Повышение энергетической эффективности испытаний на нагрев тяговых двигателей электроподвижного состава магистрального и промышленного транспорта Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.313.001.4

А. М. АФАНАСОВ (ДНУЖТ)

Кафедра Электроподвижной состав, Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел.: (056) 373-15-31, эл. почта: afanasof@ukr.net

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПЫТАНИЙ НА НАГРЕВ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА МАГИСТРАЛЬНОГО И ПРОМЫШЛЕННОГО ТРАНСПОРТА

Введение

Снижение расхода электроэнергии на проведение приемо-сдаточных послеремонтных испытаний тяговых электромашин является одной из актуальных проблем на предприятиях по ремонту тягового подвижного состава магистрального и промышленного транспорта. Тепловые испытания тяговых электромашин на стенде взаимной нагрузки являются наиболее энергоёмкой частью всей программы испытаний. Энергетические затраты на проведение данного вила испытаний могут быть снижены как за счёт повышения энергетической эффективности системы взаимной нагрузки, так и путём оптимизации режима нагружения тяговых электромашин.

1 Анализ параметров нагружения тяговых двигателей при испытании на нагрев

Режим нагружения тяговых электромашин при испытании на нагрев характеризуется такими параметрами как [1]:

- напряжение на коллекторе;

- ток нагрузки;

- коэффициент ослабления поля;

- расход охлаждающего воздуха.

Рассмотрим каждый из этих параметров с

точки зрения возможности их влияния на рациональность режима нагружения тяговых электромашин при их испытании. В качестве критериев рациональности будем рассматривать:

- минимум суммарной приведенной мощности источников испытательного стенда;

- максимум энергетической эффективность процесса испытания;

- максимум качества испытаний.

Напряжение на коллекторе. По требованиям

ГОСТ 2582-81 [1] испытания на нагрев тяговых электродвигателей необходимо проводить при номинальном напряжении. При этом частота вращения испытуемых на стенде взаимной нагрузки тяговых электромашин определяется током нагрузки и их электромеханическими

характеристиками. При отклонении реальных магнитных характеристик испытуемых электромашин от типовой магнитной характеристики их частоты вращения при номинальном напряжении будут отличаться от значения, соответствующего по типовой электромеханической характеристике номинальному (часовому) току.

Результаты исследований, проведенных в работах [2, 3], показывают, что изменения испытательного напряжения в узких пределах (±5 %) не оказывают заметного влияния на характер протекания тепловых процессов в обмотках испытуемых электромашин. Следовательно, при проведении испытания на нагрев нет необходимости в жёсткой стабилизации испытательного напряжения на уровне номинального значения. Более рациональным с точки зрения управляемости системы взаимного нагружения будет стабилизация частоты вращения якорей испытуемых электромашин на значении, соответствующем току нагрузки электромашины по её типовой электромеханической характеристике.

С другой стороны, обеспечение величины напряжения на коллекторе, близкого к номинальному значению, при проведении испытания на нагрев является условием качественной проверки потенциальных условий на коллекторе и устойчивости против дугообразования. Таким образом, испытательное напряжение не может рассматриваться как параметр, варьированием которого можно влиять на рациональность режима испытания.

По сути, требование к напряжению на коллекторе испытуемой тяговой электромашины является ограничением в задаче выбора рационального режима нагружения.

Коэффициент ослабления поля. Как по требованиям ГОСТ 2582-81, так и с точки зрения обеспечения качества испытаний на нагрев коэффициент ослабления поля при проведении данного испытания должен быть равным номи-

© Афанасов А. М., 2013

нальному значению. При выполнении проверки коммутации коэффициент ослабления поля должен быть принят минимальным, что обусловлено требованиями к качеству данной проверки [1,4].

Требование к значению коэффициента ослабления поля, как и требование к испытательному напряжению, является ограничением в задаче выбора рационального режима нагру-жения.

Расход охлаждающего воздуха. Как ГОСТ 2582-81 [1], так и правила ремонта тяговых электромашин [4] допускают при согласовании с заказчиком проведение испытаний на нагрев при расходе охлаждающего воздуха, меньшем номинального, в том числе, и без вентиляции. При этом эквивалентные значения тока нагрузки испытуемых электромашин устанавливаются меньше часового и длительного токов. Это обусловлено нагреванием частей испытуемой электромашины за один час времени испытания до значений превышения температуры, соответствующих данному превышению в номинальном режиме [1].

Экономический эффект от внедрения такого метода испытания на нагрев обуславливается экономией электроэнергии, расходуемой на вентиляцию и отсутствием необходимости наличия вентиляционной системы на испытательной станции. Следует отметить, что испытание на нагрев без вентиляции еще и повышает энергетическую эффективность нагревания обмоток электромашин за счёт снижения энергии теплоотдачи [5].

Существенным недостатком испытания на нагрев без вентиляции является отсутствие проверки эффективности охлаждения частей электромашины, которая определяется мощностью теплоотдачи [6, 7]. При таком методе испытания малое влияние на характер теплооб-менных процессов оказывают тепловые сопротивления конвективной и кондуктивной теплоотдачи, а также аэродинамическое сопротивление электромашины. Всё это приводит к снижению качества испытаний на нагрев.

Ещё одним существенным недостатком испытания на нагрев без вентиляции, снижающим качество испытания, является работа испытуемых электромашин при эквивалентных токах, значительно меньших часового и длительного тока электромашины. При таких условиях нагружения снижается качество проверки устойчивости против дугообразования в течение испытания на нагрев. Несмотря на то, что целью испытаний на нагрев является определе-

ние превышения температуры частей тяговой электромашины, определенная часть случаев браковки тяговых двигателей связана как раз с появлением кругового огня во время данного испытания.

Возможным преимуществом проведения испытания на нагрев без вентиляции могла бы быть меньшая приведенная суммарная мощность источников испытательного стенда, но ГОСТом 2582-81 предусмотрена проверка коммутации, которая требует возможности установления тока нагрузки нагретых электромашин, равным пусковому току. Следовательно, в диапазоне изменения от нуля до пускового значения величина тока нагрузки, выбираемая для проведения испытания на нагрев, на величину суммарной приведенной мощности источников испытательного стенда не влияет.

Ток нагрузки. По требованиям ГОСТ 258281 ток нагрузки электромашин при испытании на нагрев должен быть принят, равным часовому значению. При этом и ГОСТ 2582-81 и правила ремонта тяговых электромашин [1, 4] допускают проведение испытания при эквивалентных токах, дающих превышение температур обмоток электромашин, соответствующее длительному режиму.

2 Обоснование критериев выбора рационального режима нагружения тяговых двигателей при испытании

Одним из критериев выбора рационального режима нагружения тяговых электромашин при их испытании на нагрев является максимум коэффициента энергетической эффективности процесса нагревания обмоток электромашин. Как показали результаты предварительных исследований [5], величина тока нагрузки существенно влияет на энергетическую эффективность испытания на нагрев и общий расход электроэнергии на данное испытание. Проведем анализ выражения для коэффициента энергетической эффективности процесса нагревания к зфц , определяющего общий расход электроэнергии на испытания [5].

£ __ТУ*!_ ^

где Тэ - эквивалентная постоянная времени нагревания;

т1 - превышение температуры обмотки в конце испытания;

© Афанасов А. М., 2013

х оо ~ установившееся превышение температуры;

? 1 - время испытания на нагрев; а - температурный коэффициент сопротивления.

Время проведения испытаний на нагрев определяется формулой [8]

tx=T3 ln-

1 со 1 1

(2)

Значение превышения температуры х 1 в соответствии с ГОСТ 2582-81 принимается равным максимально допустимому значению, соответствующему классу нагревостойкости изоляции и части электрической машины (якорь, полюса). Для большинства типов тяговых электромашин лимитирующей по нагреву является обмотка якоря [7], поэтому в дальнейшем будем рассматривать превышение температуры именно этой обмотки. При этом необходимо отметить, что выбор рационального тока нагрузки для тяговых электромашин с другими лимитирующими обмотками будет аналогичным по принципу.

В формуле (1) параметрами, определяющими критерий энергетической эффективности кэфн , являются значения т х и Тэ. Эквивалентная постоянная времени Тэ для тяговых

двигателей электровозов и тяговых агрегатов может приниматься постоянной и независимой от тока нагрузки. А установившееся превышение температуры х х является функцией тока нагрузки, которую можно считать известной для каждого типа тягового двигателя [7]. Характер такой зависимости приведен на рис. 1.

Рис. 1. Характер зависимости х^ (/)

Из анализа формул (1) и (2) можно сделать вывод, что при токе нагрузки / , для которого

х00(/)<х1, время испытания /, стремиться к бесконечности, а коэффициент энергетической эффективности кэфн равен нулю.

Условие х qq (/) < х j соответствует неравенству

1<1 оо,

где I со - длительный ток тягового электродвигателя (рис. 1).

Тогда будет иметь место выражение

?! 00, кэфн =0 при I <1

При росте тока нагрузки / и соответствующем росте превышения температуры х х время испытания 11 уменьшается, а коэффициент энергетической эффективности кэфн увеличивается.

При стремлении значений / и х х к бесконечности время испытания l, стремиться к нулю, а коэффициент энергетической эффективности к .)(|1И - к единице. Прямая линия

кэфн = 1 является асимптотой для характеристики £эфн

lim tl =0;

/-> со

lim £эфн=1.

/-> со

Характеры зависимостей к эфн

(I) И tl (/) графически представлены на рис. 2.

Рис. 2. Характеры зависимостей к эфн (I) и 1Х (/)

Другим критерием рациональности режима нагружения является минимум суммарной приведенной мощности источника испытательного

© Афанасов А. М., 2013

стенда. Этот же критерий должен быть использован при выборе рациональных схем нагруже-ния испытуемых электромашин. Наиболее целесообразным с точки зрения минимума суммарной приведенной мощности источников испытательного стенда является использование одного источника. При использовании одного источника расхождение магнитных характеристик испытуемых электромашин на величину максимальной приведенной мощности источника не влияет. Тогда максимальная приведенная мощность источника испытательного стенда [9]

2>и =-(1"ri), Ц

(3)

TP

и mm

\ Г)

/ оо 1

Рис. 3. Характеры зависимостей Г|(/) и ри (/)

Из рис. 3 видно, что зависимость (/)

на интервале изменения тока нагрузки / е[/х; х) - монотонно возрастающая. То есть, увеличение тока нагрузки / при испытании ведёт к возрастанию ^ ри .

3 Определение рационального тока нагрузки тяговых двигателей при испытании на нагрев

На рис. 4 на одной координатной плоскости качественно показаны зависимости двух показателей рациональности режима испытания,

к .)(|ш и ^ р и . от тока нагрузки / . Из графиков (рис. 4) видно, что в диапазоне изменения тока нагрузки / е[/со; улучшение одного из

показателей приводит к ухудшению другого. Уменьшение приведенной мощности источника приводит к уменьшению энергетической эффективности и наоборот.

где т| - к. п. д. испытуемых электромашин.

К. п. д. испытуемых электромашин является фкунцией тока нагрузки и максимален для большинства тяговых двигателей в точке, соответствующей длительному режиму [6]. Качественно характеристика г|(/) приведена на рис. 3. На этом же рисунке качественно показан характер зависимости ^ (/) , который соответствует выражению (3).

и

Л max

оо 1 ч 1 пуск Рис. 4. Определение рационального тока нагрузки

Минимально допустимым значением приведенной мощности является У р ц (/ пуск ). Это

обусловлено необходимостью проверки коммутации при пусковом токе. Таким образом, диапазон изменения тока / , в котором следует искать рациональное его значение, может быть представлен в виде

/е[/

пуск>

Анализ зависимостей к Э(|)н (I) , полученных

для реальных типов тяговых электродвигателей [7], показывает, что увеличение тока нагрузки от часового до пускового значения приводит к повышению к .)(|ш приблизительно в 1,5 раза.

Время проведения испытания на нагрев при пусковом токе нагрузки уменьшается почти в три раза в сравнении с часовым режимом.

Дальнейшее повышение тока нагрузки, например, до 21 ч, приводит к незначительному росту к эфн и существенному увеличению

. С данной точки зрения наиболее рациональным будет значение тока нагрузки при испытании на нагрев, равное пусковому току.

I рац = I пуск •

При испытании на нагрев тяговых двигателей электроподвижного состава промышленного транспорта (тяговых агрегатов) наиболее

© Афанасов А. М., 2013

рациональным будет значение тока нагрузки, соответствующее пятнадцатиминутному режиму, который для данного типа тяговых двигателей является типовым параметром.

7рац =/15-

Выводы

Проведение испытаний тяговых электрических двигателей на нагрев при токах нагрузки,

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников

1. ГОСТ 2582-81. Машины электрические вращающиеся тяговые. [Текст] / Государственный стандарт СССР. - М.: Издательство стандартов, 1981.-50 с.

2. Афанасов, А. М. Качественный анализ электрических и магнитных потерь в якорях тяговых электрических машин постоянного тока [Текст] / А. М. Афанасов // Вюник Нацюнального техшчного ушверситету «Харшвський полггехшчний ¡нститут».

- Харшв: НТУ «ХП1». - 2010. - № 36. - С. 13-18.

3. Афанасов, А. М. Универсальные характеристики магнитных потерь в тяговых электрических машинах [Текст] /А. М. Афанасов // Вюник Дшпро-петр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. iM. акад. В. Лазаряна.

- 2010. - Вип. 31.-С 77-80.

4. Правила ремонту електричних машин елек-трово ив i слсктропог!Д1в. ЦТ-0063 [Текст]. - К.: Ви-давшчий д1м «САМ», 2003. - 286 с.

5. Афанасов, A.M. Энергетическая эффективность нагревания обмоток тяговых электромашин при приемо-сдаточных испытаниях [Текст] / А. М. Афанасов // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - 2012. - № 5/8(59). - С. 6-9.

6. Захарченко, Д. Д. Тяговые электрические машины и трансформаторы [Текст] / Д. Д. Захарченко, Н. А. Ротанов, Е. В. Горчаков - М.: Транспорт, 1979. -303 с.

7. Правила тяговых расчетов для поездной работы. - М.: Транспорт, 1985. - 287 с.

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

9. Афанасов, А. М. Взаимное нагружение тяговых электромашин с расходящимися магнитными характеристиками [Текст] / А. М. Афанасов // Вюник Схвдноукрашського державного ушверситету iMem В. Даля. Вип. 5(176). - Ч. 1. - Луганськ: СУДУ, 2012. - С.202-206.

Поступила в печать 11.03.2013.

Ключевые слова: электроподвижной состав, тяговый двигатель, взаимное нагружение, испытание на нагрев, энергетическая эффективность, ток нагрузки, рациональность, тепловые характеристики.

равных пусковому току (для ЭПС магистрального транспорта) или пятнадцатиминутному (для ЭПС промышленного транспорта), позволит снизить расходы электроэнергии на испытания на 20 - 30% и сократить длительность испытаний в три - четыре раза при минимуме приведенной мощности источников питания системы взаимного нагружения.

REFERENCES

1. GOST 2582-81. Mashiny elektricheskie vrash-chayushchiesya tyagovye [Rotating electrical machines traction] / Gosudarstvennyy standart SSSR - State Standard of the USSR. Moscow, Publisher standards, 1981. 50 p.

2. Afanasov A. M. Kachestvennyy analiz elektrich-eskikh i magnitnykh poter v yakoryakh tyagovykh el-ektricheskikh mashin postoyannogo toka [Qualitative analysis of the electric and magnetic losses in traction anchors dc electrical machines]. Visnik Natsionalnogo tekhnichnogo universitetu «Kharkivskiy politekhnichniy institut» - Journal of the National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», 2010, № 36. pp. 13-18.

3. Afanasov A. M. Universalnye kharakteristiki magnitnykh poter v tyagovykh elektricheskikh mashinakh [Universal characteristics of magnetic losses in traction electric machines]. Visnik Dnipropetr. nats. un-tu zalizn. transp. im. akad. V. Lazaryana - Journal of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, 2010, issue 31, pp. 77-80.

4. Pravila remontu elektrichnikh mashin elektrovoziv i elektropoi'zdiv. TsT-0063 [Rules repair electric cars and electric trains. TsT-0063], Kiev, Publishing house «SAM», 2003. 287 p.

5. Afanasov A. M. Energeticheskaya effektivnost nagrevaniya obmotok tyagovykh elektromashin pri prie-mo-sdatochnykh ispytaniyakh [The energy efficiency of the heating coils of electric traction in the acceptance tests]. Vostochno-evropeyskiy zhurnal peredovykh tekhnologiy -East European Journal of advanced technologies, 2012, № 5/8(59). pp. 6-9.

6. Zakharchenko D. D., Rotanov N. A., Gorchakov E. V. Tyagovye elektricheskie mashiny i transformatory [Traction electric machines and transformers]. Moscow, Transport, 1979. 303 p.

7. Pravila tyagovykh raschetov dlya poezdnoy raboty [Rules traction calculations for train operation], Moscow, Transport, 1985. 287 p.

8. Rozenfeld V. E., Isaev I. P., Sidorov N. N. Teoriya elektricheskoy tyagi [Theory of electric traction], Moscow, Transport, 1983. 328 p.

9. Afanasov A. M. Vzaimnoe nagruzhenie tyagovykh elektromashin s raskhodyashchimisya magnitnymi kharak-teristikami [Mutual loading of electric traction with diverging magnetic characteristics]. Visnik Skhidnoukrainskogo derzhavnogo universitetu imeni V. Dalya - Journal the Eastern University named after V. Dalya. Lugansk, 2012, issue 5(176), part 1. pp. 202-206

Статья рекомендована к печати д.т.н., профессором Г. К. Гетьманом

©Афанасов А. М., 2013

Рассмотрены вопросы выбора рационального режима взаимного нагружения тяговых электрических двигателей электроподвижного состава магистрального и промышленного транспорта при их испытании на нагрев.

Показано, что энергетические затраты на проведение испытаний тяговых двигателей на нагрев могут быть снижены как за счёт повышения энергетической эффективности системы взаимной нагрузки, так и путём оптимизации режима нагружения тяговых электромашин. Предложено проведение испытаний на нагрев тяговых двигателей электроподвижного состава магистрального и промышленного транспорта при пусковом и пятнадцатиминутном токе нагрузки соответственно.

Показано, что проведение испытаний тяговых электрических двигателей на нагрев при токах нагрузки, равных пусковому или пятнадцатиминутному значениям, позволит снизить расходы электроэнергии на испытания на 20-30% и сократить длительность испытаний в три-четыре раза при минимуме приведенной мощности источников питания системы взаимного нагружения.

УДК 621.313.001.4

А. М. АФАНАСОВ (ДНУЗТ)

Кафедра Електрорухомий склад, Днтропетровський нацюнальний ушверситет зал1зничного транспорту ¡меш академка В. Лазаряна, вул. Лазаряна 2, Днтропетровськ, Украша, 49010, тел.: (056) 373-15-31, ел. пошта: afanasof@ukr.net

ШДВИЩЕННЯ ЕНЕРГЕТИЧН01 ЕФЕКТИВНОСТ1 ВИПРОБУВАНЬ НА НАГР1В ТЯГОВИХ ДВИГУН1В ЕЛЕКТРОРУХОМОГО СКЛАДУ МАПСТРАЛЬНОГО I ПРОМИСЛОВОГО ТРАНСПОРТУ.

Розглянуто питания вибору рацюнального режиму взаемного навантаження тягових електричних двигушв електрорухомого складу мапстрального i промислового транспорту при 'ix випробуванш на HarpiB.

Показано, що енергетичш витрати на проведения випробувань тягових двигушв на HarpiB можуть бути понижен! як за рахунок пщвищення енергетичноТ ефективносп системи взаемного навантаження, так i шляхом оптим1заци режиму навантажування тягових електромашин. Запропоноване проведения випробувань на HarpiB тягових двигушв електрорухомого складу мапстрального i промислового транспорту при пусковому i п'ятнадцятихвилинному струм1 навантаження вщповщно.

Показано, що проведения випробувань тягових електричних двигушв на HarpiB при струмах навантаження, piBHHX пусковому або п'ятнадцятихвилинному значениям, дозволить понизити витрати електрое-нергм на випробування на 20-30% i скоротити тривалють випробувань в три-чотири рази при MiHiMyMi приведено! потужносп джерел живлення системи взаемного навантажування

Ключов1 слова: електрорухомий склад, тяговий двигун, взаемне навантаження, випробування на HarpiB, енергетична ефектившсть, струм навантаження, рацюнальшсть, теплов1 характеристики.

Статтю рекомендовано до друку д.т.н, профссором /'. К. Гетъманом UDC 621.313.001.4 А. М. AFANASOV (DNURT)

Department of Electric rolling-stock, Dnepropetrovsk National University of Railway Transport named after academician V. Lazaryan, 2 Lazaryan Street, Dnepropetrovsk, Ukraine, 49010, tel.: (056) 373-15-31, e-mail: afanasof@ukr.net.

IMPROVING ENERGY EFFICIENCY OF THE HEATING TEST THE TRACTION MOTORS OF ELECTRIC ROLLING TRUNK AND INDUSTRIAL TRANSPORT

The problems of choice of a rational regime of mutual loading traction electric motors electric rolling trunk and industrial vehicles when testing for heat.

It is shown that the energy costs of the tests of traction motors for heating can be reduced both by increasing the energy efficiency of the system of mutual load and by optimizing the loading regime of electric traction. Proposed testing for heat traction motors of electric rolling trunk and industrial vehicles and fifteen minutes at the starting load current, respectively.

It is shown that the testing of electric traction motors for heating at load currents equal to the start-up or fifteen-minute values will reduce the cost of electricity to the test by 20-30% and reduce the duration of the test is three to four times with a minimum relative power of power supplies system for the mutual loading.

Keywords: structure of electric, traction motor, mutual loading test, the heating, energy efficiency, load current, rationality, thermal performance.

Prof. G. K. Getman, D. Sc. (Tech.) recommended this article to be published.

© Афанасов A. M., 2013