. Головатый, П.И. Гордиенко, Е.В. Горчаков, В.А. Графов, С.О. Григорян, А.М. Дядьков, В.И. Зонов, И.П. Исаев, А.Н. Карасев, В.А. Кучумов, А.Л. Лисицын, А.Л. Лозановский, Н.Н. Меншутин, Д.К. Минов, Л.И. Монахов, Л.А. Мугинштейн, О.А. Некрасов, Б.Д. Никифоров, А.В. Плакс, А.Е. Пыров, Н.Н. Сидоров, Б.Н. Тихменев, Л.М. Трахтман, В.Д. Тулупов, В.А. Усов, Г.В. Фаминский, Б.И. Хоменко, В.Г. Щербаков, В.П. Янов и другие.

Анализ выполненных разработок, состояния развития современной преоб разовательной техники и ее элементной базы, методов исследований, возмож ностей измерительной техники показал возможность дальнейшего совершенст вования технических характеристик эксплуатируемого ЭПС.

Установлено, что все известные способы управления жесткостью тяговых характеристик локомотива обладают одним существенным недостатком– обя зательным наличием дополнительного источника энергии для питания обмоток главных полюсов, существенно снижающего надежность системы регулирова ния и повышающего ее стоимость. Кроме того, увеличение жесткости тяговых характеристик способствует повышению неравномерности распределения силы тяги по осям локомотива. Рассмотрены существующие варианты ликвидации указанных недостатков, в том числе за счет применения статических преобра зователей.

При использовании последовательно-независимого возбуждения тяговых двигателей требуется дополнительная подпитка обмоток главных полюсов от внешнего источника, в качестве которого могут быть использованы электро машинные или статические преобразователи. Электромашинный преобразова тель имеет высокую стоимость изготовления, трудоемок в обслуживании и ре монте, требует регулярной замены комплектующих, является дополнительным источником шума. Статический преобразователь, питающий обмотки возбуж дения непосредственно от контактной сети, имеет низкие энергетические ха рактеристики повышает риск электрического пробоя изоляции обмотки. Кроме того, питание обмотки возбуждения импульсами с малой продолжительностью и значительными паузами между ними вызывает значительные пульсации тока возбуждения и магнитного потока двигателя, что отрицательно сказывается на процессе коммутации.

Во второй главе исследованы возможности, а также определены эффек тивность и особенности применения режима усиленного возбуждения тяговых двигателей. Для исключения указанных в первой главе недостатков предложен способ подпитки обмоток возбуждения током якорей смежной параллельной группы тяговых двигателей, не требующий дополнительного источника. На рис.1 приведена упрощенная схема секции восьмиосного электровоза с после довательным соединением обмо ток возбуждения обеих групп тя говых двигателей при параллель ном соединении групп обмоток якорей.

Для регулирования тока воз буждения параллельно обмоткам Рис.1–Усиление возбуждения током якорей главных полюсов подключена шунтирующая цепь, состоящая из резисторов и индуктивных шунтов (рис. 1).

Максимальная величина коэффициента регулирования возбуждения реа лизуется при отключении шунтирующей цепи и определяется:

I В 2I Я 2, (1) IЯ IЯ где IВ – ток возбуждения, А, IЯ – ток якоря, А.

Скорость движения электровоза V, км/ч, при последовательно параллельном (СП) и параллельном (П) соединениях двигателей:

U I Я m RЯ I В 2m RОВ V, (2) m СФ где U – напряжение контактной сети, В;

RЯ – сопротивление цепи якоря, состоящей из якорной, компенсационной и об моток дополнительных полюсов, включенных последовательно, Ом;

RОВ – сопротивление обмотки возбуждения, Ом;

m – число последовательно соединенных групп якорей, состоящих из двух об моток якорей, соединенных последовательно.

На рис. 2 при ведена тяговая ха рактеристика опыт ного электровоза ВЛ10У полученная расчетным путем для различных зна чений коэффициен та регулирования возбуждения. Кро ме ограничения по сцеплению, на ха рактеристике нане сено ограничение Рис. 2–Тяговая характеристика опытного электровоза ВЛ10У-580 по максимальному току возбуждения, которое для тягового двигателя ТЛ–2К1. Максимальное зна чение тока возбуждения 700 А выбрано с учетом наибольшего превышения температуры обмотки его главных полюсов над температурой охлаждающего воздуха (для класса изоляции В не более 130С), а также насыщения магнитной цепи. Приведенные на рис. 2 характеристики подтверждают возможность рас ширения диапазона регулирования силы тяги электровоза на ходовых позициях СП и П соединений тяговых двигателей. Изменяя коэффициент возбуждения, можно получить более широкие регулировочные возможности и добиться уменьшения интервала между ходовыми позициями.

Ступенчатое уменьшение тока возбуждения приводит к значитель ному увеличению тока якоря, что способствует срыву сцепления. По этому предлагается использовать импульсный преобразователь, осу ществляющий плавное регулирова ние сопротивления шунтирующей Рис. 3–Импульсное регулирование цепи (рис.3). Для защиты двигателей сопротивления шунтирующей цепи от повреждений при переходных процессах, вызванных отрывами токоприемника, последовательно включен за щитный тиристор VS2.

Сопротивление шунтирующей цепи RШ при непроводящем состоянии пре образователя VS определяется максимальным коэффициентом возбуждения.

Его значение в этом случае принято равным 1,8:

max RОВ. (3) RШ 2 max Минимальный коэффициент возбуждения определяется максимальным то ком якоря при минимальном токе возбуждения, когда коэффициент заполнения импульсного цикла преобразователя равен единице. В этом случае сопротив ление шунтирующей цепи RШ будет определяться величиной сопротивления ре зистора R2.

Для поддержания заданной величины тока возбуждения необходимо по мере изменения тока якоря регулировать коэффициент заполнения. Мини мальное значение тока якоря, IЯmin, А, определяющее момент включения преоб разователя в работу, зависит от величины максимального коэффициента возбу ждения и при выбранных значениях тока возбуждения составит:

IВ I Я min. (4) Коэффициент заполнения импульсного цикла зависит от суммы токов якорей обеих групп тяговых двигателей. Зависимость =f(IЯ) является регули ровочной характеристикой.

Коэффициент регулирования возбуждения зависит от коэффициента за полнения и определяется выражением:

2( R 1 R 2 R 1) IВ 2RШ. (5) I Я R Ш 4 R В R 1 R 2 R 1 4 R В Одновременно значение коэффициента заполнения импульсного цикла, определяющее величину коэффициента регулирования возбуждения, зависит от тока якоря.

Для определения этой зависимости необходимо в (5) выразить коэффици ент через ток якоря при постоянном значении тока возбуждения:

=f(IЯ), IB=const.

Тогда:

2I Я ( R 1 R 2) I В ( R 1 R 2 4RВ ) (6) R 1(2I Я I В ) На рис. 4 приведе ны зависимости ко эффициентов за полнения и воз буждения от тока якоря при заданных значениях тока возбуждения 500 А, 600 А, 700 А. Пре образователь по зволяет поддержи вать ток возбужде ния на заданном уровне во всем диапазоне измене Рис. 4–Регулировочная характеристика преобразователя ния его коэффици ента заполнения.

На рис. 5 представ лена тяговая харак теристика электро воза ВЛ10У при постоянном токе возбуждения. Для сравнения допол нительно нанесены штатные характе ристики при после довательном воз буждении тяговых двигателей (СПшт и Пшт).

Рис. 5–Тяговая характеристика электровозов ВЛ10 и ВЛ10У при постоянном токе возбуждения В процессе импульсного регулирования сопротивления шунтирующей це пи при помощи статического преобразователя происходит ступенчатое измене ние ее величины. При этом возникают пульсации тока якоря. В соответствии с Нормами безопасности на железнодорожном транспорте НБЖТ ЦТ 04-98 мак симальное эффективное значение мешающего тока не должно превышать 0,2 А.

Суммарную величину пульсаций тока якоря IЯ, А, можно определить, пользу ясь выражением:

U (1 ), (7) I Я fLЯ где LЯ – индуктивность цепи якорей, Гн;

U – падение напряжения на обмотках якорей, не превышающее при макси мальном токе 100В;

f – частота регулирования, Гц.

Из выражения (7) следует, что наибольшие пульсации имеют место при коэффициенте заполнения импульсного цикла, равном 0,5 (рис. 6). В то же вре мя, при поддержании тока возбуждения постоянным, коэффициент зависит от тока якоря (6) (рис. 4). На рис. 7 представлены результаты расчета амплитуды пульсаций тока якоря при постоянном токе возбуждения и частоте регулирова ния 400 Гц.

Рис. 6–Амплитуда пульсаций суммарного Рис. 7–Огибающие пульсаций суммарного тока якорей при частоте 400 Гц тока якорей С целью устранения влияния импульсного преобразователя на рельсовые цепи требуется обязательная установка входного фильтра.

Увеличение жесткости тяговых характеристик двигателей способствует повышению неравномерности распределения тока по параллельным ветвям. С целью ее уменьшения необходимо включение в цепь якорей стабилизирующих резисторов (рис. 8). Другим способом является раздельное регулирование воз буждения, для чего параллельно обмоткам главных полюсов каждой группы тя говых двигателей должен быть подключен отдельный регулятор, а между шун тирующей цепью и цепью возбуждения включены два встречно-параллельных ключевых элемента (рис. 9). Регулирование возбуждения отличается экономич ностью, простотой и эффективностью.

Рис. 8 –Регулирование сопротивления Рис.9–Схема раздельного регулирования стабилизирующих резисторов возбуждения При импульсном регулировании напряжения возможно использо вание двухфазной системы. На рис. 10 изображена двухфазная (mф=2) схема импульсного регули рования напряжения с последова тельным соединением всех обмо ток возбуждения ТЭД 1–4, якоря Рис. 10 – Выравнивание токов якорей при по которых включены попарно мощи раздельного регулирования параллельно и образуют совмест но с обмотками возбуждения две фазы.

Если принять, что для уменьшения пульсаций магнитного потока ТЭД об мотки возбуждения шунтируются резистором, то можно считать ток возбужде ния величиной постоянной и не учитывать индуктивность обмоток возбужде ния. В этом случае максимальный размах пульсаций потребляемого тока в од нофазной системе регулирования будет в 1,4 раза больше, чем в двухфазной.

Включение в цепь якорей стабилизирующих резисторов вызывает допол нительные потери и приводит к снижению энергоэффективности предложенно го схемного решения. Однако при работе двухфазной схемы импульсного регу лирования напряжения возникают значительно большие пульсации потреб ляемого тока, что требует установки более мощного входного фильтра и, сле довательно, увеличению его массо-габаритных показателей и стоимости.

В третьей главе приведены результаты исследований режимов работы тя говых двигателей при различных способах возбуждения с использованием ме тодов математического моделирования, необходимость выполнения которого объясняется требованием обязательной проверки отсутствия режимов, способ ных повредить электрооборудование локомотива.

Тяговые двигатели работают в чрезвычайно напряженных условиях. Отка зы по причине нарушения коммутации, возникновения кругового огня и пере броса электрической дуги на корпус достигают 80–85% всех неисправностей.

Особенностью их работы является непостоянство питающего напряжения, объ ясняемое изменением нагрузки на тяговую сеть в данной фидерной зоне и дос тигающее нескольких сотен вольт, а также его кратковременные отключения, вызванные отрывом токоприемника от контактной сети или образованием на ней гололеда. При длительных (более 1–2 с) нарушениях контакта между токо приемником и контактным проводом происходит полное размагничивание маг нитной системы тяговых двигателей. Особенно опасным является снятие на пряжения из-за короткого замыкания в системе электроснабжения или на дру гом ЭПС, находящимся в данной фидерной зоне. В этом случае тяговые двига тели могут кратковременно перейти в генераторный режим. Ток якоря ввиду малого сопротивления цепи может существенно превышать максимально до пустимый, вызвать появление кругового огня на коллекторе и, как следствие, повреждение двигателя.

Таким образом, необходимо осуществить анализ работы тягового электро привода в следующих нестационарных режимах:

восстановление питания после его полного прекращения при различной дли тельности паузы;

снятие напряжения в контактной сети в результате возникновения короткого замыкания в системе тягового электроснабжения или ЭПС, находящемся в той же фидерной зоне;

изменения величины напряжения, вызванные перегруппировкой тяговых двигателей.

Электромагнитные про цессы в силовых цепях тягового электропривода электровоза описываются системой диффе ренциальных уравнений, со ставленной на основании рас четной схемы, приведенной на Рис.11–Расчетная схема силовой цепи при рис. 11.

П соединении тяговых двигателей di di dФ U КС 2i Я ( RЯ RКС ) 2( LЯ LКС ) Я iB 4 RB 4 LB B 2CV V (Ф1 Ф2 ) 4 pWB ;

dt dt dt i 4 R 4 L diB 4 pW dФ 2 L d (2i Я iB ) 2 R (2i i );

B B B B Ш Ш Я B dt dt dt (8) dФ T1 Ф1 0,66 f (iB );

dt dФ T2 dt Ф2 0,34 f (iB );

Ф Ф1 Ф 2.

Решение системы уравнений (8) выполнено с использованием пакета MATLAB 6.5 методом Рунге-Кутта. На рис. 12 приведены результаты моделиро вания процесса восстановления питания тяговых двигателей при их параллель ном соединении и токе якоря 530 А после полного его прекращения длительно стью 0,3 с в режимах последовательного и усиленного возбуждения. Для срав нения на рис. 13 приведены огибающие величины броска тока якоря в зависи мости от длительности полного прекращения питания. На всех графиках пунк тиром обозначен режим последовательного возбуждения тяговых двигателей.

Равенство токов якоря при разных способах возбуждения обеспечивается раз ной величиной задаваемой в модели скорости: 43км/ч при усиленном, и 48,5км/ч – при последовательном возбуждении.

Рис.12–Результаты моделирования Рис. 13–Зависимость броска тока якоря от прекращения питания длительности прекращения питания Как следует из представлен ного рисунка, в режиме усилен ного возбуждения бросок тока якоря после возобновления пита ния меньше, чем при последова тельном возбуждении, что объ ясняется меньшей интенсивно стью размагничивания тягового двигателя. Ее можно оценить косвенно по уменьшению проти воЭДС двигателя (рис. 14).

Особую сложность пред ставляет процесс перегруппиров Рис. 14–Результаты моделирования процесса ки тяговых двигателей. Его дли размагничивания групп тяговых двигателей тельность определяется време нем поворота вала группового переключателя и составляет 1–2,5 с.

На рис. 15 приведены ре зультаты моделирования обрат ного перехода П – СП при ско рости 48 км/ч, из которых следу ет, что в режиме усиленного возбуждения ток якоря умень шается до нуля, а ток шунти Рис. 15–Результаты процесса моделирования перегруппировки тяговых двигателей П-СП рующей цепи меняет свое на правление. Это явление возника ет в результате постоянного шунтирования обмоток возбуждения. В результате после того, как группы двигателей оказываются соединенными последователь но и суммарная противоЭДС превышает напряжение контактной сети, проис ходит уменьшение тока якоря до нуля. Кратковременному возникновению ге нераторного режима препятствует диод, включаемый последовательно в цепь на переходной позиции Х4 (рис. 16).

Ток возбуждения при этом плавно снижается, замыкаясь через шунти рующую обмотки главных полюсов цепь. Магнитный поток двигателей демпфируют вихревые токи в остовах.

Его уменьшение происходит значи тельно медленнее, чем в индуктивных шунтах, имеющих шихтованный маг нитопровод. После размагничивания магнитной системы двигателей и уменьшения суммарной противоЭДС ниже уровня напряжения контактной Рис.16–Упрощенная схема силовой цепи сети вновь появляется ток якорей.

электровоза при перегруппировке П-СП Для уменьшения величины перенапря жений необходимо увеличить интенсивность размагничивания двигателей, ис ключив возможность замыкания “демпфирующего” контура, образованного це пями возбуждения и шунтиро вания. С этой целью рекоменду ется включение в последнюю диода (рис. 17). В результате анализа полученных в ходе мо делирования результатов можно сделать вывод об отсутствии факторов, ухудшающих условия Рис. 17–Увеличение интенсивности размагничи работы тяговых двигателей в вания двигателей при перегруппировке П-СП режиме усиленного возбужде ния током якорей.

Величина длительного и часового токов тяговых машин, используемых на электровозах постоянного тока, не превышает 400 А и 500 А соответственно.

При усиленном возбуждении ток обмоток главных полюсов превышает ток якоря и может достигать величины 700–750 А. Увеличение мощности потерь в обмотке возбуждения приведет к ее более интенсивному нагреву при прочих равных условиях. В настоящее время отсутствует надежная изоляция электри ческих машин класса H. Поэтому при эксплуатации данный режим должен иметь ограничения.

Правилами тяговых расчетов при аналитическом способе рекомендуется следующая формула определения температуры перегрева обмоток двигателя:

t t (1 ), (9) T T где – превышение температуры при длительном выделении тепла С;

– начальное превышение для расчетного промежутка времени С;

t – интервал времени, мин.;

Т – постоянная времени нагревания, мин.

Обмотка главных полюсов тягового двигателя ТЛ–2К1 имеет изоляцию класса В. Расчет теплового режима работы двигателя выполнен по нагреву об моток главных полюсов с использованием опытных кривых нагревания охлаждения (рис. 18).

Результаты расчета теплового режима, выполненного аналитическим ме Рис. 18–Кривые нагревания и охлаждения тягового двигателя ТЛ-2К а – обмотка якоря, б – обмотка возбуждения тодом с использованием опытных кривых, подтверждают отсутствие превыше ния температуры обмотки возбуждения над температурой окружающего возду ха, средняя температура которого в летнее время не превышает плюс 20 С, при следовании опытного электровоза по участку, выше установленной нормы.

В четвертой главе приведены результаты исследований режима усилен ного возбуждения двигателей током якорей на физической модели и опытном электровозе ВЛ10У–580 в ОАО “Апатит”.

Испытания электровоза проводились в летнее и зимнее время на участках ОАО “Апатит” при следовании с поездами установленных весовых норм и ре зервом. Поезд состоял из 25 шестиосных думпкаров грузоподъемностью 105 т, имеющих тару 50 т. Во время испытаний установленная масса поезда 3900 т была дополнительно увеличена на 300 т. Испытания проводились на участке, имеющем протяженность 40 км и характеризующемся крутыми подъемами ве личиной до 20‰ (скоростные подъемы отсутствуют). Установленная скорость составляет 40 км/ч. Без подталкивающего локомотива или кратной тяги с поез дами данной весовой нормы могут эксплуатироваться лишь электровозы ВЛ15А.

При следовании по затяжным подъемам с использованием параллельного соединения тяговых двигателей в неблагоприятных погодных условиях созда вались предпосылки для срыва сцепления. В результате имело место переме жающееся боксование, которое не переходило в разносное и легко ликвидиро валось подачей песка или кратковременным переходом на высшие реостатные позиции. При последовательно-параллельном соединении двигателей и коэф фициенте регулирования возбуждения 1,3 установившаяся скорость движения по подъему крутизной 10‰ составляла 25 км/ч при наибольшем значении тока якоря 550 А.

Для регистрации величин токов и напряжений во время опытных поездок использовались: датчики тока типа LT500S, датчики напряжения типа LV100, портативный персональный компьютер с шиной расширения PCIMCA, плата ввода-вывода DAQCard-2600 фирмы National Instruments.

Представленная на рис. 19а осциллограмма иллюстрирует процесс боксо вания колесных пар обеих тележек секции электровоза, вызванный увеличени ем тока якоря после вывода элемента пускового резистора. В результате увели чения частоты вращения потерявших сцепление колесных пар происходит уменьшение тока якоря. Однако за счет повышенной жесткости характеристики значительного увеличения их частоты вращения не наблюдается. Пользуясь скоростной характеристикой при боксовании можно определить увеличение скорости, которое не превышает 7–8 км/ч, что способствует восстановлению сцепления. Боксование прекратилось после ввода секции пускового резистора, а его длительность составила 3,5 с.

На рис. 19б зафиксировано проскальзывание колесных пар одной из теле жек электровоза. В результате параллельного соединения обмоток якорей меж ду собой уменьшение тока в одной из групп двигателей вызывает его увеличе ние в смежной с ней. При этом в результате разности противоЭДС возникает уравнительный ток, который направлен встречно с направлением протекания тока якоря боксующей группы и согласно – с реализующей силу тяги. Умень шение тока якоря боксующей группы двигателей при ограничении частоты вращения колесных пар способствует восстановлению их сцепления. Длитель ность процесса составила приблизительно 0,01 с.

а б Рис. 19–Осциллограммы токов силовой цепи при боксовании Приведенные осциллограммы подтверждают отсутствие развития боксо вания до стадии разносного. Ток якоря уменьшается незначительно, в результа те чего электровоз не теряет силу тяги.

Сравнение результатов, полученных при моделировании электромагнит ных процессов в силовой цепи опытного электровоза (рис. 14, 15), с результа тами его испытаний (рис. 20, 21) позволяют сделать вывод об адекватности мо дели.

Необходимо особо отметить, что при следовании поезда массой 4200 т по подъему крутизной 10‰ с равномерной скоростью 40 км/ч возникали кратко временные перегрузки тяговых двигателей (ток якоря достигал 600 А в течение 1–2 мин.). В этом случае электровозом при коэффициенте регулирования воз буждения 1,3 реализовывался максимальный коэффициент тяги, представляю щий собой отношение развиваемой силы тяги к сцепному весу, равный 0,28. По сравнению с расчетным режимом последовательного возбуждения это соответ ствует его увеличению на 10–11%.

Рис. 20–Осциллограмма процесса пере- Рис. 21–Осциллограмма процесса размаг группировок П-СП при усиленном возбу- ничивания группы двигателей при уси ленном возбуждении ждении двигателей Таким образом, эксплуатационные испытания опытного электровоза со схемой усиленного возбуждения тяговых двигателей током якорей подтвердили возможность увеличения его силы тяги и улучшение противобоксовочных свойств.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследова ний позволили сделать следующие выводы:

1. Установлено, что усиление возбуждения током якорей дает возможность реализовывать тяговые характеристики, идентичные характеристикам тяго вых двигателей при последовательно-независимом и независимом возбуж дении;

2. Опытным путем подтверждено увеличение до 15–17% развиваемой элек тровозом силы тяги при улучшении его противобоксовочных свойств за счет повышения жесткости тяговых характеристик;

3. Получено значение реализуемого опытным электровозом коэффициента тя ги, которое составило 0,28, что по сравнению с расчетным режимом после довательного возбуждения выше на 10–11%;

4. Предложено для уменьшения разности токов двух параллельных ветвей об моток якорей включение в их цепь стабилизирующих резисторов, раздель ное по группам регулирование тока возбуждения, импульсное регулирова ние напряжения каждой группы тяговых двигателей в отдельности;

5. Определена амплитуда пульсаций тока в цепи якорей при импульсном регу лировании сопротивления резистора шунтирующей обмотки возбуждения цепи с частотой 400 Гц, которая не превышает 20 А, что, по сравнению с системой импульсного регулирования напряжения, существенно улучшает массо-габаритные показатели входного фильтра и снижает его стоимость;

6. Показано, что продолжительность работы электровоза в режиме усиленного возбуждения тяговых двигателей ограничивается нагревом обмоток глав ных полюсов и может составлять не более 25–30 мин. в зависимости от нагрузки.

Основные положения диссертации опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Баранов В.А. Использование магистральных электровозов постоянного тока в условиях горных предприятий // Горное оборудование и электромеханика, 2010, №11. с. 9–13.

2. Баранов В.А. Совершенствование электрооборудования электропоездов с коллекторным тяговым приводом // Вестник ВЭлНИИ: науч. изд. / ОАО «Всерос. н.-и. и проектно-конструк. ин-т. электровозостроения» (ОАО «ВЭлНИИ»).– Новочеркасск, 2010. - №2 (60). с. 147-154.

3. Баранов В.А., Мазнев А.С. Импульсное регулирование в цепях тяговых дви гателей при последовательно-независимом возбуждении // Электроника и электрооборудование транспорта, 2011, №2-3. с. 37–40.

4. Мазнев А.С., Калинин М.В., Калинина А.А., Баранов В.А. Расчет пульсаций тока тяговых двигателей при последовательно-независимом возбуждении в многофазной схеме импульсного регулирования напряжения // Электроника и электрооборудование транспорта, 2011, №5-6. с. 40–42.

в других научных изданиях:

1. Баранов В.А. Математическое моделирование электромагнитных процессов в силовой цепи электровоза постоянного тока при последовательно независимом возбуждении тяговых двигателей // Вестник ВНИИЖТ, 2009, №2. c. 43–47.

2. Баранов В.А. Последовательно-независимое возбуждение тяговых двигате лей магистральных электровозов постоянного тока // Вестник ВЭлНИИ: на уч. изд. / ОАО «Всерос. н.-и. и проектно-конструк. ин-т. электровозострое ния» (ОАО «ВЭлНИИ»).– Новочеркасск, 2009. - №1 (57). с. 170-177.

3. Баранов В.А. Импульсное регулирование при последовательно-независимом возбуждении тяговых двигателей электровозов постоянного тока // Вестник ВЭлНИИ: науч. изд. / ОАО «Всерос. н.-и. и проектно-конструк. ин-т. элек тровозостроения» (ОАО «ВЭлНИИ»).– Новочеркасск, 2009. - №2 (58). с. 187-194.

4. Баранов В.А. Улучшение тяговых свойств электровозов постоянного тока // Вестник ВНИИЖТ, 2008, №6. с. 29–32.

5. Мазнев А.С., Баранов В.А. Использование электровозов ВЛ10 для нужд промышленного транспорта // Известия ПГУПС, 2008, №4. с. 62–72.

6. Мазнев А.С., Баранов В.А., Богдан А.А. Тяговые характеристики электрово зов ВЛ10 в режиме усиленного возбуждения // Известия ПГУПС, 2007, №2.

с. 62–69.

7. Баранов В.А. Последовательно-независимое возбуждение тяговых двигате лей электровозов постоянного тока // Тезисы докладов научно-технической конференции “Неделя науки– 2008”, ПГУПС, С.-Пб, 2008. с. 112–113.

патенты:

1. Устройство регулирования скорости электроподвижного состава: пат. Рос. Федерация: МПК B 60 L 15/00 / Мазнев А. С., Баранов В.А.;

заявитель и патентообладатель Петербургский гос. ун-т путей сообщ.–№ 2008119986/22;

заявл. 20.05.08;

опубл. 20.09.08, бюл. № 26.

2. Устройство регулирования скорости электроподвижного состава: пат. Рос. Федерация: МПК B 60 L 15/04 / Баранов В.А., Мазнев А. С.;

заявитель и патентообладатель Петербургский гос. ун-т путей сообщ.–№ 2008132031/22;

заявл. 04.08.08;

опубл. 10.01.09, бюл. № 1.

3. Устройство регулирования скорости электроподвижного состава: пат. Рос. Федерация: МПК B 60 L 15/04 / Мазнев А. С., Баранов В.А.;

заявитель и патентообладатель Петербургский гос. ун-т путей сообщ.–№ 2009117877/22;

заявл. 12.05.09;

опубл. 27.08.09, бюл. № 24.

4. Устройство регулирования скорости электроподвижного состава: пат. Рос. Федерация: МПК B 60 L 15/04 / Баранов В.А., Мазнев А. С.;

заявитель и патентообладатель Петербургский гос. ун-т путей сообщ.–№ 2010113639/11;

заявл. 07.04.10;

опубл. 10.09.10, бюл. № 25.

Личный вклад соискателя в работы, опубликованные в соавторстве, состоит в расчете характеристик тяговых двигателей [5,6] при регулировании коэффи циента возбуждения и разработке схемо-технических решений [3,4] в объеме 60%.

Автор выражает искреннюю благодарность коллективу железнодо рожного цеха ОАО “Апатит”, оказавшему значительную помощь при под готовке и проведении испытаний.

Баранов Валерий Александрович УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД МАГИСТРАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА ДЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА УЧАСТКАХ С ТРУДНЫМ ПРОФИЛЕМ Подписано в печать 15.12.2011.

Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Ризография.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 45-3981.

Отпечатано в ИД «Политехник» 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, тел., факс. (8635)25-53-

 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.