CC BY
11
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 5 (65)
ЕЛЕКТРИЧНИЙ ТРАНСПОРТ
UDC 62-83
L. V. DUBYNETS1, O. L. MARENYCH2, O. YU. BALIICHUK3, A. S. KORTOHUS4*
'Dep. «Electric Engineering and Electromechanics», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 373 15 47, ORCID 0000-0003-0319-4544
2Dep. «Electric Engineering and Electromechanics», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 373 15 47, 3ORCID 0000-0003-3602-5851
3Dep. «Electric Engineering and Electromechanics», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 373 15 47, e-mail [email protected], ORCID 0000-0003-0119-1446
4*Dep. «Electric Engineering and Electromechanics», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (096) 256 19 65, e-mail [email protected], ORCID 0000-0001-9316-3500
ENERGY SAVING DURING OPERATION OF EQUIPMENT WITH NON-CONTROLLED ELECTRIC DRIVE IN LOCOMOTIVE DEPOT
Purpose. To conduct research of electric motors in order to obtain the results that will assess the degree of energy saving due to electric loss reduction in the equipment with non-controlled electric drive. Methodology. The paper proposes an engineering method for determination of active power losses in the motors of the equipment with non-controlled electric drive in locomotive depot during load changes on the motor shaft. It is necessary to analyse the reduction of active power losses in the motor and the power supply network when an under-loaded motor is replaced with a motor having less power. Findings. After the calculations performed by the authors, it was found that for electric motors, in case of reducing the load factor from 0,7...0,75 to 0,4...0,5 active loss reduction after the motor replacement for the less powerful one ranges from 0.58 kW to 2.865 kW. Also, the calculations were carried out on the example of electric motors with a lower synchronous speed, the effect of under-loaded motor replacement increases in terms of active power loss reduction. The greatest effect is achieved when the load factor is kl < 0.55 . Originality. For the first time the paper outlines the issues of energy saving efficiency for the equipment with non-controlled electric drive in locomotive depot by replacing the under-loaded motors with the less powerful ones. As long as there is a significant amount of the considered electric drives, it may cause severe losses, taking into account the peculiarities of their operation. Practical value. The obtained research results allow us to solve the problem of replacement of under-loaded motors in locomotive depot equipment with the motors having less power as efficiently as possible in terms of reducing electric losses. For instance 90-kW motor of a washing machine can be replaced with 75-kW motor when the load factor is kl < 0.7, this can significantly reduce the performance losses. This method can be applied not only in locomotive depot but also for all equipment with non-controlled electric drives that operates in under-load mode.
Keywords: electric drives; locomotive depot; energy savings; active power loss; motor load factor; AIR series motors
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 5 (65)
Introduction
Energy saving is the strategic line of development of the main branches of the economy. A significant share of electric power consumers falls to electric motors of various purposes, which consume more than half of the energy produced [3, 12]. There is where the largest energy saving reserves lie in. The repair of locomotives in a depot often involves the equipment whose electric drive motors operate in non-controlled mode. This usually includes squirrel-cage induction motors with power from tenth of kW to several tens of kW. For example, dolly, which is used for repair of locomotive bogies, has the electric motor with power of 0.8 kW; the electric motor of the assembly line for locomotive axle-box repair has power of 2.2 kW; electric motor power of the washing machine for washing the bearings is 29.7 kW, that of washing machine for washing the traction motors is 82 kW, etc. [1, 16, 18].
Purpose
To conduct research in order to obtain the results that will assess the degree of energy saving due to electric loss reduction in the equipment with non-controlled electric drive.
Methodology
Practice shows that in real operation conditions of this equipment, depending on the locomotive repair technology, the load factor of many electric drive motors is less than 50%. The drive operation in under-load mode results in huge losses. There are several ways to implement energy saving by means of an industrial electric drive [1, 16, 17, 18]. In our case, the most appropriate in terms of ease of implementation and losses is the replacement of the powerful electric drive with that having less power to reduce active power losses in the motor and in the electricity network [3, 4, 17, 18]. Let us consider the specific example, when for the purpose of equipment unification the traction motor washing machine is used for washing reduction gear housing, axle-box and other assemblies that are placed on the table of the handling dolly. Herewith the electric drive motor load factor may vary depending on the table load.
It is necessary to analyse the reduction of active power losses in the motor and the electrical net-
Um n0m = 380 V, Inoml = 160 A,
work when replacing the under-loaded motor mounted during the equipment manufacture with the less powerful motor when washing other (non-traction motors) units of the locomotive.
Initial data: electric drive mode is long-term. AIR series motor with the following parameters [4, 9]: ^nom: = 90 kW,
nm nom1 = 0 93, cos 9nom1 = 0 911 ■.
cos = 0.15. Motor type - 5АМ250М2.
The analysis is performed in accordance with [13]. We propose the following method [6, 7, 14]. Losses of active power in no-load mode of 5АМ250М2 motor:
AP5X1 = V34dUm nom cos " 10^ =
= V3 • 48 • 380 • 0.15-10-3 = 4.73 kW (1)
No-load current:
4<1 = 0.31n0m1 = 0.3 160 = 48 А , (2)
where 0.3 - coefficient according to [12]. Then the relative losses in no-load mode:
AP
АРхх1* = —^ -100% =
Pnom1
4.73 90
100% = 5.25%
The motor load factor:
kn =
P
Pno
(3)
(4)
where Pr - actual load of the mounted motor of the washing machine.
The feasibility of reducing the installed motor power must be justified with calculations, if:
(0.4...0.5) < kn < (0.7...0.75)
We
accept:
kn = 0.7.
(5) Then:
Pr = kl1Pnom1 = 0.7• 90 = 63 kW. The closest to Pr = 63 kW and more powerful is the motor of 5AM250S4 type [3]. Specifications of 5АМ250S4 type motor: P^ = 75 kW , Umnom = 380 V,
nm nom2 = 0.93, cos 9nom2 = 0.91, ^2 = 134.6 A, cos ^2 = 015 .
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 5 (65)
Then for 5AM250S4 type motor:
^xx2 = ^3Ixx2Um nom Cos фж2 • 10^ =
= V3 • 40.38 • 380 • 0.15 •lO-3 = 3.98 kW (6) No-load current:
Ixx2 = 0.31nom2 = 0.3• 134.6 = 40.38 A , (7)
ДР^^хх! •100% = 398
xx2 p HZ
•100% = 5.3% (8)
ДРЪ = ( (1 - ) + kn2Qnom ) +
+^xx1 + кп2ДРщ, (9)
where
Qxx1 = Äm nom Ixx1 ^
(10)
Qxx1 = >/3 • 380• 48•Ю-3 = 31.55 kVAr .
Qnom1
( p • t§ Фnom1 ^ nom1
nm nom1 J
- reactive motor power in rated load mode;
(11)
Qnom1 =1 90
0.456 0.93
= 44.13 kVAr
ДР = P
ш in1 1 nom1
1 -n
m nom1
1
nm
1+ Y1
(12)
where y1 =
ДР
xx1
ДРР,
- design coefficient depending
in1
on the electric motor design and calculated by the formula:
Y1 =
Y1 =
др
xx1
100 (1 -nm nom1 )-ДРх
5.25
(13)
The total active power losses APS1 for 5AM250M2 type motor:
ДРш = 90
100 (1 - 0.93)-5.25 1 - 0.93 1
= 3
0.93 1 + 3
= 1.7 kW
Then,
ДРЕ1 =(31.55(1 -0.72) + 0.72 • 44.13^ 0.125-
+4.73 + 0.72 -1.7 = 10.27 kWT
Similarly, the total active power losses for less powerful motor of 5AM250S4type:
- reactive power consumed from the network in no-load mode;
Q 2 =sßü I 2 =
ü-xx 2 v m nom xx 2
= • 380 • 40.38 •Ю-3 = 26.55 kVAr (14)
Q
nom2
P
nom2
„tg.^noml ' =
nm nom2 j
=175.0456
0.93
= 36.77 kVAr (15)
tg 9nomi = tg ( arccos 9noml ),
where cos 9nom1 - nominal motor power factor; ke - increased loss coefficient or economic equivalent, which determines the active power losses for transmission of one kVAr of reactive power into these power supply systems,
ke = 0.125 kWkVAr for low voltage consumers
[4]; APin1 - increased active power losses in the electric motor for 100% load;
Y 2 =
ДР:
xx 2
100 (1 -nm nom2 )
5.3
100 (1 - 0.93)-5.3
= 1.7
(16)
ДР!п2 Pnom2
1 П m nom2 nm nom2
1+ Y2
1 - 0 93 1
= 75 --— = 2.09 kW (17)
0.93 1 +1.7
ДРХ 2 =(Qxx2 (1 - k 22 ) + к, 22Qnom ) К
+ДРхх2 + к, 22 ДР|П2
(18)
Ж
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 5 (65)
к, 2 =-P- = -63 = 0.84
P 75
1 nom2 'J
(19)
APZ2 = (26.55(l-0.842) + 0.842 • 36.77)• 0.125-
+3.98 + 0.842 • 2.09 = 9.69 kW
Thus, after replacing the under-loaded motor 5AM250M2 at kn = 0.7 with the less powerful motor 5AM250S4 in the washing machine, we obtained the reduction of active power losses in the motor and the electricity network:
AP = APS1 -AP, 2 = 10.27 - 9.69 = 0.58 kW (20)
Similarly, we conducted the calculations and the analysis of active power loss reduction in the motor and the electricity network, if
kl1 = 0.65; 0.6; 0.55; 0.5
at n = 3000 r.p.m.; 1500 r.p.m.; 1000 r.p.m.; 750 r.p.m.
When choosing [3] the motor type which is the closest to the more powerful one relative to the real load Pr, it is necessary to provide:
к 2
P
Pn
-< 0.9
(21)
AP, =(31.55(l-0.62) + 0.62 • 44.13)• 0.125-
+4.73 + 0.62 • 1.7 = 9.85 kW kl 2 = 0.72
AP,2 =(26.55(1 -0.722) + 0.722 • 36.77)• 0.125 +
+3.98 + 0.722 • 2.09 = 8.37 kW AP = AP, -AP, 2 =9.85 -8.37 = 1.48 kW
When kl1 = 0.55: Pr = 49.5 kW . The closest more powerful motor is 5A225M2 type (55 kW,
49.5
3000 r.p.m.). Here it is ensured k,2 =-= 0.9 .
12 55
AP, =(31.55(1 -0.552) + 0.552 • 44.13)-0.125 +
+4.73 + 0.552 4.7 = 9.67 kW
1 xx 2 = 0.25 (according to [7] we take this ratio as
0.25, which is the average value of this ratio for the power range 22.5 ... 110 kW and corresponds to the average power - 55 kW).
4x2 = 24.8 A; AP2 = 2.45 kW ; AP* = 4.45 %
We obtained the following results for the motors at 3000 r.p.m.
When kl1 = 0.65: Pr = 58.5 kW. The closest
more powerful, than Pr = 58.5 kW, is 5AM250S4
type motor (as when kl1 = 0.7).
AP, =(31.55 (1 - 0.652) + 0.652 • 44.13) 0.125 +
+4.73 + 0.652 4.7 = 10.07 kW ki 2 = 0.78
AP,2 = (26.55(1 -0.782) + 0.782 • 36.77)0.125 +
+3.98 + 0.782 • 2.09 = 8.69 kW AP = AP, -AP, 2 = 10.07 - 8.69 = 1.38 kW
AP, =(31.55(1 -0.552) + 0.552 • 44.13)x
x0.125 + 4.73 + 0.552 • 1.7 = 9.67 kW
Qxx2 = 16.3 kVAr; Qnom2 = 27.11 kVAr ; Y2 = 1,46 APn2 = 1.83 kW.
AP,2 =(16.3(1 -0.92) + 0.92 • 27.11)x
x0.125 + 2.45 + 0.92 «1.83 = 7.06 kW AP = AP, -AP, 2 = 9.67 - 7.06 = 2.61 kW .
When kl1 = 0.5: Pr = 45 kW . The closest more powerful motor is 5A225M2 type. kl2 = 0.82 .
AP, =(31.55(1 -0.52) + 0.52 • 44.13)x
When kn = 0.6 : Pr = 54 kW.
x0.125 + 4.73 + 0.52 4.7 = 9.495 kW
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 5 (65)
AP,2 =(16.3(1 -0.822) + 0.822 -27.11)x For AIR series motors at 750 rpm- we ob-
tained the following.
x0.125 + 2.45 + 0.822-1.83 = 6.63 kW For illustration purposes we wiH show
AP = f (kl1) in the form of Table 1.
The parameters listed in Table 1 are obtained
Similarly, the following values of AP are ob- for the ^^ of electric motors shown in Table 2 tained for AIR series motors at 1500 r.p.m.
For AIR series motors at 1000 r.p.m. we obtained the following.
AP = AP, -AP, 2 = 9.495 - 6.63 = 2.865 kW.
When k„ =
When k„ =
When k„ =
When k„ =
When k„ =
When k„ =
When k„ =
When k„ =
When k„ =
When k„ =
When k„ =
When k„ =
When k„ =
When k„ =
When k„ =
0.7: 0.65 0.6: 0.55 0.5 :
0.7:
0.65 0.6: 0.55 0.5:
0.7:
0.65 0.6: 0.55 0.5 :
AP,
AP,
AP,
AP,
AP,
AP,
AP,
AP,
AP,
AP,
AP,
AP,
AP,
AP,
AP,
= 10.59 kW = 10.48 kW = 10.34 kW = 10.25 kW = 10.128 kW = 11.43 kW = 11.37 kW = 11.3 kW = 11.23 kW = 11.17 kW = 13.04 kW = 13.02 kW = 12.98 kW = 12.86 kW = 12.87 kW
AP, 2 =
AP, 2 =
AP, 2 =
AP, 2 =
AP, 2 =
AP, 2 =
AP, 2 =
AP, 2 =
AP, 2 =
AP, 2 =
AP, 2 =
AP, 2 =
AP, 2 =
AP, 2 =
AP, 2 =
9.23 kW 9.09 kW 8.92 kW 7.415 kW 7.17 kW 9.73 kW 9.64 kW 9.55 kW 8.49 kW 8.37 kW 10.9 kW 10.825 kW 9.16 kW 7.84 kW 7.73 kW
AP = 1.36 kW AP = 1.39 kW AP = 1.42 kW AP = 2.835 kW AP = 2.96 kW AP = 1.7 kW AP = 1.73 kW AP = 1.75 kW AP = 2.74 kW AP = 2.8 kW AP = 2.14 kW AP = 2.195 kW AP = 3.82 kW AP = 5.02 kW AP = 5.09 kW
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету з^зничного транспорту, 2016, № 5 (65)
Table 1
Dependence AP = f ( kn )
3000 r.p.m.
AP , kW 0.58 1.38 1.48 2.61 2.865
kn 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5
1500 r.p.m.
AP , kW 1.36 1.39 1.42 2.835 2.96
kn 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5
1000 r.p.m.
AP , kW 1.7 1.73 1.75 2.74 2.8
kn 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5
750 r.p.m.
AP , kW 2.14 2.195 3.82 5.02 5.09
kn 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5
Table 2
Types of motors, used during the research
3000 r.p.m.
Electric motor type 5AM250M2 5AM250S4 5AM250S4 5AM250S4 5A225M2 5A225M2
kn >0.7 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5
1500 r.p.m.
Electric motor type 5АМ250М4 5AM250S4 5AM250S4 5AM250S4 5A225M4 5A225M4
kn >0.7 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5
1000 r.p.m.
Electric motor type AIR280M6 AIR280S6 AIR280S6 AIR280S6 AIR250M6 AIR250M6
kn >0.7 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5
750 r.p.m.
Electric motor type AIR315S8 AIR280M2 AIR280M2 AIR280M2 AIR280S8 AIR280S8
kn >0.7 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 5 (65)
Findings
After the performed calculations it was found that for AIR series electric motors, in case of reducing the load factor within the range (0.4...0.5)<kt <(0.7...0.75), active power loss
reduction in the motor and the network after replacement of the under-loaded motor with the less powerful one ranges from 0.58 kW to 2.865 kW at initial motor power of 90 kW. The obtained numerical values of reduction of these losses can be used as source information when considering the feasibility of replacement of the motors within the specified range of the load values. When using the motors with the lower synchronous speed, the effect of under-loaded motor replacement increases in terms of active power loss reduction. The greatest effect is achieved when the load factor is k, < 0.55 .
Originality and practical value
For the first time the paper outlines the issues of energy saving efficiency for the equipment with non-controlled electric drive by replacing the under-loaded motors with the less powerful ones, taking into account the peculiarities of their operation in a locomotive depot.
The obtained research results allow us to solve the problem of replacement of under-loaded motors in locomotive depot equipment with the motors having less power as efficiently as possible in terms of reducing the electric losses and increasing the electric motors operation period.
Conclusions
1. The proposed method for determining the reduction of active power losses in the electric motor and the power supply network after replacing an under-loaded motor with a less powerful motor can be used during continuous mode operation of various machines at the railway rolling stock repair enterprises.
2. The obtained numerical values of reduction of these losses can be used as source information when considering the feasibility of replacement of the motors within the load factor range 0.5 < k, < 0.7 .
3. When using the motors with the lower synchronous speed, the effect of under-loaded motor
replacement increases in terms of active power loss
reduction. The greatest effect is achieved when the
load factor is k < 0.55 .
LIST OF REFERENCE LINKS
1. Вишневский, С. Н. Характеристики двигателей в электроприводе / С. Н. Вишневский. - Ленинград : Энергия, 1977. - 432 с.
2. ДСТУ 3886-99. Енергозбереження. Системи електроприводу. Метод аналiзу та вибору. -Надано чинносп 2000-07-01. - Кшв : Держста-ндарт Украши, 2000. - 54 с.
3. Закладний, О. М. Енергозбереження засобами промислового електропривода / О. М. Заклад-ний, А. В. Праховник, О. I. Соловей. - Кшв : Кондор, 2005. - 408 с.
4. Ильинский, Н. Ф. Энергосбережение в электроприводе / Н. Ф. Ильинский. - Москва : Высш. шк., 1989. - 127 с.
5. Кацман, М. М. Справочник по электрическим машинам / М. М. Кацман. - Москва : Академия, 2005. - 480 с.
6. Ковалко, М. П. Енергозбереження - прюритет-ний напрямок державно1 политики Украши / М. П. Ковалко, С. П. Денисюк ; вщпов. ред. А. К. Шидловський. - Кшв : УЕЗ, 1998. - 506 с.
7. К теории энергосбережения средствами промышленного электропривода // Электротехника. - 1999. - № 5. - С. 62-67.
8. Кужеков, С. Л. Практическое пособие по электрическим сетям и электрооборудованию / С. Л. Кужеков, С. В. Гончаров. - 5-е изд., пере-раб. и доп. - Ростов-на-Дону : Феникс, 2010. -492 с.
9. Мамолапа, В. М. Энергосбережение в системах электропривода / В. М. Мамолапа. - Кив : Энергетический центр ЕС в Киеве, 1995. - 86 с.
10. Маренич, О. Л. Шдвищення коефщента поту-жносп електродвигушв пристро1в на шд-приемствах з ремонту залiзничноï техшки / О. Л. Маренич, О. О. Маренич // Вкн. Дншро-петр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Ла-заряна. - Дншропетровськ, 2008. - Вип. 21. -С. 72-73.
11. Поточные линии ремонта локомотивов в депо / Н. И. Фильков, Е. Л. Дубинский, М. М. Май-дель, И. Б. Стерлин. - Москва : Транспорт, 1983. - 302 с.
12. Предельно допустимые значения тока холостого хода для трехфазных асинхронных двигателей [Electronic resource]. - Available at: http://granat-es.ru/2.-dopustimye-znacheniya-toka-holos. - Title from the screen. - Accessed : 09.09.2016.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 5 (65)
13. Родионов, В. Г. Энергетика: проблемы насто- electronpo.ru/production. - Title from the screen. ящего и возможности будущего / В. Г. Родио- - Accessed : 09.09.2016.
нов. - Москва : ЭНАС, 2010. - 352 с. 17. Hillmansen, S. Electric railway traction systems
14. Сибикин, Ю. Д. Технология энергосбережения and techniques for energy saving / S. Hillmansen, / М. Ю. Сибикин, Ю. Д. Сибикин. - 3-е изд., R. Tllis // Proc. of IET 13th Professional Develop-перераб. и доп. - Москва : Форум, 2012. - ment Course on Electric Traction Systems. -352 с. 2014. - Р. 6. doi: 10.1049/cp.2014.1432.
15. Улучшение энергетических показателей пред- 18. Zeraoulia, M. Electric Motor Drive Selection приятий по ремонту подвижного состава / Issues for HEV Propulsion Systems: A Com-Л. В. Дубинец, О. Л. Маренич, О. А. Карзова parative Study / M. Zeraoulia, M. El H. Ben-[и др.] // Прнича електромехашка та автомати- bouzid, D. Diallo // IEEE Transactions on Vehicu-ка : наук.-техн. зб. / ДВНЗ «НГУ». - Дшпропе- lar Technology. - 2006. - Vol. 55. - Iss. 6. -тровськ, 2013. - Вип. 90. - С. 144-150. P. 1756-1764. doi: 10.1109/TVT.2006.878719.
16. Электродвигатели АИР - технические характеристики [Electronic resource]. - Available at:
Л. В. ДУБИНЕЦЬ1, О. Л. МАРЕНИЧ2, О. Ю. БАЛ1ЙЧУК3, А. С. КОРТОГУЗ4*
'Каф. «Електротехнжа та електромехашка», Дтпропетровський нацюнальний ушверситет затзничного транспорту iменi академжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Днiпро, Украгна, 49010, тел. +38 (056) 373 15 47, ORCID 0000-0003-0319-4544
2Каф. «Електротехнжа та електромеханжа», Дтпропетровський нацюнальний утверситет затзничного транспорту iменi академiка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Днтро, Украша, 49010, тел. +38 (056) 373 15 47, ORCID 0000-0003-3602-5851
3Каф. «Електротехнжа та електромеханжа», Дтпропетровський нацюнальний унiверситет затзничного транспорту iменi академжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Днтро, Украта, 49010, тел. +38 (056) 373 15 47, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0003-0119-1446
4*Каф. «Електротехнжа та електромеханжа», Днтропетровський нацюнальний уншерситет залiзничного транспорту iменi академжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Днтро, Украта, 49010, тел. +38 (096) 256 19 65, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0001-9316-3500
ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ ПРИ ЕКСПЛУАТАЦП В ЛОКОМОТИВНИХ ДЕПО ПРИСТРО1В 13 НЕРЕГУЛЬОВАНИМ ЕЛЕКТРОПРИВОДОМ
Мета. У робот необхщно провести дослвдження електричних двигушв для отримання результапв, якi дозволять оцiнити ступiнь енергозбереження за рахунок зменшення електричних витрат у пристроях iз нерегульованим електроприводом. Методика. Запропоновано iнженерний метод iз визначення втрат активно! потужносп у двигунi пристро!в iз нерегульованим електроприводом локомотивних депо при змш нава-нтаження на валу цих двигушв. Також потрiбно провести аналiз зниження втрат активно! потужностi у дви-гунi та мережi електропостачання при замiнi неповнiстю навантаженого двигуна двигуном меншо! потужно-стi. Результати. Шсля проведених авторами розрахункiв було встановлено, що для електричних двигушв у випадках зменшення коефiцieнта завантаження вiд 0,7...0,75 до 0,4...0,5 зменшення активних втрат шсля замши двигуна на менш потужний складае ввд 0,58 кВт до 2,865 кВт. Також були проведет розрахунки на приклащ електричного двигуна iз меншою синхронною частотою обертання: ефект ввд замiни недован-тажених двигушв збшьшуеться з точки зору зниження втрат активно! потужносп. Найбiльший ефект дося-гаеться при коефiцiентi завантаження кз < 0,55 . Наукова новизна. Вперше висвгглено питання ефективно-сп енергозбереження для пристро!в iз нерегульованим електроприводом у локомотивних депо шляхом замь ни недовантажених двигушв менш потужними. Оскшьки розглянутих електроприводiв значна шльшсть, то можливi великi збитки з урахуванням особливостей !х експлуатаци. Практична значимiсть. Отриманi в ходi дослiджень результати дозволяють вирiшувати задачу по зашш недовантажених двигунiв у пристроях локомотивних депо на двигуни меншо! потужносп з найбiльшим ефектом з точки зору зменшення електричних втрат. Так, двигун мийно! машини потужшстю 90 кВт може бути замшений на двигун потужшстю 75 кВт при коефiцiентi завантаження кз < 0,7, що може суттево зменшити експлуатацiйнi зби-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 5 (65)
тки. Дану методику можна застосувати не пльки в локомотивних депо, а й взагалi для ycix пристро1в i3 не-регульованим електричним двигуном, якi працюють у недовантаженому режима
Ключовi слова: електропривод; локомотивне депо; енергозбереження; втрати активно! потyжностi; кое-фiцieнт завантаження двигуна; двигуни серп А1Р
Л. В. ДУБИНЕЦ1, О. Л. МАРЕНИЧ2, А. Ю. БАЛИЙЧУК3, А. С. КОРТОГУЗ4*
'Каф. «Электротехника и электромеханика», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 47, ORCID 0000-0003-0319-4544
2Каф. «Электротехника и электромеханика», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 47, ORCID 0000-0003-3602-5851
3Каф. «Электротехника и электромеханика», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 47, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0003-0119-1446
4*Каф. «Электротехника и электромеханика», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (096) 256 19 65, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0001-9316-3500
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ В ЛОКОМОТИВНОМ ДЕПО УСТРОЙСТВ С НЕРЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ
Цель. В работе необходимо провести исследования электродвигателей для получения результатов, которые позволят оценить степень энергосбережения за счет уменьшения электрических потерь в устройствах с нерегулируемым электроприводом. Методика. Предложен инженерный метод по определению потерь активной мощности в устройствах с нерегулируемым электроприводом локомотивных депо при изменении нагрузки на валу этих двигателей. Также нужно провести анализ снижения потерь активной мощности в двигателе и сети электроснабжения при замене не полностью нагруженного двигателя двигателем меньшей мощности. Результаты. После проведенных авторами расчетов было установлено, что для электродвигателей в случае уменьшения коэффициента загрузки от 0,7...0,75 до 0,4...0,5 уменьшение активных потерь после замены двигателя на менее мощный составляет от 0,58 кВт до 2,865 кВт. Также были проведены расчеты на примере электродвигателей с меньшей синхронной частотой вращения: эффект от замены нагруженных двигателей увеличивается с точки зрения снижения потерь активной мощности. Наибольший эффект достигается при коэффициенте загрузки ks < 0,55 . Научная новизна. Впервые освещены вопросы эффективности энергосбережения для устройств с нерегулируемым электроприводом в локомотивных депо путем замены недогруженных двигателей менее мощными. Поскольку рассмотренных электроприводов значительное количество, то возможны большие убытки с учетом особенностей их эксплуатации. Практическая значимость. Полученные в ходе исследований результаты позволяют решать задачу по замене недогруженных двигателей в устройствах локомотивных депо на двигатели меньшей мощности с максимальным эффектом с точки зрения уменьшения электрических потерь. Так, двигатель моечной машины мощностью 90 кВт может быть заменен на двигатель мощностью 75 кВт при коэффициенте загрузки k, < 0,7, что может существенно уменьшить эксплуатационные убытки. Данную методику можно применять не только в локомотивных депо, а и в общем для всех устройств с нерегулируемым электродвигателем, работающих в недогруженном режиме.
Ключевые слова: электропривод; локомотивное депо; энергосбережение; потери активной мощности; коэффициент загрузки двигателя; двигатели серии АИР
REFERENCES
1. Vishnevskiy S.N. Kharakteristiki dvigateley v elektroprivode [Characteristics of engines in the electric driver]. Leningrad, Energiya Publ., 1977. 432 p.
2. Derzhavnyi standart Ukrainy DSTU 3886-99. Enerhozberezhennia. Systemy elektropryvodu. Metod analizu ta vyboru [State Standard 3886-99. Energy saving. Electric systems. The method of analysis and selection]. Kyiv, Derzhstandart Ukrainy Publ., 2000. 54 p.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 5 (65)
3. Zakladnyi O.M., Prakhovnyk A.V., Solovei O.I. Enerhozberezhennia zasobamy promyslovoho elektropryvoda [Energy saving by industrial electric drivers]. Kyiv, Kondor Publ., 2005. 408 p.
4. Ilinskiy N.F. Energosberezheniye v elektroprivode [Energy Saving in the motor driver]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1989. 127 p.
5. Katsman M.M. Spravochnik po elektricheskim mashinam [Handbook of electrical machines]. Moscow, Akademiya Publ., 2005. 480 p.
6. Kovalko M.P., Denysiuk S.P. Shydlovskyi A.K. Enerhozberezhennia - priorytetnyi napriamok derzhavnoi polityky Ukrainy [Energy conservation is a priority direction of Ukraine's state policy]. Kyiv, UEZ Publ., 1998. 506 p.
7. K teorii energosberezheniya sredstvami promyshlennogo elektroprivoda [To the theory of energy saving by means of industrial drive]. Elektrotekhnika - Electrotechnics, 1999, no. 5, pp. 62-67.
8. Kuzhekov S.L., Goncharov S.V. Prakticheskoye posobiye po elektricheskim setyam i elektrooborudovaniyu [Handbook on electrical networks and equipment]. Rostov na Donu, Feniks Publ., 2011. 492 p.
9. Mamolapa V.M. Energosberezheniye v sistemakh elektroprivoda [Energy Saving in the motor driver systems]. Kiyev, Energeticheskiy tsentr YES v Kiyeve Publ., 1995. 86 p.
10. Marenych O.L., Marenych O.O. Pidvyshchennia koefitsiienta potuzhnosti elektrodvyhuniv prystoiv na pidpryiemstvakh z remontu zaliznychnoi tekhniky [The power factor improving of the motors in enterprises with repair of railway equipment]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University named after Academician V. Lazaryan], 2008, issue 21, pp. 72-73.
11. Filkov N.I., Dubinskiy Ye.L., Maydel M.M., Sterlin I.B. Potochnyye linii remonta lokomotivov v depo [In- line systems of locomotive repair in the motive-power depot]. Moscow, Transport Publ., 1983. 302 p.
12. Predelno dopustimyye znacheniya toka kholostogo khoda dlya trekhfaznykh asinkhronnykh dvigateley (The limit values of nitrogen-load current for three-phase asynchronous motors). Available at: http://granat-es.ru/2.-dopustimye-znacheniya-toka-holos (Accessed 09 September 2016).
13. Rodionov V.G. Energetika: problemy nastoyashchego i vozmozhnosti budushchego [Energy: Present questions and opportunities of the future]. Moscow, ENAS Publ., 2010. 352 p.
14. Sibikin Yu.D., Sibikin M.Yu. Tekhnologiya energosberezheniya [Energy saving technology]. Moscow, Forum Publ., 2012. 352 p.
15. Dubinets L.V., Marenich O.L., Karzova O.A., Krasnov R.V., Melnik A.A. Uluchsheniye energeticheskikh pokazateley predpriyatiy po remontu podvizhnogo sostava [Improving the energy performance of enterprises on rolling stock repair]. Naukovo-tekhnichnyi zbirnyk: «Hirnycha elektromekhanika ta avtomatyka» [Scientific and research collection: «Mining electrical engineering and automation»]. Dnipropetrovsk, 2013, issue 90, pp. 144-150.
16. Elektrodvigateli AIR - tekhnicheskiye kharakteristiki (AIR electric motors-specifications). Available at: electronpo.ru/production (Accessed 09 September 2016).
17. Hillmansen S., Tllis R. Electric railway traction systems and techniques for energy saving. Proc. of IET 13th Professional Development Course on Electric Traction Systems, 2014. 6 p. doi: 10.1049/cp.2014.1432.
18. Zeraoulia M., Benbouzid M.El H., Diallo D. Electric Motor Drive Selection Issues for HEV Propulsion Systems: A Comparative Study. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2006, vol. 55, issue 6, pp. 17561764. doi: 10.1109/T VT.2006.878719.
Prof. F. P. Shkrabets, D. Sc. (Tech.) (Ukraine); Prof. M. O. Kostin, D. Sc. (Tech.) (Ukraine)
recommended this article to be published
Accessed: May 27, 2016
Received: Sep. 15, 2016
