CC BY
29
УДК 621.3.017.72
ГОРОБЧЕНКО АН., к.т.н., доцент (ДонИЖТ); КРИВОШЕЯ Ю.В., к.т.н., доцент (ДонИЖТ); ГУЩИН А.М., к.т.н. (ДонИЖТ); ДОРОШКО В.И., инженер (ДонИЖТ); МАТВИЕНКО С.А., аспирант (УкрГАЖТ); САЦЮК А.В., инженер (ДонИЖТ).
Математическая модель управления мотор-вентиляторами обдува тяговых двигателей электровозов
Вступление
Тяговые двигатели (ТД) электровозов работают в переменном режиме - от нулевого до номинальной нагрузки. Режимы загрузки тяговых двигателей исследованы для электровозов ВЛ8, работаю-
щих на участках обслуживания локомотивных депо Ясиноватая-Западная и Красноармейск с использованием режимных карт и скоростемерных лент.
Степень неравномерности их загрузки показана в табл. 1 и на рис. 1.
Таблица 1
Режимы нагрузки электровозов на Донецкой железной дороге
Интервалы по току, А 0 200-250 250-300 300-350 400-450 450-500 500-550
Максимальная продолжительность непрерывной работы, мин 10 4 12 7 8 5 6
Доля времени работы ,% 17 7,5 13,3 39 14,9 5,8 2,5
Рис. 1. Продолжительность непрерывной работы (мин) и доля времени работы на
разных нагрузках, %
Из данных табл. 1 и рис. 1 следует, что при номинальных нагрузках и близ-
ких к ним при токе 450...550 А тепловоз работает 8,3% времени; при нагрузках с током от 250 до 450 А - 67,2%; при низких нагрузках при токе 250 А и меньше и на холостом ходу - 24,5%.
Для предотвращения перегрева обмоток тяговых двигателей они обдуваются специальными вентиляторами. При этом мощность вентилятора обдува тяговых двигателей (ВОТД) выбирается из условия, что при длительной работе, тяговых двигателей на номинальной нагрузке и температуре наружного воздуха +40°С температура их обмоток не превышает допустимого предела. Из приведенных выше данных следует, что на высоких нагрузках тепловоз работает лишь 8,3%. В остальное время тяговый двигатель работает на более низких нагрузках, в то время как вентиляторы (ВОТД) работают с постоянной производительностью. Из этого вытекает два следствия. Во-первых, при низких нагрузках тяговых двигателей ВОТД перерасходуют электрическую энергию; во-вторых, при пониженных режимах работы тяговых двигателей с малыми нагрузками и номинальном режиме ВОТД зимой происходит переохлаждение обмоток тяговых двигателей, их отсыревание, а при переходе на высокие нагрузки может произойти пробой изоляции обмоток и выход из строя тягового двигателя.
Таким образом, неизменный режим работы ВОТД приводит не только к перерасходу электроэнергии, но и при определенных условиях к снижению надёжности работы тяговых двигателей.
Из этого следует необходимость организации управляемого режима работы ВОТД в зависимости от режима работы тяговых двигателей.
Решению этого вопроса посвящен ряд работ [1,2,3]. Одной из особенностей решений в этих работах является то, что математическая модель управления мощностью привода ВОТД включает заранее разработанную модель связи перегрева обмоток тяговых двигателей с силой тока двигателя. При этом регулирование при-
вода вентилятора производится по результатам сравнения расчетного перегрева с допустимым его значением.
Недостатком упомянутого способа управления приводом ВОТД является то, что используемая в них эмпирическая зависимость температуры перегрева обмоток от тока, получена для неизменной во времени силы тока, при которой формулируется определенное температурное поле в массе ТД. При переменном режиме работы этого ТД через него проходит равный по величине ток с переменным во времени количеством теплоты, выделяющейся в его обмотках. В этом случае на сформированное раннее поле температур в массе двигателя накладываются другое температурное поле. Чередование изменения силы тока и количества выделяющейся теплоты носит случайный характер. В этих условиях установить надежную связь между силой тока и температурой перегрева обмоток представляется маловероятным. Это означает, что для решения вопроса необходим иной подход по установлению связи между температурой прогрева обмоток и током проходящим через тяговый двигатель.
Цель работы
Целью работы является разработка математической модели связи перегрева обмоток ТД с силой тока этого двигателя, которая бы учитывала фактическое значение перегрева обмоток в определённые моменты времени и этим самым обеспечивалось бы близкое совпадение фактических и расчётных значений температуры обмоток ТД.
Основная часть
Совершенствование математической модели управления работой привода вентилятора основано на использовании известной зависимости текущего значения перегрева обмоток ТД [4] через некото-
рый интервал времени Дt с использованием известного значения этого перегрева в предыдущий момент и некоторых величин, характеризующих для определенного типа тяговых двигателей.
В документе [4] значение перегрева обмоток ТД рассчитывался по схеме: измеряется сила тока, проходящего через двигатель и потеря напряжения на обмотках двигателя. По ним рассчитывается активное сопротивление обмоток, а по значению сопротивления в соответствии с документом [5] рассчитывается температура обмоток tp. Перегрев обмоток т0 в этом случае определяется по соотношению
Г
0
t -1
р нв
(1)
At
Г = Г Т + Г0
' АЛ 1--
Т
(2)
где т - перегрев обмоток тягового двигателя, °С;
тда- перегрев обмоток для случая длительной работы двигателя при заданной силе тока, °С;
Т - тепловая постоянная времени, определяемая индивидуально для каждого типа ТД, мин;
Дt - промежуток времени между предыдущим и текущим временем определения перегрева обмоток ТД, мин.
Для учёта сезонных и суточных колебаний температуры наружного воздуха в формулу (2) вводятся два поправочных коэффициента, с учётом которых расчётное значение перегрева тр определяется по формуле:
Г = гКсз • Кн
(3)
где ^ - расчетная температура обмоток ТД, °С;
tнв - температура наружного воздуха, °С.
Для расчёта перегрева обмоток ТД через промежуток времени Дt используется расчётная зависимость, приведённая в «Правилах тяговых расчётов для поездных работ» [5]
где Ксз - коэффициент учёта сезонного колебания температуры наружного воздуха;
Кнв - коэффициент учёта фактической температуры наружного воздуха.
Коэффициент учёта сезонного колебания температуры наружного воздуха принимается для летнего времени Ксз=1,0 и для зимнего времени Ксз=1,1.
Значения коэффициента Кнв в работе [4] представлены в табл. 2.
Таблица 2
Значения коэффициента Кн
Тип Обмотки Значения Кнв при температуре, °С
0 5 10 15 20 25 30 35
Полюсы 0,9 0,92 0,94 0,96 0,98 1,0 1,02 1,04
Якорь 0,94 0,95 0,96 0,98 0,99 1,0 1,01 1,02
Зависимость коэффициента Кнв от температуры близка к линейной и описывается следующими зависимостями: для якорных обмоток:
КГ = 0,9 + 0,04^ , (4)
для якорных обмоток:
К- = 0,94 + 0,024/нв . (5)
Значение условного времени Т в формуле (2) для каждого типа ТД имеет индивидуальное значение. Согласно документу [4] для двигателя НБ-406 значения Т составляет 44 мин.
Формула (2) представляет собой упрощенный вид более общей формулы, в которую входят экспоненты от величины Д^Т. Поэтому рассматриваемая формула (2) справедлива лишь для малых значений Д^Т не более 0,1. Тогда интервал времени Дt не должен превышать 0,1 Г. Для двигателя НБ-406 величина Дt не должна превышать 0,144 = 4,4 мин.
Величина формуле (2) также имеет индивидуальные значения для каждого типа ТД; так, например, для упомянутого двигателя НБ-406 в работе [4] она представлена в виде кривых в функции тока I. Для использования в расчетах зависимостях эта криволинейная зависимость представлена в виде 3-х парабол:
якорных
т . = 0,060481 + 0,000847612
при 9 < I <350,
(6)
Т 2 = -0,39244/ + 0,00218912
при 350 < 1< 485, (7)
Т ,3 = -0,545891 + 0,02498712 при 485 < I < 600,
где I - ток ТД, А.
(8)
Значение перегрева обмоток ТД т0 в предыдущий момент времени определяется с использованием измерений тока, падение напряжения на обмотках этого ТД и последующим расчетом их электрического сопротивления и температуры. Именно это обуславливает более надежный расчет перегрева обмоток двигателя по сравнению с методикой, изложенной в работе [1,2,3].
Для регулирования работы вентилятора обдува ТД в зависимости от нагрузки и, соответственно, от тока I необходимо вырабатывать сигнал изменения частоты вращения ротора вентилятора Дп. Методика выработки сигнала для изменения частоты вращения заключается в следующем.
С использованием формул (1-8) определяется рассогласование перегрева
тяговых обмоток (полюсных АТпол и
АТ ):
як )■
А г = т
доп
Ат = т"ол
пол доп
т
т
(9)
(10)
пол як
где тдоп и тдоп - допустимые значения перегрева полюсных и якорных обмоток ТД, °С, которые зависят от типа изоляции, значения которых рекомендуются в работе [4];
пол як
тр и тр - расчетные значения перегрева обмоток ТД, °С, согласно соотношениям (3), (4), (5).
Из двух значений А г и Ат выбирается большее значение Аттах .
По величине Аттах определяется
сигнал на изменение частоты вращения ротора вентилятора. При таком подходе к выбору Дп температура обмоток ТД будет удерживаться на уровне, близком к верхнему пределу. Это может снизить надежность работы двигателя, поэтому перегрев обмоток двигателя следует поддерживать на 10...15 °С ниже верхнего допустимого предела. В этом случает сигнал на изменение частоты вращения двигателя вентилятора определяется из соотношению:
Ап = (Аттах -Ат)г ,
(11)
где Ат - страховочное снижение перегрева обмоток двигателя, °С;
У - корректирующий коэффициент.
Значение величин Ат и У определяются по экспериментальным данным.
Изложенные расчетные зависимости являются математической моделью для создания электронного устройства регулирования режимов работы вентилятора и уменьшения расхода энергии его привода при снижении нагрузки на тяговые двига-
як
тели, при этом температура обмоток ТД будет поддерживаться на заданном уровне ниже допустимого. Предлагаемая математическая модель применима для регулирования вентиляторов тяговых двигателей электровозов всех серий.
Выводы
Разработана математическая модель процесса нагрева и охлаждения тяговых двигателей и регулирования привода вентилятора ТД, которая может быть использована для разработки электронного устройства регулирования работой вентиляторов обдува ТД для уменьшения расхода энергии.
Список литературы
1. Авторское свидетельство 1584040 (СССР). Тяговая электрическая машина постоянного тока / Луков Н.М., Логинова Е.Ю., Попов В.М., Кравцов А.Н., Доронин Ю.И., Макаренков А.И., - опубликовано в Б.И., 1990, № 29, кл. Н0 2К9/04,00.
2. Патент 212/209(Россия).Устройство для автоматического регулирования температуры электрической машины: / Космодамиан-ский А.С., Луков Н.М. - опубликовано в Б.И., 1998,кл. НО2К9/04.
3. Космодамианский А.С., Чернышев Л.А. Методика расчетных исследова-
ний переходных процессов в нелинейных АСРТ тяговых электрических машин локомотивов, Моск. ин-т инж.ж.-д. трансп.(МИИТ). - Деп.в
ЦНШТЭИТЯЖМАШ 27.01.92., № 818-тм 92.
4. Правила тяговых расчетов для поездной работы - М.: Транспорт, 1985, 287с.
5. ГОСТ 25000-81. Машины электрические, вращающиеся.Методы испытаний на нагревание.
Аннотации:
На основании математической модели нагревания обмоток тягового электродвигателя в статье излагается методика регулирования привода вентиляторов охлаждения тяговых двигателей. Данная разработка способствует снижению расхода энергии на охлаждение и улучшению теплового режима работы тяговых двигателей.
На OCHOBÎ математично1 моделi названия тягового електродвигуна в статп викладаеться методика регулювання приводу вентиляторiв охо-лодження тягових двигушв. Дана розробка сприяе зниженню витрат енергiï на охолодження та по-кращенню теплового режиму роботи тягових двигушв.
On the basis of the mathematical model of the heating coils of traction electric motor article outlines methods of regulating the cooling fan drive traction motors. This design reduces energy consumption for
cooling and thermal regime of the traction motors.
