Научная статья на тему 'К вопросу об использовании тяговых двигателей постоянного тока на много системном электроподвижном составе железных дорог'

К вопросу об использовании тяговых двигателей постоянного тока на много системном электроподвижном составе железных дорог Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
189
163
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ТЯГОВИЙ ДВИГУН / ПОСТіЙНИЙ СТРУМ / ЗАЛіЗНИЦЯ / ТЯГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ / ПОСТОЯННЫЙ ТОК / ЖЕЛЕЗНАЯ ДОРОГА / TRACTION ENGINE / DC NETWORK / RAILWAY

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Дубинец Л. В., Маренич А. Л., Муха А. Н.

В статье затронуты вопросы целесообразности использования тяговых двигателей постоянного тока на многосистемном электроподвижном составе железных дорог.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

TO THE QUESTION ABOUT THE USE OF DC TRACTION MOTORS SYSTEM OF THE ELECTRIC ROLLING STOCK OF THE RAILWAYS

Issues of expediency of using the DC traction engines on multi-system electric railway rolling stock are considered in the paper.

Текст научной работы на тему «К вопросу об использовании тяговых двигателей постоянного тока на много системном электроподвижном составе железных дорог»

УДК 629.423

Л. В. ДУБИНЕЦЬ, О. Л. МАРЕНИЧ, А. М. МУХА (ДПТ)

ДО ПИТАННЯ ВИКОРИСТАННЯ ТЯГОВИХ ДВИГУН1В ПОСТ1ЙНОГО СТРУМУ НА БАГАТОСИСТЕМНОМУ ЕЛЕКТРОРУХОМОМУ СКЛАД1 ЗАЛ1ЗНИЦЬ

У статп порушенi питання доцiльностi використання тягових двигушв постiйного струму на багатосис-темному електрорухомому складi залiзниць.

В статье затронуты вопросы целесообразности использования тяговых двигателей постоянного тока на многосистемном электроподвижном составе железных дорог.

Issues of expediency of using the DC traction engines on multi-system electric railway rolling stock are considered in the paper.

Вступ. У тепершнш час в багатьох кра!нах, у тому чи^ в Украш та шших крашах колиш-нього СРСР, найбшьш перспективним видом тягового двигуна, у тому чи^ для високошви-дюсного електрорухомого складу (ЕРС), вважа-еться асинхронний двигун.

Роботи по застосуванню в якост тягових двигунiв асинхронних машин - асинхронних тягових двигушв (АТД) почались у 70-х роках 20 сторiччя [1, 2].

Не перераховуючи переваги АТД в порiв-нянш з машинами постiйного струму, яю зага-льновiдомi i не е метою дослiджень у данш ро-ботi, вiдмiтимо недолiки електроприводу з АТД, яю особливо гостро можуть проявитись при застосуваннi АТД в багатосистемних елек-тровозах, для яких габарити, вага обладнання -це особливо гостра проблема, в порiвняннi з односистемним електровозом (електропо!здом). Щц багатосистемним маеться на увазi ЕРС, який зможе працювати при рiзних рiвнях на-пруги у контактнiй мереж як при постiйному, так i змiнному струмах.

До таких недолтв можна вiднести склад-нiсть схеми тягового перетворювача i системи керування, вiдносно низький коефiцiент поту-жност двигуна, особливо при низькiй частой обертання, який приводить до значних перева-нтажень по струму перетворювача та силового електрообладнання.

Тому можна припустити, що при розробщ багатосистемного ЕРС е сенс розглянути варiа-нти, альтернативнi для АТД. Одшею з таких альтернатив е тяговий електропривод (ТЕД) з вентильними (синхронними) тяговими двигу-нами (ВТД).

До переваг ВТД можна вщнести наступне:

- добрi регулювальш характеристики;

- менш складний тяговий перетворювач;

- можливiсть роботи з коефщентом потуж-ностi, що дорiвнюе одиницi.

Крiм того, у ВТД значно простше реалiзу-вати режим рекуперативного гальмування. Але досвiд розробки ВТД показуе, що вентильш синхронш двигуни мають бiльшi, нiж асинх-роннi двигуни, витрати активних матерiалiв на одиницю потужностi при однаковш потужностi двигунiв.

Застосування ВТД на багатосистемному ЕРС - це окрема проблема, яка не входить до дано! роботи.

Аналiз лггературних джерел. На тяговому рухомому складi залiзниць Укра!ни застосову-ють в основному колекторш машини постшно-го або пульсуючого струму з електромагштним збудженням. Питанням, пов'язаним з !х вико-ристанням на ЕРС, присвячеш роботи [1_6].

Мета роботи. Дослщити питання ефектив-ностi застосування у тепершнш час й близько-му майбутньому двигушв постшного струму (ДПС) на багатосистемних електровозах (елек-тропо!здах).

Матерiал i результати дослiдження.

Новi магнiтнi матерiали дозволили присту-пити до роб^ по створенню потужних тягових двигунiв, якi збуджуються постшними магнiта-ми. Першi теоретичнi дослщження показали значнi переваги такого тягового приводу в по-рiвняннi з АТД [7, 8]:

- двигун на постшних магштах може мати набагато бшьшу (45 i бiльше) кiлькiсть пар по-люшв, нiж трифазний асинхронний. Це забез-печуе настiльки великий момент обертання, що стае можливим використання такого двигуна без редуктора, тобто реалiзуеться безредуктор-ний тяговий привод;

- оскшьки двигун вже мае магштне поле збудження, то вiн мае шдвищений коефiцiент корисно1 ди;

- двигун на постшних магнiтах забезпечуе шдвищеш потужнiсть й обертальний момент при меншш масi та об'ем^ нiж ДПС, АТД та ВТД традицшного виконання.

Разом з тим, технолопя виготовлення таких двигунiв значно складшша, нiж двигунiв з еле-ктромагнiтним збудженням. Вона вимагае зна-чних витрат на пiдготовку виробництва та ви-соко! культури пращ. Таю двигуни мають у б> льшостi випадкiв нерозбiрну конструкцiю маг-штно1 системи.

У машинi на постшних магштах поле збудження вщключити неможливо, тому в 11 середину можуть попасти магштш частки, напри-клад, металевий пил вщ гальмiвних колодок.

У результат старiння матерiалу поле постшних магнiтiв може слабнути, в результат чого зменшуеться обертальний момент. У зв'язку з цим потрiбно обирати такий магшт-ний матерiал, який на протязi термiна служби двигуна залишаеться стабiльним.

1снуе ще цший ряд особливостей двигуна з постшними магнiтами.

Враховуючи вищенаведене, а також те, що тяговi двигуни з постшними магштами знахо-дяться ще на початковш стадп розробок, вони не можуть розглядатися як альтернатива для тягових двигунiв багатосистемного ЕРС у тепе-рiшнiй час й у близькш перспективi.

У вiддаленому майбутньому, можливо, тя-говi двигуни з постшними магштами знайдуть широке застосування.

Порiвняемо, з точки зору особливостей ви-користання, колекторш двигуни постiйного струму послiдовного та паралельного збудження [9]:

- на важких елементах профiлю коли (круп шдйоми) двигуни паралельного збудження працюють з бiльшим струмом, шж двигуни по-слiдовного збудження;

- для ведення поlздiв однаково! ваги двигуни паралельного збудження повинш мати б> льшу номiнальну потужшсть, нiж двигун по-слiдовного збудження;

- деяке зниження швидкостi двигушв посл> довного збудження на важких елементах про-фiлю коли компенсуеться бшьш високою шви-дкiстю руху на легких елементах профшю коли. При однакових потужностях двигушв на реальних достатньо довгих донках з рiзким профiлем коли загальний час ходу по д^нщ електровозу з двигунами послщовного збу-

дження менше часу руху електровозу з двигу-нами паралельного збудження;

- дуже важливо те, що двигуни послщовного збудження в експлуатаци забезпечують краще використання потужностi при бшьш рiвномiр-ному !х навантаженнi; для виконання однаково1 по1зно1 роботи потрiбна номiнальна потужнiсть двигунiв з послщовним збудженням менша, нiж з паралельним;

- при однакових рiзких змшах напруги на затискачах двигунiв, вщповщш кидки струмiв при послiдовному збуджеш меншi, нiж при па-ралельному;

- при однаковому розходженш швидкiсних характеристик V = / (I) двигуни послiдовного

збудження мають менше розходження у струмах i тому забезпечують краще використання потужност електровоза, по умовах нагрiвання двигушв або зчеплення колiс з рейками.

З точки зору вимог до електрообладнання багатосистемних електровозiв важливо, що ус вказанi функцп регулювання струму в залежно-стi вiд профшю коли, краще використання по-тужносп, меншi кидки струму при рiзкiй змiнi напруги на затискачах тощо е природними для двигунiв послiдовного збудження. Тому не по-трiбне додаткове обладнання для виконання цих функцiй.

Двигуни послщовного збудження бшьш на-дшно забезпечують механiчну та електричну стшюсть [3].

Двигуни послiдовного збудження програють двигунам паралельного збудження у стшкост проти розносного боксування. Цей недолш усу-ваеться у значнiй мiрi застосуванням рiзних пристро1в для автоматичного зниження сили тяги двигушв та подачi шску при боксуваннi.

Вщм^имо, ще такий недолiк ДПС, будь-яко1 системи збудження, як обмежена по умовах струмозйому та механiчнiй мiцностi колектора, частота обертання та ряд шших вiдомих недо-лiкiв ДПС виключають можливiсть !х застосу-вання для швидюсного ЕРС (зi швидкiстю б> льше 250 км/год). Оскiльки максимальна коло-ва швидкiсть колектора vк тах при максимальнiй частотi обертання «тах не повинна перевищу-вати 50...55 м/с для забезпечення стшкосп ко-мутацп по механiчних умовах [10].

Дiаметр колектора Вк у бшьшосп сучасних двигунiв постiйного струму близький до 400 мм. При цьому:

пт = ^^. 60 = 55-60 « 2630 об/хв., тах пВк п- 0.4

Лтах_. 60 = 50 • 60

У середньому:

п 0.4

^ 2388 об/хв.

: 2500

об/хв.

Можна сказати, що обмежена по умовах струмозйому та механiчнiй мiцностi колектора частота обертання дорiвнюе 2500 об/хв..

Для тягових двигушв електровозiв характерно вщношення максимально! частоти обертання до номшально! 2...2.6 [9]. Тобто орiенто-вна номiнальна частота обертання тягових двигушв при номшальнш швидкосп дорiвнюе: пном = 950...1250 об/хв. В залежност вiд реаль-них значень дiаметра бандаж1в колю та переда-тного вiдношення тягово! передачi швидкiсть локомотива при вказаних значеннях птах в середньому складае 250 км/год.

Таким чином, для багатосистемних ЕРС iз швидюстю орiентовно 200 км/год порiвняння комплекпв тягового приводу з АТД та ДПС з точки зору рацiональних габаритiв, ваги та рiв-ня надiйностi е доцiльним.

Тяговi двигуни постшного струму незалежного збудження не знайшли широкого застосу-вання для контакторно-реостатних електровозiв за наступних причин. По-перше, при змiнi про-фшю коли у випадку застосування таких двигушв рiзко змiнювалась би потрiбна потужнiсть при незмiннiй швидкосп руху електровозу, що потребуе частих переключень у силових колах. По-друге, при незалежному збуджеш мае мiсце значна нерiвномiрнiсть у струмах, якi спожи-ваються якорями тягових двигунiв. I, на кшець, виникае непроста задача по захисту тягових двигушв вщ колових вогнiв, так як буде вщсут-не швидше зменшення е.р.с., яке мае мюце при послщовному збудженнi, що сприяе припинен-ню колового вогню.

Але при використаш нашвпровщниково! технiки, особливо на сучаснш елементнiй базi, труднощi по розподiлу струмiв та захисту мо-жуть бути успiшно виршеш, i тому незалежне збудження може бути ефективно застосовано для шдвищення тягових властивостей електро-возiв.

Щдводячи висновок, можна вiдмiтити, що найбшьший iнтерес для багатосистемного ЕРС серед ДПС з рiзними способами збудження являе двигун послщовного збудження, з точки зору спрощення системи керування тяговим приводом, завдяки його природним властивос-тям змши швидкостi у широких межах при зм>

н навантаження. При цьому маеться на уваз^ що швидкiсть ЕРС не перевищуе 200...250 км/год. При бшьших швидкостях ЕРС застосування ДПС виключаеться. Найiмовiрнi-ше у близький перспективi при бiльших швид-костях застосування асинхронних або синхрон-них (вентильних) двигунiв.

Тягова потужнiсть двигуна (потужшсть на обiдi колеса Рт) визначаеться швидюстю руху Ук та потрiбною силою тяги [10]:

Рт = 0.278 ^.

Розрахункова потужнiсть тягового двигуна

Рт 0.278 ^Х

Рном доршнюе: рНОм =-^,

Пз ПЗ

де: пЗ - ККД зубчато! передачi мiж валом двигуна та вюсю колiсно!' пари.

Наприклад, для електровозiв при наванта-женнi вiд колюно! пари на рейки 25 тс сила тяги звичайно дорiвнюе 5 9... 61 кН. Цьому зна-ченню вiдповiдае потужнiсть тягового двигуна 900.1000 кВт (при пЗ = 0.975) при розрахун-ковiй швидкостi [10].

У тепершнш час е можливють створити ко-лекторнi тяговi двигуни пульсуючого струму потужнiстю до 1200 кВт [10], 1300 кВт [3].

При розрахунку перетворювально! установки потрiбно враховувати експлуатацшний кое-

Р

фщент перевантаження Кпз = —, де Рб - най-

Рг

бiльша потужнiсть, яка розвиваеться двигуном на протязi однiе! хвилини; Рг - годинна потуж-нiсть двигуна. Звичайно Кпз = 1.5...1.8 [9, 10]. Основш показники тягових двигушв з [3, 10, 12] представлен у табл. 1.

У регульованих електроприводах швидюсть та момент найчастше змiнюються нашвпров> дниковим перетворювачем енерги, ввiмкненим мiж двигуном та живильною мережею. З наяв-ностi цього перетворювача та змiни швидкостi руху ЕРС визначаються особливостi режиму роботи тягового двигуна:

- наявнють пульсацiй у вихiдному струмi статичних перетворювачiв;

- можливiсть прикладання до обмоток дви-гунiв напруг, ампттуда яких перевищують но-мшальш рiвнi;

- збiльшенi темпи змши струму та напруг шд час комутацп вентилiв перетворювача;

- змша втрат (у сталi та обумовлених стру-мом намагнiчування), незмiнних у нерегульо-ваних електроприводах, зi змшою швидкостi

п =

тах

(внаслщок регулювання напруги, струму збу-дження);

- част перехщш та пуско-гальмiвнi режими;

- можливiсть збiльшення швидкост понад номiнальну через зменшення струму збуджен-ня;

- вiдсутнiсть безпосереднього впливу на двигун з боку мереж1.

Таблиця 1 Основш показники тягових двигунiв

Тип двигуна та кра!на виробник Рж початку випуску Поту-жтсть Р , ном ' кВт Маса двигуна т , кг д ' Пито-ма маса т д Р ' ном кг/кВт

Електровози постшного струму

НБ-406Б (СРСР) ТЛ-2К (СРСР) 1954 1967 470 575 5150 4750 10.9 8.25

НБ-407Б (СРСР) 1972 720 4675 6.48

НБ-508 (СРСР) 1980 800 4600 5.75

Т-750ФС (1тал1я) 1975 1125 5000 4.4

ЛЬ-4846 (ЧССР) 1981 618 5000 8.1

ЭД141У1 (Укра!на) 1996 728 4750 6.52

СТК-730 (Укра!на) 2007 730 4750 6.5

ДТК-800 2007 800 3900 4.87

Електровози змшного струму

НБ-412М (СРСР) 1958 620 5000 7.4

НБ-412К (СРСР) 1963 666 4600 6.8

НБ-418К (СРСР) 1966 740 4075 5.5

НБ-507 (СРСР) 1979 900 4500 5

СТК-520 (Укра!на) 2007 520 4600 8.85

НБ-511 (Роая) 1982 580 4600 7.93

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

СВ-317 (ФРН) 1959 720 3750 5.21

ЛЬ-4442 (ЧССР) 1968 820 2959 3.6

ЦИ-108-3 (Швещя) 1976 1000 2873 2.87

У сучасних системах керування частотою обертання двигунiв постшного струму застосо-вують схеми на керованих нашвпровщникових приладах, якi забезпечують керування частотою обертання у широких межах.

Потужнiсть двигунiв за останш 50 рокiв зросла бшьше нiж удвiчi. Тому можна сказати, що двигуни потужнiстю 1300 кВт - це машини граничного виконання, тобто машини, подальше завантаження яких (струмове, магштне i мехашчне) у близький перспективi обмежене фiзичними властивостями активних, iзолюючих i конструктивних матерiалiв. При дослiдженнi проблеми створення перетворювально! установки та шшого електрообладнання багатосисте-много електровоза можна орieнтуватись на зна-чення номшально! потужностi двигуна 1300 кВт, та значення експлуатацiйного коеф> цieнта перевантаження 1.8.

Для електровозу змшного струму напругу на тягових двигунах доцшьно вибирати як де-яке ращональне значення iз умов проектування не тшьки тягових двигунiв, а й перетворювально! установки, а також електричного обладнан-ня в цшому. Як правило, це 750... 1200 В. Для електровозiв постiйного струму напруга на за-тискачах тягового двигуна, як правило, дорiв-нюе половит напруги контактно! мережа

Тяговi двигуни практично безперервно пра-цюють в граничних режимах, викликаних ко-ливанням напруги у контактнш мережi та зм> нами струмiв, що споживаються, причому останнi варiюють вiд 0.25 до 2.0 вщ 1ном . Змша напруг у контактних мережах постшного та змшного струмiв становить вщповщно 2200...4000 В та 19... 29 кВ. 1золящя обмоток двигуна вщносно корпуса повинна витримува-ти випробну напругу ивипр =( 2,25 и + 2000) В,

де для двигушв, що отримують живлення вiд контактно! мережi постiйного струму, и дор> внюе номiнальнiй напрузi на шинах тягово! шдстанцп, а для двигушв, що живляться вщ контактно! мереж через установку трансфор-матор-випрямляч, величина и дорiвнюe напрузi неробочого ходу на виходi установки при ном> нальнiй напрузi на первиннiй обмотщ трансформатора.

Безумовно, що дуже важливо постiйно тд-вищувати надiйнiсть двигушв. Одним з ефек-тивних шляхiв вирiшення цie! задачi е застосу-вання класу iзоляцi! не менше Н замiсть класу Б, який застосовуеться у бшьшосп випадкiв у тепершнш час. Iзоляцiя класу Н при шших р>

вних умовах буде служити довше, шж iзоляцiя класу Б, у 1.5.2 рази [11].

Загальш висновки.

1. При швидкостях багатосистемних елект-ровозiв до 250 км/год не виключаеться застосування колекторних двигушв постшного струму. Для кшцевого вирiшення питання по вибору виду двигушв (постшного струму або асинх-ронш) потрiбно проаналiзувати параметри та порiвняти показники системи нашвпровщнико-вий перетворювач-двигун, та шшого обладнан-ня, як при двигунах постшного, так i при асинхронних.

2. Сучасний розвиток нашвпровщниково! техшки дозволяе забезпечити автоматичне плавне регулювання напруги на тягових двигунах постшного струму незалежного збудження. Тобто доцшьно розглянути застосування для багатосистемних електровозiв таких двигунiв, i при цьому за рахунок використання вщповщно! системи керування установки перетворювач-двигун забезпечити використання позитивних, з точки зору тяги, якостей як двигушв послщо-вного, так i незалежного збудження. При цьому оцшити склацнiсть схеми, габарити та вагу на-пiвпровiдникового перетворювача при викори-станнi ДПС послщовного та незалежного збу-дження.

3. При розробщ теоретичних питань по створенню установки перетворювач-двигун для багатосистемних електровозiв потрiбно врахо-вувати доцшьнють максимального використання одного того ж обладнання при рiзних видах двигушв (ДПС, АТД, ВТД).

4. Потрiбно дослщити параметри та показ-ники системи перетворювач-двигун при регу-люванш напруг на двигунах по вторинному, або по первинному боках тягового трансформатора, а також комбшований варiант з метою вибору ращонального варiанту для багатосис-темного електровозу, з урахуванням властивос-тей сучасно! напiвпровiдниково! елементно! бази.

5. Реальним штервалом потужностей для одного двигуна постшного струму можна вва-жати 900.1200 кВт. При теоретичних досл> дженнях НП при ДПС цей штервал доцiльно прийняти 900.1800 кВт.

6. Нашвпровщниковий перетворювач та двигун повинш проектуватися единою системою.

7. Для збшьшення нацiйностi у двигунах електровозiв рекомендуеться застосовувати iзоляцiю класу Н, а не Б (що найчастiше засто-совуеться у тепершнш час).

8. Для розширення дiапазону робочих швид-костей система НП-Д (напiвпровiдниковий пе-ретворювач-двигун) повинна забезпечити при ДПС максимальне можливе використання, як

способу регулювання швидкосп, зменшення напруги на затискачах, так й ослаблення поля.

9. Схема НП повинна надшно забезпечити можливе перевантаження по струму у 2.3 рази в порiвняннi з номшальним тривалим режимом роботи двигуна (в основному тд час пуску електровозу).

10. Конструктивно систему НП-Д доцшьно виконувати у виглядi модулiв (на один або два модуля), передбачивши при цьому максималь-ну ушфшащю елементiв.

Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК

1. Захарченко Д. Д. Тяговые электрические машины: Учебн. для вузов ж.-д. трансп. / Д. Д. Захарченко, Н. А. Романов. - М.: Транспорт, 1991. -343 с.

2. Калинин В. К. Электровозы и электропоезда. -М.: Транспорт, 1991. - 480 с.

3. Безрученко В. М. Тягов1 електричш машини електрорухомого складу: Навч. поаб. / В. М. Безрученко, В. К. Марченко. В. В. Чумак. - Д.: Вид-во Дншропетровського нац. ун-ту за-л1зн. тр-ту 1м. акад. В. Лазаряна, 2003. - 252 с.

4. Рубчинский З. М. Устройство и работа электропоезда / З. М. Рубчинский, С. К. Соколов. - М.: Транспорт, 1976. - 416 с.

5. Розенфельд В. Е. Теория электрической тяги. / В. Е. Розенфельд, И. П. Исаев, Н. Н. Сидоров. -М.: Транспорт, 1983. - 328 с.

6. Раков В.А. Локомотивы и моторвагонный подвижной состав железных дорог Советского Союза 1956-1965. - М.: Транспорт, 1966. -248 с.

7. Концепция перспективного тягового привода. // Железные дороги мира, 1996, № 6 (G. Kratz et al. // Elektrische Bahnen, 1998, № 11. -S. 333-337).

8. Тяговый привод с возбуждением от постоянных магнитов // Железные дороги мира, 2004, № 9 (T. Klokow et al. // Elektrische Bahnen, 2003, № 3. - S. 107-112).

9. Захарченко Д. Д. Подвижной состав электрических железных дорог. Тяговые электрические машины и трансформаторы. Учебн. для вузов ж.-д. трансп. / Д. Д. Захарченко, Н. А. Ротанов, Е. В. Горчаков, П. Н. Шляхто. - М.: Транспорт, 1968. - 296 с.

10. Курбасов А. С. Проектирование тяговых электродвигателей / А. С. Курбасов, В. И. Седов, Л. Н. Сорин. - М.: Транспорт, 1987. - 534 с.

11. Отчет по НИР «Увеличение межремонтного пробега тягового двигателя ЭД-118А после выполнения капитального ремонта в объеме КР2 с восстановлением резерва». - Д.: НПП «Укртра-нсакад», 2007. - 67 с.

12. Отчет по НИР «Экспертиза технической документации электровоза ДЭ1» (НИР № 8 СНЦ-284/96-505.96-ЦТех от 20.06.96 по заказу Укр-залiзницi). - Д.: ДИИТ, 1996. - 58 с.

Надшшла до редколегп 30.01.08.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.