CC BY
13
УДК: 621.333
Н. А. Жигулин, О. Е. Пудовиков
Российский университет транспорта (РУТ (МИИТ)), г. Москва, Российская Федерация
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ И МОДУЛЯ ЗАДАТЧИКА НАПРЯЖЕНИЯ СТПР-1000 ДЛЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ ПОЕЗДА С ЭЛЕКТРОВОЗОМ 2ЭС6
Аннотация. Применение средств автоматизации управления движением поездов на железнодорожном транспорте повышает экономическую эффективность и безопасность движения поездов. Широкое применение на тяговом подвижном составе находят системы автоведения поездов (САВП), построенные по многоконтурному принципу и включающие в себя контур управления скоростью движения поезда. Подчиненным контуром для системы автоматического управления (САУ) скорости является автоматизированный тяговый электропривод, входным сигналом для которого является заданное значение силы тяги. Для модели САУ электропривода предложена математическая модель тягового электродвигателя ЭДП810, учитывающая способ возбуждения тяговых двигателей. Предложен алгоритм управления величиной силы тяги, предполагающий ее изменение путем регулирования текущей величины силы тока возбуждения посредством изменения выходного напряжения на статическом преобразователе СТПР-1000. Данный алгоритм учитывает рассогласование между заданием тока возбуждения и его текущей величиной, внутренние параметры элементов ветви тока возбуждения и тока реактора, коэффициент компаундирования, а также максимально возможную скорость изменения величины тока возбуждения за такт управления. Полученные в ходе моделирования с использованием предлагаемой модели двигателя его электромеханические характеристики в достаточной мере соответствуют экспериментальным данным, а выбранный способ управления величиной силы тяги позволяет поддерживать ее на заданном уровне. Таким образом, предложенная модель тягового электродвигателя продемонстрировала свою адекватность, а способ управления силой тяги - возможность его применения в составе многоконтурной САУ скоростью движения электровоза с дискретным управлением силой тяги.
Ключевые слова: модель тягового электродвигателя, тяговый двигатель электровоза, независимое возбуждение, двигатель независимого возбуждения, переходный процесс, магнитный поток.
Nikita A. Zhigulin, Oleg E. Pudovikov
Russian university of transport (RUT (MIIT)), Moscow, the Russian Federation
MATHEMATICAL MODEL OF THE CONTROL OBJECT AND VOLTAGE SETTING MODULE STPR-1000 FOR THE AUTOMATIC CONTROL SYSTEM OF THE SPEED OF THE TRAIN WITH ELECTRIC LOCOMOTIVE 2ES6
Abstract. The use of automation tools for train traffic control in railway transport increases the economic efficiency and safety of train traffic. Widespread use on traction rolling stock is found in automatic train control systems (ATCS), built on a multi-loop principle and including a train speed control loop. The slave circuit for the automatic speed control system (ACS) is an automated traction electric drive, the input signal for which is the set value of the traction force. For the ACS model of the electric drive, a mathematical model of the EDP810 traction motor is proposed, taking into account the method of excitation of the traction motors. An algorithm for controlling the value of the traction force is proposed, which assumes its change by controlling the current value of the excitation current by changing the output voltage on the static converter STPR-1000. This algorithm takes into account the mismatch between the setting of the excitation current and its current value, the internal parameters of the elements of the excitation current branch and the reactor current, the compounding coefficient, as well as the maximum possible rate of change in the excitation current per control cycle. The electromechanical characteristics obtained in the course of simulation using the proposed engine model are in sufficient agreement with the experimental data, and the chosen method of controlling the thrust force value allows maintaining it at a given level. Thus, the proposed model of the traction electric motor has demonstrated its adequacy, and the method of controlling the traction force has demonstrated the possibility of its use as part of a multi-circuit automatic control system for the speed of an electric locomotive with discrete control of the traction force.
Keywords: traction motor model, electric locomotive traction motor, independent excitation, independent excitation motor, transient process, magnetic flux.
Применение средств автоматизации управления движением поездов на железнодорожном транспорте повышает экономическую эффективность и безопасность движения поездов.
Разработке регуляторов скорости ЭПС посвящены труды ученых МИИТа, ВНИИЖТа, ПГУПСа и ряда других организаций. Имеются разработки регуляторов скорости для подвижного состава с релейно-контакторным управлением силой тяги с использованием как линейного, так и нелинейного законов управления. Созданы регуляторы для пассажирских поездов с электрической тягой, использующие эвристические алгоритмы. Проводились исследования для электропоездов с непрерывным управлением тягой и допущениями, что модель поезда линеаризована, а временная дискретизация и измерительные тракты не учитывались [1]. С использованием результатов анализа продольных колебаний в поезде, полученных путем имитационного моделирования, разработан регулятор скорости грузового локомотива с непрерывным управлением тягой, обеспечивающий ограничения на продольные динамические силы в поезде [2].
В СССР первые регуляторы скорости движения были разработаны для электровозов со ступенчатым регулированием силы тяги [3]. Появление новых локомотивов со ступенчатым регулированием и предоставляемых ими возможностей обусловливает дальнейшее развитие алгоритмов. Одним из таких локомотивов является 2ЭС6, схемой которого предусмотрено применение независимого возбуждения тяговых электродвигателей (ТЭД).
Задачи, разрешаемые в рамках настоящей статьи: разработка модели объекта управления, представленного тяговым приводом с двигателями ЭДП810 и независимым питанием обмоток возбуждения для САУ скоростью поезда с локомотивом 2ЭС6; построение алгоритма управления выходным напряжением преобразователя СТПР-1000, обеспечивающим управление силой тяги.
Решение поставленных задач позволит построить САУ скоростью поезда для локомотива с дискретным управлением силой тяги.
При разработке модели были приняты некоторые допущения: преобразователь СТПР-1000 представлен безынерционным звеном; сумма величин индуктивностей обмоток якоря, компенсационной и добавочных полюсов принимается как доля от динамической индуктивности обмотки возбуждения [4]; учет вихревых токов не осуществляется.
В качестве прототипа принята САУ скоростью грузового электровоза (рисунок 1), для достижения поставленных задач осуществляется доработка алгоритма работы ее элементов.
Рисунок 1 - Функциональная схема САУ скоростью движения [5]
Устройство управления (УУ) осуществляет выбор ходовой позиции, на которой возможно достижение заданной скорости "Узад. В качестве входных данных используется задание по
скорости, рассогласование по ней Ау.
Дополнительным критерием выбора является обеспечение максимального КПД привода. Блок ПУ2 задает переключения в силовой цепи в целях достижения максимальных тяговых усилий Fnax до переключения на ходовую позицию или достижения задания по скорости, а
также управляет выходным напряжением иСПТР преобразователя СТПР-1000. Блок ПУ2
принимает в качестве входных сигналов значение тока якоря и номер ходовой позиции N,
которую необходимо достигнуть.
Применение независимого возбуждения на электровозе 2ЭС6 позволяет управлять величиной результирующего магнитного потока, а значит, воздействовать на величину силы тяги электровоза.
На рисунке 2 приведена упрощенная силовая схема, составленная на основе принципиальной схемы [6], где М1-4 - тяговые электродвигатели, в том числе их обмотки возбуждения; L2-3 - сглаживающие реакторы; Я15-16 - сопротивления, шунтирующие обмотки возбуждения; Я13-14 - сопротивления, шунтирующие сглаживающие реакторы; Я5-6 - балластные резисторы; А7-8 - статические преобразователи СТПР-1000.
ХА1
К15
ХА2 ХАЗ ХА4 ХАЗ Рисунок 2 - Упрощенная силовая цепь одной секции электровоза [6]
Для выполнения исследования преобразуем схему (см. рисунок 2) к виду, представленному на рисунке 3.
На рисунке 3: Цгел - напряжение питания в расчете на одну тележку с учетом схемы соединения, В; гя - ток якоря, А; £ - ЭДС вращения одного двигателя, В; Дя+дп+ко - сумма величин индуктивностей обмоток якоря, компенсационной и добавочных полюсов одного двигателя, Гн; Дреактор - индуктивность сглаживающего реактора, Гн; истпр - напряжение на
выходе преобразователя СТПР-1000; гв - ток возбуждения, А; гв - суммарное сопротивление двух последовательно соединенных обмоток возбуждения и параллельно включенного шунтирующего сопротивления, Ом; греактор - суммарное сопротивление сглаживающего
реактора и шунтирующего его сопротивления, Ом; Ьв - динамическая индуктивность одной обмотки возбуждения, Гн; ¿реактор - ток ветви сглаживающего реактора, А.
Составим систему уравнений для решения ее методом контурных токов [7]:
dil
21 ^ +1 2г +1 + {г
я+дп+ко dt I я+дп+ко реактор ^ I Г
г г + 2£дин +1 ^ + г г
Ив в ^ реактор ^ П реактор
{я = {1; {реактор = + {Ц; {в = .
реактор
= П - 2£;
и
СТПР'
(1)
В силовых цепях индуктивность обмотки возбуждения Ьв является динамической, и ее можно найти по уравнению [4]:
с=к -(4ст/а
(2)
где Д - скорость изменения статической индуктивности, Гн/с;
4 - скорость изменения тока возбуждения, А/с. Статическая индуктивность обмотки возбуждения [4]
Двт = 2 • р-с-Ж -
V {в у
(3)
где р - число пар полюсов машины;
с - коэффициент рассеяния магнитного потока. Для машин с компенсационной обмоткой а = 1,25 [4];
Ж - число витков полюсной катушки.
Сумма величин индуктивностей обмоток якоря, компенсационной и добавочных полюсов на один двигатель [4]
ЭДС одного двигателя
Ь+ + = 0,3Ддин.
я+дп+ко ' в
£ = 3,6 - с - v - Ф,
(4)
где су - постоянный коэффициент колесно-моторного блока, су =
¡лрЫ 3,6nDбa
[ИЗВЕСТИЯ Транссиба
V
13
Dб - диаметр бандажа колесной пары, м; Л - передаточное отношение редуктора; N - число проводников якорной обмотки; V - скорость локомотива, км/ч.
Зависимость магнитного потока от тока возбуждения Ф(1в) получаем в результате
обработки электротяговых характеристик двигателя, приведенных в ПТР [9]. Данная зависимость представлена в виде полинома третьей степени:
Ф = ш'в3 + Ыъ2 + Св. (6)
Значения коэффициентов найдены с использованием метода наименьших квадратов: а = 5,08736-10"10; Ь = 1,06914-10^; с = 8,39219-10"4. Сила тяги локомотива [8]
р = 2•Ф• См • ?я-М'У -п (7)
1 к п ТЭД ' ^ '
Dб
где см - постоянный коэффициент машины, см = ^ [8];
м 2яа
пТЭд - количество ТЭД электровоза; ц - общий КПД привода.
Как отмечалось ранее, выходным сигналом блока ПУ2 является напряжение на выходе СТПР-1000, изменение которого позволяет регулировать ток возбуждения 1в, а значит, и силу
тяги электровоза. По известным Ртх(у) и величине тока якоря 1я на основании уравнения
электротяговой характеристики рц(!д) определяем величину задания по магнитному потоку
Фзад, который при текущем токе якоря позволит достичь рж^) :
ф = - тах у ^ ^Г,--(8)
зад V '
2-Л-см -|я ПТЭД
Значение тока возбуждения ¿в(Фзад), необходимое для создания магнитного потока Фзад, определяется по графику обратной зависимости 1в(Ф). В свою очередь [6]
I (Ф ) = | + k -I (9)
зад/ СТПР комп я' \ у
где ^омп - коэффициент компаундирования; 1СТПР - уставка тока возбуждения, А.
Ток уставки цепи обмотки возбуждения 1СТПР регулируется путем изменения напряжения истпр на выходе СТПР-1000. Напряжение иСТПР определяется в соответствии с условиями:
£/гтпр = и (Ф ) - к • i ) • (2г + г ), если |г - i (Ф )| <=Ai
СТПР \*в V зад/ комп я/ V в реактор/' | в в\ зад/| ]
иначе:
^СТПР = о'стпр - ккомп • о • (2гв + Греактор x еСЛИ ¿в - ¿в (Фзад ) < 0
иначе:
,-max. в ;
(10)
= (¿тПр - k • i) • (2r + r ).
\*СТПР комп я' V в реактор / •
СТПР
•max г
где ¿СТПР - максимальная величина уставки тока возбуждения, ¿(
тах СТПР
800 А;
¿СТтр - минимальная величина уставки тока возбуждения, ¿СТЛ = 50А;
Агвтах - модуль величины порогового значения разницы ¿в - ¿в(Фзад). На основании пробных расчетов принято, что А*™ = 1,5.
В результате работы построенной модели были получены электромеханические характеристики, представленные на рисунке 4. Сравнение полученных характеристик с характеристиками, представленными в источнике [10], позволяет говорить об адекватности построенной модели тягового двигателя.
и
и
15
10
|t
1-
5 *- ....." т ^ ш „Л г«1 я* "" rf * |3
? J и
^ и» ж ""*" Ж т* **
3 4 2 Л 1 *Г t, ^ *' L Ji
1WOO
17000
liOOO
] ЛНН
11000
»00
^СВД
5000
400
wo
6М
700
500
wo
4*
Рисунок 4 - Электромеханические характеристики модели двигателя ЭДП810: 1 - ток возбуждения 200 А;
2 - ток возбуждения 250 А; 3 - ток возбуждения 350 А; 4 - ток возбуждения 580 А; 5 - ток возбуждения 800 А
Был проведен эксперимент с пуском поезда массой в 4000 т с локомотивом 2ЭС6 по профилю пути с нулевым уклоном. В качестве задания по силе тяги было выбрано значение в 500 кН. Было принято, что минимальное время между переключениями позиций должно быть не меньше 1 с; величина тока после переключения на следующую позиции за время переходного процесса 5т не превысит 800 А.
На рисунке 5 представлены результаты моделирования, которые отражают возможность регулировать силу тяги на данной модели при помощи изменения величины магнитного потока посредством изменения напряжения на выходе СТПР-1000.
Скачкообразный рост величины силы тяги после достижения заданного значения связан с переключением реостатных позиций и увеличением величины тока якоря, однако через некоторое время величина силы тяги локомотива восстанавливается до заданного значения. Снижение силы тяги (например, в интервале времени 20 - 25 с) связано с падением силы тока якоря при одновременном невыполнении условий перехода на следующую позицию, описанных выше.
Ь. А
ад «и
ТК»
до
им № 1н Я» ЕМ 0
1 Г^-"-- ' ■* * ; ^ '
1 ? и
* ' ' г * \
1 »г! » Л / \ Л
I/
1/
-и
«1» л» II»
ДЮ
0 ) V ц Й » Я Щ
Рисунок 5 - График изменения силы тяги локомотива, токов двигателя и возбуждения:
1 - сила тяги локомотива Fк; 2 - ток возбуждения 3 - ток якоря iя
На рисунке 6 представлены значения величин текущего магнитного потока и величины задания по магнитному потоку. Отклонение фактического значения магнитного потока от заданного обусловливается временем протекания переходного процесса в цепи тока возбуждения и минимальным коэффициентом ослабления поля Д11Ш = 0,43.
Рисунок 6 - График изменения магнитного потока: 1 - магнитный поток Ф ; 2 - задание магнитного потока Фзад
На рисунке 7 представлено изменение положения рукоятки контроллера машиниста (РК) во времени.
2Í
I--^
4 5 10 1! й 1? И ]! 4£ 4. <
Рисунок 7 - График изменения позиции РК
Как видно из приведенных результатов моделирования привода электровоза 2ЭС6 с двигателями ЭДП810 при использовании независимого возбуждения, полученные характеристики соответствуют экспериментальным данным для реальной машины, а предложенный алгоритм управления током возбуждения может быть применен для регулирования силы тяги в целях дальнейшего построения САУ скоростью для локомотивов с независимым возбуждением и дискретным управлением силой тяги.
Список литературы
1. Савоськин, А. Н. Системы автоматического управления скоростью электроподвижного состава / А. Н. Савоськин, В. С. Островский, О. Е. Пудовиков. - Текст : непосредственный // Подвижной состав 21 века (идеи, требования, проекты) : сборник докладов научно-технической конференции. - Санкт-Петербург : Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 1999. - С. 56.
2. Пудовиков, О. Е. Автоматическое управление скоростью движения длинносоставного грузового поезда / О. Е. Пудовиков. - Текст : непосредственный // Мехатроника. Автоматизация. Управление. - 2010. - № 8. - С. 51-57.
3. Аснис, И. А. Выбор параметров цифрового регулятора скорости для электровоза ЧС2Т / И. А. Аснис. - Текст : непосредственный. // Труды МИИТа. - Вып. 653. - Москва : МИИТ, 1982. - С. 29-35.
4. Алексеев, А. С. Исследование влияния нелинейности кривой намагничивания тягового электродвигателя на переходные процессы в силовой цепи электровоза / А. С. Алексеев. -Текст : непосредственный // Труды МИИТа. - Вып. 912. - Москва : МИИТ, 1997. - С. 84-88.
5. Алпатов, А. И. Автоматическое управление скоростью движения грузового поезда с электровозом постоянного тока и дискретным управлением силой тяги / А. И. Алпатов. - Текст : непосредственный // Транспорт: наука, техника, управление. Научный информационный сборник. - 2012. - № 1. - С. 61-64.
6. Электровоз грузовой постоянного тока 2ЭС6 с коллекторными тяговыми электродвигателями : Руководство по эксплуатации. - Верхняя Пышма : ОАО «УЗЖМ», 2008. - Часть 1. - 166 с. - Текст : непосредственный.
7. Бессонов, Л. А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле : учебник / Л. А. Бессонов. - Москва : Юрайт, 2016. - 317 с. - Текст : непосредственный.
8. Теория электрической тяги / В. Е. Розенфельд, И. П. Исаев, Н. Н. Сидоров, М.И. Озеров; под ред. И. П. Исаева. - Москва : Транспорт, 1995. - 294 с. - Текст : непосредственный.
9. Правила тяговых расчетов для поездной работы. Нормативное производственно-практическое издание. - Москва : ОАО «РЖД», 2016. - 515 с. - Текст : непосредственный.
10. Электровоз грузовой постоянного тока 2ЭС6 с коллекторными тяговыми электродвигателями: Руководство по эксплуатации. - Верхняя Пышма : ОАО «УЗЖМ», 2008. - Часть 4. - 149 с. - Текст : непосредственный.
References
1. Savoskin A.N., Ostrovskiy V.S., Pudovikov O.E. Sistemy avtomaticheskogo upravleniia skorost'yu elektropovizhnogo sostava [Automatic speed control systems for electric rolling stock]. Sbornik dokladov v nauchno-tekhnicheskoy konferenctsii «Podvizhnoy sostav 21 veka (idei, trebovaniya, proekty)». (Collection of reports of the scientific and technical conference «Rolling stock of the 21st century (ideas, requirements, projects)»). St. Petersburg, 1999, PSTU, 1999, p. 56 (In Russian).
2. Pudovikov O.E. Avtomaticheskoe upravleniye skorost'yu dvizheniya dlinnosostavnogo gruzovogopoezda [Automatic speed control of a long freight train]. Mekhatronika. Avtomatizatsiya. Upravlenie - Mechatronics. Automation. Control, 2010, no. 8, pp. 51-57 (In Russian).
3. Asnis I.A. Vybor paremetrov tsyfrovogo regulyatora skoroski dlya elektrovoza ChS2T [Selection of digital speed controller parameters for electric locomotive ChS2T]. Trudy MIITa -Proceedings of MIIT, 1982, no. 653, pp. 29-35 (In Russian).
4. Alekseev A.S. Issledovanie vliyaniya nelineynosti krivoy namagnichivaniya tyagovogo elektrodvigatelya na perehodnye protsessy v silovoy tsepi elektrovoza [Study of the influence of the nonlinearity of the magnetization curve of a traction motor on transient processes in the power circuit of an electric locomotive]. Trudy MIITa - Proceedings of MIIT, 1997, no. 912, pp. 84-88 (In Russian).
5. Alpatov A.I. Avtomaticheskoe upravlenie skorost'yu dvizheniya gruzovogo poezda s electrovozom postoyannogo toka i diskretnym upravleniem siloy tyagi [Automatic speed control of a freight train with a DC electric locomotive and discrete traction control]. Transport: nauka, tekhnika i upravlenie - Transport: science, technology and management, 2012, no. 1, pp 61-64 (In Russian).
6. Electrovoz gruzovoy postoyannogo toka 2ES6 s kollektornymi tyagovymi electrodvigatelyami [Freight direct current electric locomotive 2ES6 with collector traction motors]. Upper Pyshma, JSC «UZhZM» Publ., 2008, manual, vol. 1, 166 p. (In Russian).
7. Bessonov L.A. Teoreticheskie osnovy electrotekhniki. Elektromagnitnoye pole: uchebnik dlya bakalavrov [Theoretical foundations of electrical engineering. Electromagnetic field: textbook for bachelors]. Moscow, Yurayt Publ., 11th ed., revised and additional, 2016, 317 p. (In Russian).
8. Rozenfeld V.E., Isaev I.P., Sidorov N.N., Ozerov M.I., ed. Isaev I.P. Teoriya elektricheskoy tyagi [Theory of electric traction]. Moscow, Transport Publ., 1995, 294 p. (In Russian).
9. Pravila tyagovykh raschetov dlya poezdnoy paboty. Normativnoye proizvodstvenno-prakticheskoye izdaniye [Rules of traction calculations for train work. Normative production and practical edition]. Moscow, JSC Russian Railways Publ., 2016, 515 p. (In Russian).
10. Elektrovoz gruzovoy postoyannogo toka 2ES6 s kollektornymi tyagovymi elektrodvigatelyami: rukovodstvo po ekspluatatsii [Freight direct current electric locomotive 2ES6 with collector traction motors: manual]. Upper Pyshma, JSC «UZhZM» Publ., 2008, vol. 4, 149 p. (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Жигулин Никита Андреевич
Российский университет транспорта (РУТ (МИИТ)).
Образцова ул., д. 9, стр. 9, г. Москва, 127994, Российская Федерация.
Аспирант кафедры «Электропоезда и локомотивы», РУТ (миит).
Тел.: +7 (926) 901-59-49.
E-mail: zhigulinnikita@gmail.com
Пудовиков Олег Евгеньевич
Российский университет транспорта (РУТ (МИИТ)).
Образцова ул., д. 9, стр. 9, г. Москва, 127994, Российская Федерация.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Zhigulin Nikita Andreevich
Russian university of transport (RUT (MIIT)).
9, b. 9, Obraztsova st., Moscow, 127994, the Russian Federation.
Postgraduate student of the department «Electric trains and locomotives», RUT (MIIT). Phone: +7 (926) 901-59-49. E-mail: zhigulinnikita@gmail.com
Pudovikov Oleg Evgenevich
Russian university of transport (RUT (MIIT)).
9, b. 9, Obraztsova st., Moscow, 127994, the Russian Federation.
Доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Электропоезда и локомотивы», РУТ (МИИТ).
Тел.: +7 (916) 182-78-24.
E-mail: olegep@mail.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Жигулин, Н. А. Математическая модель объекта управления и модуля задатчика напряжения СТПР-1000 для системы автоматического управления скоростью поезда с электровозом 2ЭС6 / Н. А. Жигулин, О. Е. Пудовиков. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2023. - № 1 (53). -С. 10 - 19.
Doctor of Sciences in Engineering, associate professor, head of the department «Electric trains and locomotives», RUT (MIIT).
Phone: +7 (916) 182-78-24.
E-mail: olegep@mail.ru
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Zhigulin N.A., Pudovikov O.E. Mathematical model of the control object and voltage setting module STPR-1000 for the automatic control system of the speed of the train with electric locomotive 2ES6. Journal of Transsib Railway Studies, 2023, no. 1 (53), pp. 10-19 (In Russian).
УДК 621.333.048.015
М. Г. Дурандин, И. А. Кузьминых
Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), г. Екатеринбург, Российская Федерация
СНИЖЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗОК ЯКОРНЫХ ОБМОТОК ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ЛОКОМОТИВОВ
Аннотация. Одним из наиболее нагруженных и, соответственно, наименее долговечных в эксплуатации узлов тяговых электродвигателей локомотивов остается высоковольтная изоляция их обмоток. В статье рассмотрен один из возможных путей повышения надежности работы якорной изоляции тяговых электродвигателей за счет изменения материала изготовления пазовых клиньев и прокладок, укладываемых под клин, на дно паза и в межсекционное пространство. Поставленная цель достигается за счет усиления теплообмена между активными элементами обмотки якоря и внешней охлаждающей средой. Определены критерии выбора и требования к физическим свойствам материалов, предлагаемых в качестве альтернативных к традиционно используемым при существующей технологии производства пазовых клиньев. Предложено использование пазовых клиньев и внутрипазовых прокладок из цветных металлов и сплавов на их основе. На базе разработанной математической модели в программной среде COMSOL Multiphysics произведены сравнительные тепловые расчеты якорной конструкции тягового электродвигателя ТЛ-2К1 со стеклотекстолитовыми клиньями и миканитовыми прокладками, а также с использованием алюминиевых клиньев и прокладок. Результаты расчетов, представленные в виде температурных диаграмм, доказывают возможность снижения до 11 % уровня тепловой загруженности якорных проводников уже при номинальных значениях тока якоря в случае использования металлических клиньев и прокладок. Численно доказывается рост результативности их применения при возрастании токовых нагрузок. Сделаны выводы как в отношении практической возможности реализации предлагаемых изменений в конструкции существующих типов тяговых электродвигателей, так и перспектив модернизации вновь проектируемых образцов.
Ключевые слова: тяговый электродвигатель, обмотка якоря, высоковольтная изоляция, пазовый клин, миканитовая прокладка, теплофизические свойства, материал изготовления, тепловая нагрузка, температура нагрева.
Michael G. Durandin, Ivan A. Kuzminykh
Ural State University of Railway Transport (USURT), Ekaterinburg, the Russian Federation
REDUCING HEAT LOADS OF ANCHOR WINDINGS OF TRACTION ELECTRIC MOTORS OF LOCOMOTIVES
Abstract. High-voltage insulation of their windings remains one of the most loaded and, accordingly, the least durable units of traction electric motors of locomotives. The article considers one of the possible ways to improve the reliability of the anchor insulation of traction motors by changing the material for the manufacture of slot wedges and gaskets placed under the wedge, on the bottom of the slot and in the intersection space. This goal is achieved by enhancing
