CC BY
10
УДК 621.313.001.4 АФАНАСОВ А. М. (ДИИТ)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ПРОВЕДЕНИЕ ПРИЁМО-СДАТОЧНЫХ ИСПЫТАНИЙ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
Представив д.т.н., професор Гетьман Г.К.
Главным направлением решения задачи повышения энергетических показателей станций для испытания тяговых электрических машин является уменьшение количества и минимизация суммарной мощности преобразователей, используемых в схеме взаимной нагрузки. Выполнение этого требования при выборе варианта схемы взаимной нагрузки является необходимым условием достижения экономической эффективности модернизации существующих испытательных станций.
Определение полезной мощности источников испытательного стенда, необходимой для проведения испытаний, представляет собой отдельную задачу, решение которой позволит оценить энергетическую эффективность того или иного варианта испытательной станции [1].
Программа приёмо-сдаточных испытаний тяговых электрических машин постоянного и пульсирующего тока в соответствии с требованиями ГОСТ 2582-81 включает в себя следующие мероприятия [2]:
- измерение сопротивления обмоток в практически холодном состоянии;
испытание на нагревание; проверка частоты вращения и реверсирования;
- испытание на повышенную частоту вращения;
проверка коммутации; испытание электрической прочности изоляции обмоток (межвитковой, относительно корпуса, между собой);
- проверка биения коллектора;
- измерение сопротивления изоляции обмоток (относительно корпуса, между собой);
- проверка уровня вибрации.
Отдельно рассмотрим те пункты программы приёмо-сдаточных испытаний, которые требуют нагружения испытуемых электрических машин.
Режим 1. Испытание на нагревание. Тепловые испытания являются самым энергоёмким мероприятием из всего перечня программы
приёмо-сдаточных испытаний. Целью данных испытаний является определение превышения температуры перегрева частей тяговой электромашины в часовом режиме работы. В соответствии с ГОСТ 8582-81 электрические машины постоянного и пульсирующего тока испытывают при номинальном напряжении и часовом токе в течение одного часа.
При тепловых испытаниях электрических двигателей номинальное значение напряжения и часовое значение тока устанавливают на испытуемой электрической машине, работающей на стенде в режиме двигателя:
и д = и н;
1 д = 1 ч ,
где и д, I д - напряжение и ток испытуемого двигателя соответственно;
и н - номинальное напряжение испытуемых электромашин;
I ч - часовой ток испытуемых электромашин.
Суммарная полезная мощность источников энергии (электрической или механической) стенда взаимной нагрузки определяется по формуле
I ри = и д1 д I1 -Пд ) + и г1 г I1 -Пг ) ,
где и г, I г - напряжение и ток испытуемого генератора соответственно;
П д, П г - к. п. д. испытуемых двигателя и
генератора соответственно.
При упрощенных оценочных расчетах можно использовать формулу
I Ри = 2и д1 д (1 -П) :
где п - к. п. д. однотипных испытуемых электромашин.
Мощность I Ри изменяется в течение времени испытаний в связи с повышением сопро-
тивления обмоток электромашин при нагревании, соответствующим увеличением электрических потерь и снижением к. п. д.
Максимальное значение суммарной полезной мощности источников испытательного стенда в конце тепловых испытаний в упрощённом виде будет определяться как
Е Ри1тах = 2и н1 ч (1 -П ч )
где п ч - часовое значение мощности к. п. д.
В соответствии с ГОСТ 183-74 для электрических машин постоянного тока мощностью свыше 50 кВт допускается отклонение к. п. д., соответствующее превышению общих потерь на 10%, что соответствует уменьшению к. п. д. на величину 0,1(1 -пн) . Тогда минимально
допустимое возможное значение к.п.д. тяговой электромашины будет определяться как
= 1,1Л ч - 0,1.
Z Q и1 = 2U н I ч
t„, -
'и1
J n(t)dt
U д = U н; 1 д =1 н;
При этом выражение для максимальной суммарной полезной мощности источников испытательного стенда примет вид
Е Ритах = 2,2и н I ч (1 ч ) .
Суммарная полезная энергия источников, затрачиваемая на проведение тепловых испытаний, будет определяться в виде
Р = Р,
где I н - номинальное типовое значение тока испытуемой электромашины (часовой или длительный ток);
Р н - номинальное значение систем возбуждения.
Для выполнения проверки частоты вращения и реверсирования необходима возможность взаимного изменения режимов работы испытуемых электромашин (двигатель-генератор), а также направления их вращения.
Проверка частоты вращения и реверсирования в соответствии с ГОСТ 2582-81 проводится на нагретой электрической машине. Суммарная полезная мощность источников испытательного стенда при этой проверке определяется формулой
ЕР2 = 2,2инIн (1 -п) ,
где п н - к.п.д. в номинальном режиме.
Суммарная полезная энергия источников, расходуемая на проверку
Z Q П2 = 2U нI н
t„„ -
4и 2
J n(t)dt
где n(t) - к.п.д. электромашин в функции времени;
t и1 - длительность тепловых испытаний (3600 с).
Режим 2. Проверка частоты вращения и реверсирования. Целью данных испытаний является проверка тяговых электромашин на соответствие требованиям ГОСТ 2582-81 в части допусков отклонений частоты вращения в номинальном режиме от типового значения номинальной частоты вращения.
Выполнение данной проверки требует измерение частоты вращения якоря при номинальных значениях напряжения, тока и степени возбуждения в двигательном режиме работы испытуемой электромашины
где t и2 - длительность проверки частоты вращения и реверсирования.
При данной проверке обмотки электромашин продолжают нагреваться и, строго говоря, для определения значения Z Q и2 необходимо
определение зависимости n(t) в течение времени t и2. В упрощённом виде формула для Z Q и2 может быть представлена при условии постоянства п как
Z Q и 2 =Z P
и 2 и2
Режим 3. Испытание на повышенную частоту вращения. Целью данных испытаний является проверка работоспособности электрической машины после непродолжительного (2 минуты) вращения на холостом ходе с частотой, превышающей наибольшее её типовое значение на 20, 25 или 35%.
Для тяговых двигателей электровозов и электропоездов переменного тока, питающихся от выпрямительной установки, включенных
0
параллельно, испытательная повышенная частота вращения
П и1 = 1,25П max ,
где n max - наибольшая типовая частота вращения.
Для тяговых двигателей электровозов и электропоездов постоянного тока и электровозов двойного питания, постоянно попарно соединённых последовательно, испытательная частота вращения
П и2 = 1,35 П max.
Для вспомогательных электрических машин постоянного тока
n из = 1,2 n max.
Испытательная повышенная частота вращения для тяговых двигателей электропоездов постоянного тока, спроектированных до 1981 г., определяется в виде
n и1 = 1,25 n max.
Учитывая то, что испытания на повышенную частоту вращения проводят при холостом ходе, величины напряжения и тока определяются в основном механическими потерями и магнитной характеристикой испытуемых электромашин.
Суммарная полезная мощность источников энергии испытательного стенда при данной проверке
I
Pи ЛРмехд + ЛРмехг ,
где ЛРмехд и ЛРмехг - механические потери испытуемых двигателя и генератора соответственно при повышенной частоте вращения.
При упрощённых расчетах можно использовать формулу
I Риз = 2ЛРмех (n и ) ,
двигателях с самовентиляцией на порядок выше этих же потерь в номинальном режиме.
Суммарная полезная энергия источников стенда, расходуемая на испытание повышенной частотой вращения
I j Q и3 I j Ри3 ' ^ из,
где ЛРмех (п и) - механические потери в однотипных испытуемых электрических машинах, соответствующие испытательной частоте вращения п и по типовым характеристикам механических потерь.
Значение ЛРмех (п и ) для тяговых двигателей
с независимой вентиляцией может быть в 2-3 раза больше суммарных потерь при номинальном режиме. Механические потери, соответствующие повышенной частоте вращения, в
где t и3 - длительность испытания на повышенную частоту вращения (120 с).
Режимы 4-6. Проверка коммутации. Проверка коммутации является той частью программы приёмо-сдаточных испытаний тяговых электрических машин, которая в сравнении с испытаниями на нагрев требует существенной перегрузки источников испытательного стенда по току, напряжению, моменту и частоте вращения (для источников механической мощности). Целью данных испытаний является определение работоспособности щёточно-коллекторного узла электрической машины при перегрузках по напряжению, току, частоте вращения, искажающему действию реакции якоря.
При проверке коммутации тяговых электрических двигателей постоянного тока ГОСТом 2582-81 предусмотрено три режима испытания. При проверке коммутации вспомогательных машин - два режима.
Выполнение проверки коммутации по каждому из режимов 1, 2, 3, 8 (ГОСТ 2582-82) проводится визуальная оценка степени искрения
(не более ) при вращении электромашины
в течение 30 с в каждом направлении, а также последствий самого искрения (возникновение кругового огня, остаточные деформации, повреждения коллектора и щеточного узла).
Выполнение проверки коммутации вспомогательных машин в режиме 9 предусматривает ту же визуальную оценку степени искрения и его последствий при пятикратном пуске, способом, соответствующим работе на электроподвижном составе. Рассмотрим каждый из упомянутых режимов отдельно.
Режим 4. Проверка в режиме 4 выполняется при номинальном напряжении, двойном часовом токе и номинальной степени возбуждения:
U д = U н;
I д = 21 ч;
Р = Ри.
Суммарная полезная мощность источников испытательного стенда для каждого режима будет определяться в виде
I Ри 4 = 4U н I ч (1 -П 4 ),
где п 4 - значение к. п. д. однотипных испытуемых электрических двигателей в режиме 4.
Учитывая то, что значение к.п.д. п 4 не является типовым параметром испытуемых электромашин, для данного режима может быть более удобной в использовании формула
Е Ри4 = 2 [41 ч2Я г0р +АРхх 4 ] ,
где Я гор - сопротивление обмоток в горячем
состоянии;
АРхх 4 - потери холостого хода в режиме 4.
Потери холостого хода являются функцией тока возбуждения и частоты вращения. Частота вращения сама является функцией тока якоря при постоянных напряжении и коэффициенте ослабления поля.
АРхх 4 =АРхх ( „21 ч ) при I в 4 = I в (21 ч , Р н ).
П 4 = П хх (^ ч ) при и = и н ; Р=Рн .
Ток возбуждения в режиме 4 I в4 = 2Р НI ч .
Суммарная полезная энергия источников испытательного стенда
Е , Q и4 = Е , Ри4 ^ и4 ,
где ^ и4 - длительность испытания в режиме 4.
Режим 5. Проверка в режиме 5 выполняется при наибольшем напряжении, наибольшей частоте вращения и наименьшей степени возбуждения:
U д = U тах; и = и „„,,;
ß = ßx
Суммарная полезная мощность источников испытательного стенда для режима 5
ЕР = 4и I (1 -п )
и5 тах 5 V 15/'
где 15, п 5 - значения тока и к. п. д. в режиме 5 соответственно.
Ни значение тока 15, ни к. п. д. п 5 не являются типовыми параметрами испытуемых
электромашин. Поэтому более удобной в использовании может быть формула
I Ри, = 2 [412 R гор +ДРХХ 3 ] ,
где ДРхх5 - потери холостого хода в режиме 5.
Потери холостого хода являются функцией тока возбуждения и частоты вращения. Ток является функцией частоты вращения при постоянных напряжении и коэффициенте ослабления поля.
ДРхх, =ДРхх (и max, I 5 ) при I в, = I в (I 5, ß min ) .
1 5 = I (И max ) при U д = U max; ß=ß mm .
Ток возбуждения в режиме 5
I в5 =ß minI 5 .
Суммарная полезная энергия источников испытательного стенда
I , Q и5 = II Ри5 ' t и5 ,
где t и5 - длительность испытания в режиме 5.
Режим 6. Проверка в режиме 6 выполняется при наибольшем напряжении, наибольшем пусковом токе и наименьшей степени возбуждения:
U д = U max; ^ д ^ max ; ß = ß min.
Суммарная полезная мощность источников испытательного стенда для режима 6
Z Риб = 2U max1 max (1 -Пб ) ,
где п 6 - значение к. п. д. в режиме 6.
Значение к.п.д. п 6 не является типовым параметрам испытуемых электромашин. Поэтому более удобной в использовании может быть формула
Z Риб = 2 [1 mi axR гор + ЛРхх6 ] ,
где АРхх 6 - потери холостого хода в режиме 6.
Потери холостого хода являются функцией тока возбуждения и частоты вращения. Частоты вращения является функцией тока при постоянных напряжении и коэффициенте ослабления поля.
ДРхх 5 =ДРхх (и 6, I max )
ПРИ 1 в6 = 1 в ( max , ß mm )•
n 6 = П ( max ) ПРИ U = U max; ß=ß mm •
Ток возбуждения в режиме 6
1 вб ß min1 max •
Суммарная полезная энергия источников испытательного стенда
Q и 6 = 6 ^ и 6'
где i и6 - длительность испытания в режиме 6.
В качестве энергетического показателя качества послеремонтных испытаний тяговых электрических машин методом взаимной нагрузки может быть использован коэффициент энергетической эффективности испытаний, равный отношению полных потерь энергии в испытуемых электромашинах к общим затратам электроэнергии на проведение испытаний.
Необходимо отметить, что сумма потерь мощностей в испытуемых электромашинах (электрические, магнитные, механические потери) является полезной мощностью, затрачиваемой на проведение испытаний. Это те потери, которые не зависят, или, по крайней мере, не должны зависеть ни от структуры испытательной системы, ни от характеристик источников, регуляторов, и преобразователей. Более
того, условия проведения испытаний должны обеспечивать полное соответствие характеров энергетических процессов в электромашинах в условиях испытаний и реальной эксплуатации. Суммарные потери мощности в преобразователях и регуляторах являются потерями, связанными с обеспечением испытаний, и должны быть минимизированы путем структурной оптимизации системы взаимного нагружения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Жерве, Г. К. Промышленные испытания электрических машин [Текст] / Г. К. Жерве. - Л.: Энергоатомиздат, 1984. - 408 с.
2. ГОСТ 2582-81. Государственный стандарт СССР. Машины электрические вращающиеся тяговые. Госстандарт СССР. 1981. - 50 с.
Ключовi слова: тяговi електричш машини, приймально-здавальш випробування, корисна енерпя.
Ключевые слова: тяговые электрические машины, приемно-сдаточные испытания, полезная энергия.
Keywords: traction electrical machines, receiving and acceptance tests, the useful energy.
