Научная статья на тему 'Анализ полнопоточной электромеханической трансмиссии шахтного локомотива с дизельным двигателем'

Анализ полнопоточной электромеханической трансмиссии шахтного локомотива с дизельным двигателем Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
105
19
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МАТРИЧНЫЙ АНАЛИЗ / INNOVATIVE TECHNOLOGY OF TRANSMISSION ANALYSIS / ПОЛНОПОТОЧНАЯ ТРАНСМИССИЯ / FULL-PARAMETRIC TRANSMISSION / МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ / MATHEMATICAL MODELS / АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ГЕНЕРАЦИЯ / AUTOMATED GENERATION / ШАХТНЫЙ ДИЗЕЛЕВОЗ / MINE LOCOMOTIVE

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Таран Игорь Александрович

С помощью новейшей технологии матричного анализа параметров трансмиссий, представляющего собой построение произвольных структурных схем трансмиссий из меню элементарных базовых элементов с параллельной автоматизированной генерацией их математических моделей, рассмотрена полнопоточная электромеханическая трансмиссия шахтного дизелевоза.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Таран Игорь Александрович

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

Analysis of full-flow electric/mechanical transmission of diesel engine driven mine locomotive

Full-parametric transmission of the mine locomotive is considered; angular velocities, torques, and structural elements parameters being part of it are determined due to the innovative technology of transmission analysis that corresponds to the construction of random structural transmission layouts with the menu of elementary basic elements with parallel automated generation of their mathematical models.

Текст научной работы на тему «Анализ полнопоточной электромеханической трансмиссии шахтного локомотива с дизельным двигателем»

© И.А. Таран, 2013

УДК 621.83.06:622.625.28 И.А. Таран

АНАЛИЗ ПОЛНОПОТОЧНОЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИИ ШАХТНОГО ЛОКОМОТИВА С ДИЗЕЛЬНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

С помощью новейшей технологии матричного анализа параметров трансмиссий, представляющего собой построение произвольных структурных схем трансмиссий из меню элементарных базовых элементов с параллельной автоматизированной генерацией их математических моделей, рассмотрена полнопоточная электромеханическая трансмиссия шахтного дизелевоза.

Ключевые слова: матричный анализ, полнопоточная трансмиссия, математическая модель, автоматизированная генерация, шахтный дизелевоз.

В связи со значительным прогрессом в области создания электрических машин и разработкой новых конструкций с высокой удельной мощностью, КПД которых достигает 0,95 [1], актуальной является задача моделирования работы шахтного дизелевоза с бесступенчатой электрической (электромеханической) трансмиссией, позволяющей плавно изменять угловую скорость выходного звена при постоянной угловой скорости коленчатого вала двигателя. Кинематика, распределение моментов и мощностей, механические потери и КПД на механических звеньях электромеханической трансмиссии могут определяться с помощью существующей методики матричного трансмиссионного анализа [2, 3].

Основы матричного анализа трансмиссий транспортных машин даны в работе [3]. Общая постановка задачи параметрического синтеза гидрообъемно-механических трансмиссий [4] и сравнение их универсальных характеристик электропередачи с вариатоорами, а также с новыми универсальными характеристиками гидропривода ГСТ-90 на предмет кинематической, нагрузочной и энергетической эффективности их использования в бесступенчатых трансмиссиях шахтных дизелевозов приведены в работе [5]. Однако, электрические передачи в теории матричного анализа не рассматривались, базисные матрицы электрических машин не составлялись, что не позволяет проводить построение произвольных структурных схем электромеханических трансмиссий и их параметрический синтез в составе конкретного транспортного средства. Работы по анализу эффективности электрических бесступенчатых трансмиссий на шахтных дизелевозах в литературе отсутствуют.

Целью работы является развитие метода трансмиссионного матричного анализа с точки зрения определения базисных матриц синхронного генератора с возбуждением постоянными магнитами, частотного преобразователя, асинхронного двигателя, электрической передачи в целом, и применение введенных базисных матриц для анализа полнопоточной электрической трансмиссии дизелевоза.

Рис. 1. Схема замещения электрической передачи

Принципиальная электрическая схема замещения системы «синхронный генератор — частотный преобразователь — асинхронный электродвигатель» представлена на рис. 1.

С учетом потерь мощности на активном сопротивлении К, кинетостатиче-ские уравнения, описывающие установившийся режим работы синхронного генератора с возбуждением постоянными магнитами, имеют вид:

®1 К = и1 + 71 я1;

f = ■

(1)

2%

2%Mi =- Ii ku,

где ku — коэффициент, зависящий от конструктивных характеристик генератора, в частности, от магнитного потока постоянных магнитов, суммарной длины обмотки, зазора между ротором и статором, В'рад/с; ю1 — угловая скорость вала генератора, рад/с; M1 — момент нагрузки на валу генератора, Н'м; U1 — амплитудное значение напряжения, В; I1 — амплитудная величина силы

тока, A; f1 — частота напряжения, Гц; q--постоянная составляющая КПД

генератора, не учитывающая потери мощности на активном сопротивлении в обмотках статора; поскольку генератор работает в режиме постоянной угловой скорости, то его cos ф также является постоянным и учитывается в данном коэффициенте; R1 — активное сопротивление обмоток статора, Ом.

Согласно принятой аксиоматике о знаках мощностей на элементах или узлах трансмиссии [2], считается, что мощность, входящая в синхронный генератор формально отрицательна, а выходящая — положительна (при этом |N2| <

Исходя из условия ю1 > 0 (угловая скорость коленчатого вала двигателя, с которым непосредственно соединен генератор) при формально отрицательной входной мощности, необходимо принять M1 < 0. Поэтому в третьем уравнении системы (1) имеет место знак «-». Система уравнений (1) может быть переписана в матричном виде:

- ku -1 0

0 0 2-г

1 0 0

0 2% 0

0

к

ю1

M1 "0"

Ц = 0

0

I1

(2)

ю

1

В отличие от гидрообъемных передач, при описании электрических машин не наблюдается деления на базисные силовые и кинематические матрицы, поскольку кинематические переменные в электрических машинах порождают нагрузочные и энергетические. Таким образом, матричное уравнение (2) описывает работу синхронного генератора с возбуждением постоянными магнитами в стационарном режиме и является его полной матричной системой.

Аналогично, для частотного преобразователя группа уравнений, описывающих его работу имеет вид:

и=ки 4 = ек

(3)

4 =

ке

где е е [0;2] — параметр регулирования, ке е [0;1] — коэффициент трансформации, отражающий способность частотного преобразователя регулировать напряжение на выходе (при этом данное напряжение не может превышать величины напряжения на входе); иа, и2 — напряжение на входе и выходе преобразователя, В; 1а, 12 — сила тока на входе и выходе преобразователя, А; Лч — постоянный КПД преобразователя.

Полная матричная система для частотного преобразователя имеет вид:

- ке 0 0 1 0 0

0 - е 0 0 1 0

0 0 Лч 0 0 ке

и к

и0

12

(4)

Электрическая мощность, присутствующая на выходе генератора, на входе и выходе частотного преобразователя, а также на входе электродвигателя, определяется как среднеинтегральная величина произведения напряжения на силу тока:

2 - 2 -

N = 2- | и а) I а )А = 2- иА1А 1з1п2 (о^) Л

^ иА*А |(1 - ССЗ (2^)) = 4- иА1А = 2 иЛ

(5)

где иА, 1А — амплитудные значения переменного напряжения и тока соответственно.

Группа уравнений, описывающих работу асинхронного двигателя, имеет вид:

ш2 = 2/ (1 - s)

[M2 + k, л al2 = 0'

где ki — коэффициент пропорциональности между током и моментом, Н'м/А:

k = M = N ю2-1

1 ,2 2NU2-1

u0

U2

2ю2 4/

(7)

где и2 — напряжение на входе электродвигателя, В; — частота напряжения, Гц; 12 — сила тока на входе электродвигателя; э — скольжение электродвигателя; ю2 — угловая скорость вала электродвигателя, рад/с; М2 — момент на валу электродвигателя, Н'м.

Полная матричная система для электродвигателя имеет вид:

~и2 ~

"0"

0 2л (s -1) 0 10 0 0 к,цл 0 1

Mn

(8)

Механический КПД электродвигателя определяется как отношение реального активного момента М2 к теоретическому М0:

M = lgUz = l к • М 4/ l2 kl;

M2 = alzUz cos ф = M0a cos ф •

(9)

(10)

Л = a cos ф , (11)

где a — отношение силы тока в цепи статора электродвигателя к общему потребляемому току:

' \2

a =

^22 f2 )2

^22 + (2 л/2 L2 )2 + + R4 s-1 )2 + (2/ L3 )2

Im Z.

ф = arctan

Re Z. '

2s =

R2 + R3 + R4 s 1 + j2nf2 (L3 + L2) (R3 + R4 s-1 + j2/L3 )(R2 + j2/ L2)'

(12)

(13)

(14)

Матричная система для электрической передачи в моноблочном исполнении (как единый элемент, на входе и выходе которого присутствует механическая мощность), имеет вид:

"е (1 - в) 0 10" _ 0 л 0 е

где л — произведение КПД генератора, частотного преобразователя и механического КПД асинхронного электродвигателя.

Заменив в структурной схеме дизельпоезда Д8-600 раздельную гидросистему на систему «генератор — частотный преобразователь — электродвигатель» (рис. 2), и применив введенные базисные матрицы, можно получить новые матричные шаблоны — кинематический и силовой — электрической трансмиссии. При этом необходимо добавить согласующие редукторы, поскольку угловая скорость валов электродвигателей в 4 раза выше, чем угловая скорость валов гидромоторов. Кроме того, в новой структурной схеме полнопоточной электрической трансмиссии добавлена возможность переключения между тяговым и транспортным скоростным диапазоном.

Матричные шаблоны переводятся в полное матричное уравнение, с помощью которого можно проанализировать работу полнопоточной электрической трансмиссии дизельпоезда. Результаты анализа представлены на рис. 3. Матричные шаблоны и матричное уравнение ранга 40 затруднительно представить в явном виде, поэтому в статье не приводится, однако методика преобразования рассмотрена в [2] и продемонстрирована в [3].

Для расчета были выбраны следующие исходные данные: масса дизельпоез-да 10 тонн; коэффициент сцепления в тяговом режиме $ = 0,23; ^=29/23; 12=13=14/68; Ц = 13/53, 15 = 27/53, 16 = 46/35; радиус ведущего колеса г = 0,3 м; мощность двигателя N = 73,6 кВт.

По электрическим машинам исходные данные выбраны следующим образом: Ш01 = 266 рад/с; ихх = 460 В; сопротивление статора генератора Н1=100 мОм; сопротивление цепи намагничивания Н2 = 10 Ом; индуктивность цепи намагничивания Ь2 = 200 мГн; сопротивление статора двигателя Н3 = 200 мОм; индуктивность статора двигателя Ь3 = 2 мГн; сопротивление ротора двигателя Н4 = 100 мОм; КПД генератора "Г = 0,9; КПД частотного преобразователя лч = 0,95. Параметр регулирования изменяется в интервале е е [0,01;1,0].

Выводы

1. Развита методика матричного анализа трансмиссий за счет ввода базисных матриц новых элементов: синхронного генератора, частотного преобразователя, асинхронного электродвигателя. Введенные базисные матрицы применены для анализа полнопоточной электрической трансмиссии.

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

2. В результате применения полнопоточного варианта электротрансмиссии, как и в случае полнопоточной ГОМТ [11] получен весьма низкий КПД трансмиссии, который регламентируется невысоким максимальным КПД электропередачи. В свою очередь, последний не превышает 0,71, а с учетом КПД редукторов общий КПД трансмиссии не более 0,64.

М,

М2

"0" 0

ф.

Пшг

СО,

ф2 1.1Ш1.

ПЖ1Г,

Рис. 2. Структурная схема полнопоточной электрической трансмиссии

Рис. 3. Результаты анализа полнопоточной электрической трансмиссии Д8-600

3. В выбранной электропередаче сила тока (аналог давления нагрузки в гидрообъмной передаче) оценивается амплитудной величиной 165А на тяговом режиме и вызывает интенсивные потери в активном сопротивлении статоров генератора и электродвигателя. Данные потери можно уменьшить путем повышения напряжения на выходе генератора, увеличивая передаточное число Ь. При этом для уменьшения угловой скорости ведущего колеса необходимо уменьшать передаточные отношения

4. Особо следует отметить отсутствие реверса электрической трансмиссии (отсутствие заднего хода) путем регулировки частотного преобразователя. В случае электротрансмиссии обеспечение заднего хода достигается дополнительными конструктивными усложнениями схемы. Для гидрообъемных полнопоточных ГОМТ реверс, определяемый знаком угла наклона шайбы регулирования гидронасоса, является безусловным достоинством.

5. Обобщая выводы данной работы и [3], можно констатировать следующее: полнопоточные гидрообъемно-механические и электрические бесступенчатые трансмиссии имеют неприемлемо низкий КПД и низкие тяговые и технико-экономические характеристики.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кислицын А.Ё. Синхронные машины. Учебное пособие. Ульяновск: Электромеханика, 2000. — 109 с.

2. Саморолов В.Б. Основы матричного анализа трансмиссий транспортных машин // Информационные технологии: наука, техника, технология, оборудование, здоровье. -Харьков, 1997. -С.378—379.

3. Таран И.А. Теоретические основы автоматизированного структурного синтеза и технология матричного моделирования трансмиссий // Научный вестник НГУ -2009. -№11. -С. 46-53.

4. Динамика траспортно-тяговых колесных и гусеничных транспортных машин / Самородов В.Б., Александров Е.Е., Лебедев А.Т. и др. — Харьков: ХГАДТУ- 2001.- 642 с.

5. Таран И.А. Сравнение универсальных характеристик объемных и электрических передач как основных элементов трансмиссии дизелевоза // Научный вестник НГУ -2009. -№10. - С. 70-72. ЕЕ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Таран Игорь Александрович — кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой, taran_70@mail'ru, Национальный горный университет, г. Днепропетровск.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.