CC BY
156
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
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.
