CC BY
45
УДК 621.316.723
ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ МОТОР-ВЕНТИЛЯТОРОВ НА ЭЛЕКТРОВОЗАХ
1 9
Л.А. Астраханцев1, Н.П. Асташков2
Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.
Выполнен анализ режимов работы трёхфазных асинхронных электродвигателей в качестве привода вспомогательных машин электровозов переменного тока. Рассмотрены факторы, влияющие на работу машин, которые целесообразно учитывать при разработке автоматической системы управления производительностью мотор-вентиляторов. Необходимый температурный режим тягового электрооборудования обеспечивается введением обратных связей от датчиков для контроля измеряемых параметров. Автоматической системой управления предусматривается пуск электродвигателей на пониженной частоте. В работе изложена структура системы управления и предложено техническое решение, повышающие надёжность асинхронных машин. Ил. 3. Библиогр. 7 назв.
Ключевые слова: полупроводниковый преобразователь; управление производительностью мотор-вентиляторов; асинхронный электродвигатель.
JUSTIFICATION OF THE METHOD TO DESIGN AN AUTOMATED CONTROL SYSTEM OF BLOWER MOTOR PERFORMANCE ON ELECTRIC LOCOMOTIVES L.A. Astrakhantsev, N.P. Astashkov
Irkutsk State University of Railway Engineering, 15 Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074.
The analysis of running regimes of three-phase induction motors as drives of auxiliary machines of AC electric locomotives is performed. The factors affecting machine operation that are advisable to consider in developing the automatic control system of motor blower performance are considered. The required temperature conditions of traction electrical equipment are provided by the introduction of feedback from sensors to control the parameters measured. The automatic control system provides the start-up of electric motors at reduced speed. The article describes the structure of the control system and proposes the technical solution, increasing the reliability of induction machines. 3 figures. 7 sources.
Key words: semiconductor converter; blower motor performance control; induction motor.
Режимы работы, долговечность и надёжность асинхронных вспомогательных машин привода мотор-вентиляторов электровозов переменного тока зависят от ряда факторов, к которым можно отнести качество электрической энергии на обмотках электрических машин, температуру и влажность окружающей среды, периодичность технического обслуживания и ремонта. Несмотря на постоянно проводимые мероприятия конструктивно-технологического характера при изготовлении и ремонте, снижающие уровень повреждаемости и выхода из строя рассматриваемых электродвигателей, при эксплуатации электродвигателей этот уровень остаётся довольно высоким.
Одним из показателей качества электрической энергии является отклонение напряжения, от величины и продолжительности которого зависит эффективность работы и ресурс электродвигателей, спроектированных на номинальное напряжение. При отклонении напряжения может повреждаться изоляция элек-
трооборудования [1].
К основным факторам, влияющим на отклонение напряжения в цепи трёхфазного тока вспомогательных машин электровоза можно отнести отклонение напряжения на токоприёмнике и падение напряжения на элементах электрической цепи при прохождении тока нагрузки. Для электроподвижного состава переменного тока влияние уровня напряжения усугубляется процессами, происходящими в силовых и вспомогательных цепях электровозов. Поэтому пределы отклонений напряжения на обмотке трансформатора, от которой питаются асинхронные вспомогательные машины, оказываются шире, чем на токоприёмнике.
Отклонение напряжения на токоприёмнике электровоза может меняться от +16 до -24%. Нагревание, механическая устойчивость, условия пуска асинхронной машины обусловлены подводимым к ней уровнем действующего напряжения. При этом высшие гармоники в условиях электроподвижного состава оказыва-
1Астраханцев Леонид Алексеевич, доктор технических наук, профессор кафедры электроподвижного состава, тел.: 89501134360, e-mail: astrahancev@hotbox.ru
Astrakhantsev Leonid, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Electric Rolling Stock, tel.: 89501134360, e-mail: astrahancev@hotbox.ru
2Асташков Николай Павлович, инженер кафедры электроподвижного состава, аспирант, тел.: 89016536191, e-mail: astashbir@rambler.ru
Astashkov Nikolai, Engineer of the Department of Electric Rolling Stock, Postgraduate, tel.: 89016536191, e-mail: astashbir@rambler.ru
ют некоторое влияние на потери энергии, нагревание машин и изменяют вращающий момент. На устойчивость АВМ решающее влияние оказывает действующее значение основной гармоники напряжения. Важнейшим фактором, определяющим надёжность в эксплуатации асинхронных вспомогательных машин, является действующее напряжение на обмотках статора.
При допустимых отклонениях напряжения на токоприёмнике электровоза отклонения напряжения на обмотках статора трёхфазных асинхронных электродвигателей вспомогательных машин электровозов составляет +22- -39% [2], то есть в 1,4-1,6 раза превышает допустимое отклонение напряжения в контактной сети. Значительное отклонение напряжения объясняется изменением величины сопротивления тяговой сети по мере удаления электровоза от подстанции [3].
Более широкий диапазон отклонения напряжения в трёхфазной системе напряжений вспомогательных машин обусловлен несколькими причинами. Одной из них является снижение ЭДС вспомогательной обмотки трансформатора из-за активного и реактивного сопротивлений первичной обмотки при нагрузке обмоток трансформатора, питающих выпрямительно-инвер-торные преобразователи (ВИП) тяговых машин. Из-за снижения ЭДС трансформатора действующее напряжение обмотки может меняться от 3,5 до 5,7% номинального значения.
Второй причиной отклонения напряжения является падение напряжения в обмотках трансформатора в зависимости от тока электродвигателей вспомогательных машин и ёмкости симметрирующих конденсаторов. По этой причине напряжение на вспомогательной обмотке может меняться до 7% от номинального значения [4].
На отклонение напряжения в трёхфазной электрической цепи вспомогательных машин влияет изменение гармонических составляющих несинусоидального переменного напряжения на токоприёмнике в ходе управления тяговым и скоростным режимами электровоза, что вызывает изменение действующего значения напряжения первой гармоники. По этой причине отклонение напряжения на вспомогательной обмотке трансформатора может увеличиваться до 8% [5].
Четвёртая причина обусловлена зависимостью действующего значения напряжения прямой последовательности основной частоты в трёхфазной системе напряжений от действующего однофазного напряжения на вспомогательной обмотке тягового трансформатора электровоза из-за погрешности работы системы преобразования числа фаз.
Длительное отклонение напряжения на обмотках статора трёхфазных асинхронных двигателей неблагоприятно отражается на работе электродвигателей в установившихся и динамических режимах, вызывая повышение тока в обмотках, дополнительный нагрев активных частей, ухудшение их энергетических показателей и сокращение срока службы. Наряду с этим у мотор-вентиляторов электровозов переменного тока при пониженном напряжении снижается частота вра-
щения, и расход охлаждающего воздуха уменьшается. Повышенное напряжение приводит к увеличению частоты вращения мотор-вентиляторов, повышению мощности тока и мощности на валу, а следовательно, к увеличению нагревания их обмоток.
Известно, что вращающий момент трёхфазных асинхронных электродвигателей пропорционален квадрату действующего напряжения прямой последовательности трёхфазной системы, поэтому отклонение напряжения, возникающее в трёхфазной цепи вспомогательных машин, оказывает решающее воздействие на режим их работы.
На практике имеют место случаи отклонения напряжения выше допустимых значений. Результатом таких отклонений являются аварийные режимы и зачастую выход из строя электродвигателей с такими неисправностями, как пробой изоляции обмоток статора, витковые замыкания, выплавление стержней обмотки ротора. В случае снижения напряжения на клеммах электродвигателя увеличивается ток двигателя, что вызывает перегрев изоляции обмоток. Нагрев изоляции обмоток ведёт к сокращению срока службы двигателя. При значительном снижении напряжения на зажимах асинхронного двигателя возможно его опрокидывание, т.е. резкое падение вращающегося момента на его валу и значительный рост тока в обмотках статора. Снижение напряжения ухудшает и условия пуска двигателя, так как при этом уменьшается его пусковой момент. Повышение напряжения на выводах двигателя сверх нормы приводит к увеличению потребляемой им реактивной мощности, которую необходимо компенсировать.
Условия работы асинхронного двигателя в режиме пуска значительно отличаются от условий работы в нормальном режиме. Пусковой ток двигателя вызывает добавочное падение напряжения в обмотках расщепителя фаз и трансформатора, снижая напряжение питания двигателя и его устойчивость. Изменение характеристики вращающего момента зависит от кратности пускового тока двигателя, сопротивления обмоток расщепителя фаз и обмотки собственных нужд трансформатора. При недостаточном запасе устойчивости приводные двигатели могут «опрокидываться» во время пуска одного из двигателей [6].
В настоящее время на электроподвижном составе пуск асинхронных вспомогательных машин привода мотор-вентиляторов осуществляется прямым включением. Прямое включение асинхронного двигателя в сеть является наиболее простым способом пуска двигателя. Прямой пуск характеризуется пусковым током, который в 4-7 раз выше номинального тока электродвигателя. На нагрев изоляции обмоток влияет продолжительность пуска электродвигателя. Большой пусковой ток не представляет опасности, так как время протекания пускового процесса составляет от малых долей секунды до нескольких секунд, поэтому за малый промежуток времени большой пусковой ток не может вызвать значительного повышения температуры обмоток. Следует иметь в виду, что большой ток, потребляемый двигателем, проходит не только по его обмоткам, но и по проводам сети и трансформатору,
поэтому в питающей сети создаётся падение напряжения (провал напряжения), которое в случае пуска мощного двигателя может оказаться весьма значительным. В результате напряжение, подводимое к двигателю в этом режиме, сильно снизится, что вызовет дополнительное снижение вращающего момента двигателя.
Исследованием провала напряжения во время пуска вспомогательных машин на вторичной обмотке тягового трансформатора электровоза ВЛ85 установлено, что минимальная глубина провала напряжения достигается при пуске, когда работает наибольшее количество вспомогательных машин. Глубина провала напряжения зависит от места расположения электровоза в фидерной зоне и от наличия в этой зоне других локомотивов. Длительность провала напряжения соизмерима со временем пуска вспомогательных машин и зависит от условий пуска.
Следует иметь в виду, что в системе вентиляции локомотива применяется до пяти асинхронных вспомогательных машин, причём номинальная мощность каждого двигателя составляет 55 кВт, что может отразиться на напряжении в электрической цепи вспомогательных машин, поэтому провал напряжения в цепи собственных нужд электровоза, вызванный пуском двигателя, может стать недопустимым. Из анализа статистических данных по ВСЖД о выходе из строя вспомогательных машин электровозов переменного тока следует необходимость разработки технических средств, позволяющих повысить пусковой вращающий момент трёхфазных асинхронных электродвигателей и снизить пусковой ток. Электровозы 2ЭС5К и 3ЭС5К вначале выпускались без фазорасщепителей, вследствие чего пуск асинхронных вспомогательных машин НВА-55 осуществлялся на частоте 50 Гц с пусковыми токами 760 А, в то время как номинальный рабочий ток составлял 113 А.
Предусмотренный схемой электровозов 2ЭС5К и
3ЭС5К последовательный пуск мотор-вентиляторов НВА-55 сопровождается переходными процессами, вызывающими кратковременные двукратные повышения фазного тока у ранее запущенного электродвигателя с последующим его снижением до установившегося значения.
В настоящее время существует множество устройств плавного пуска электродвигателей, преимущества применения которых перед прямым пуском или переключением со звезды на треугольник, использованием трансформатора очевидны благодаря их функциональным возможностям. Однако данные устройства являются достаточно дорогими и не способны обеспечить устойчивую работу АВМ на электровозах.
Анализ механических характеристик асинхронных вспомогательных машин электровозов переменного тока показал, что при снижении напряжения до 280 В и отсутствии симметрирующих устройств вращающий момент рассматриваемых электродвигателей значительно снижается и возникает опасность перехода электродвигателя с устойчивой ветви механической характеристики на неустойчивую. Следует отметить, что при проектировании асинхронных двигателей для привода вентиляторов на электровозах с повышенными пусковыми и перегрузочными характеристиками необходимо учитывать влияние токов прямой и обратной последовательности, возникающих из-за несимметрии приложенного напряжения на характеристики электрических машин.
Активное и индуктивное сопротивления ротора для токов прямой и обратной последовательности различны, так как частоты этих токов неодинаковы, а также влияние вытеснения тока будет сказываться в различной степени. В связи с этим при несимметрии напряжения на обмотках статора электродвигателя возможно значительное увеличение токов в обмотке ротора, что может вызвать расплавление поверхност-
ных слоёв обмотки ротора вихревыми токами высокой частоты.
Целесообразно учитывать специфические особенности условий эксплуатации асинхронных вспомогательных машин (АВМ) на электроподвижном составе. На участках эксплуатации ВСЖД филиала ОАО «РЖД» температура окружающей среды при работе машины изменяются от -55 до +50°С, перепады температуры в течение суток могут доходить до ±35°С. Продолжительность работы машин при отрицательных температурах окружающей среды составляет до одиннадцати месяцев в году. Аналогичное положение наблюдается и на других железных дорогах Сибири, Севера и Дальнего Востока. Летом работа электрических машин затруднена из-за ухудшения условий охлаждения, пересыхания изоляции, сильной запылённости. Повышенная влажность воздуха, особенно во время дождя или снега, вызывает коррозию металлических частей и снижает качество изоляции.
Изменение конструктивных особенностей трёхфазных асинхронных электродвигателей вспомогательных машин электровозов влияет на устойчивую работу в процессе эксплуатации.
Анализ конструктивных особенностей асинхронных вспомогательных машин электровозов и автоматических систем управления электроприводом мотор-вентиляторов подтвердил целесообразность разработки микропроцессорной системы управления, исключающей недостатки существующих систем, причём основной экономический эффект заключается в повышении устойчивости не только асинхронного электродвигателя, но и преобразователя.
Зачастую из-за недостатков разработанных систем автоматического управления мотор-вентиляторами происходит выход из строя не только асинхронных электродвигателей, но и тяговых электрических машин. В известных автоматических системах управления производительность мотор-вентиляторов электровозов изменяется в зависимости от величины сигнала датчиков тока тяговых двигателей, включённых в их якорные цепи. Нагрев изоляции тягового электрооборудования зависит не только от величины тока, но и от температуры воздуха окружающей среды, поэтому температуру нагрева тягового электрооборудования необходимо контролировать. Остаётся нерешённой проблема пуска электродвигателей автоматическими системами, применяемыми на подвижном составе.
Эффективность работы систем управления в значительной мере зависит от применяемых технических средств автоматизации контроля и управления, при этом основными показателями, характеризующими технические средства, являются надёжность и точность их работы в автоматическом режиме.
Система вентиляции электровоза предназначена для обеспечения нормального теплового режима работы электрооборудования и защиты от вредного влияния внешних климатических факторов: перепадов температур, влажности, пыли и служит звеном между охлаждаемым электрооборудованием и внешней климатической средой.
Разработка системы управления производительностью мотор-вентиляторов, способной адаптироваться к оптимальному режиму эксплуатации с учётом технических и погодно-климатических условий, способствует повышению устойчивости вспомогательных машин, надёжности электрооборудования и электровоза в целом.
Влияние рассмотренных особенностей работы трёхфазных асинхронных вспомогательных машин электровозов переменного тока учтены при разработке микропроцессорной системы управления производительностью мотор-вентиляторов:
- пуск электродвигателя выполняется подачей напряжения на обмотки статора частотой 25 Гц независимо от уровня сигналов датчиков;
- при падении напряжения на обмотке собственных нужд тягового трансформатора до 310 В и ниже по сигналу датчика напряжения на обмотки статора электродвигателя привода вентилятора подаётся напряжение частотой 25 Гц независимо от уровня сигналов от датчиков температуры и тока;
- по сигналу датчиков температуры, расположенных на тяговом электродвигателе и охлаждаемом системой вентиляции оборудовании, производительность мотор-вентиляторов изменяется переключением напряжения на обмотках статора с частоты 25 Гц на частоту 50 Гц и наоборот. Приоритетной функцией системы вентиляции является обеспечение необходимого температурного режима тягового электродвигателя за счёт повышения устойчивости асинхронных вспомогательных машин с введением обратных связей от датчиков для контроля измеряемых параметров. При выходе из строя датчика температуры и токе в обмотках тяговых электродвигателей свыше 600 А в течение 30 минут по сигналу датчика тока на обмотки статора электродвигателя привода вентилятора подаётся напряжение частотой 50 Гц.
Для снижения пусковых токов асинхронных вспомогательных машин и надёжного их пуска, а также для повышения устойчивости электрических машин при снижении действующего напряжения в контактной сети целесообразно частоту напряжения на обмотках статора снижать. В этом случае электродвигатели будут работать на устойчивой ветви механической характеристики и будет обеспечиваться достаточный вращающий момент, предотвращающий опрокидывание электрических машин. Реализация управления трёхфазными асинхронными электродвигателями целесообразно выполнять с помощью полупроводникового преобразователя, принципиальная электрическая схема которого представлена на рис. 2. Результаты анализа статистических характеристик случайных величин позволили определить пределы регулирования производительности вентиляторов и частоты напряжения на обмотках статора асинхронных электродвигателей. Для выбора уставки таймеров в микропроцессорной системе управления использовались тяговые расчёты подвижного состава, которые позволили определить продолжительность работы вентиляторов с пониженной производительностью.
Преобразователь частоты позволяет обеспечивать достаточно высокую энергетическую эффективность и электромагнитную совместимость электропривода. Повышение надёжности разработанного преобразователя частоты по сравнению с аналогами достигается за счёт естественной коммутации тиристоров, которыми выполняется одновременное изменение частоты, действующего значения напряжения и эквивалентного входного электрического сопротивления электропривода в зависимости от температуры нагрева тягового оборудования электровозов в соответствии с полученным алгоритмом. Разработанный полупроводниковый преобразователь можно назвать
преобразователем входного электрического сопротивления электропривода, что является существенным его отличием от отечественных и зарубежных аналогов [7].
На кафедре электроподвижного состава Иркутского государственного университета путей сообщения разработана и изготовлена микропроцессорная система управления, где в качестве управляющего элемента служит микроконтроллер TWIDO TWD LCAA 16DRF, который изменяет производительность в зависимости от входных сигналов датчиков (рис. 3).
В ходе работы было также выполнено программирование датчика температуры DS1821, представляю-
щего собой программируемый цифровой термостат, обеспечивающий вывод цифрового сигнала в тот момент, когда уровень температуры превышает значение уровня регистра ТН, установленного пользователем. Выход остаётся активным, когда уровень температуры ниже значения уровня регистра ТЦ также
установленного пользователем. Пороги, прописанные в регистрах ТН и ТЦ задают требуемый гистерезис характеристики регулирования.
В работе были использованы датчик напряжения LV 25^^5 и датчик тока ЦТС 600^^3.
Библиографический список
1. Алексеева Т.Л., Рябчёнок Н.Л., Астраханцева Н.М., Астра-ханцев Л.А. Электронные преобразователи для ресурсосберегающих технологий. Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2010. 240 с.
2. Магистральные электровозы. Тяговые электрические машины / под ред. В.И. Бочарова, В.П. Янова. М.: Энергоатом-издат, 1992. 464 с.
3. Бабич В.М., Молин Н.И., Бакланов А.А. Анализ качества напряжения на токоприёмнике электровоза и в тяговой сети переменного тока // Труды ОмИИЖТ. 1975. Т. 171. С. 39-44.
4. Калинин В.К. Электровозы и электропоезда. М.: Транспорт, 1991. 480 с.
5. Некрасов О.А., Рутштейн А.М. Вспомогательные машины электровозов переменного тока. М.: Транспорт, 1988. 223 с.
6. Рябченок Н.Л., Алексеева Т.Л., Астраханцев Л.А., Асташ-ков Н.П. Повышение устойчивости асинхронных вспомогательных машин электровозов на основе микропроцессорной системы управления электроприводом // Транспортная инфраструктура Сибирского региона: материалы межвузовской науч.-практ. конф. Т. 2. Иркутск, 2009. С. 354-359.
7. Астраханцев Л.А., Рябчёнок Н.Л., Тихомиров В.А., Ми-хальчук Н.Л., Цыбульский В.С. Электронные преобразователи // Железнодорожный транспорт. 2008. № 10. С. 54.
УДК 620.9:697.3
ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОЭЛЕКТРОЦЕНТРАЛИ И ЕЁ ПОДСИСТЕМ
В.С. Степанов1, Н.В. Старикова2
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
2ООО «Инновационные технологии энергетики и металлургии», 664025, г. Иркутск, бул. Гагарина, 38.
Описана методика оценки термодинамической эффективности теплоэлектроцентрали и её элементов, основанная на использовании эксергетического метода анализа и понятий химической энергии и эксергии топлив. Это даёт возможность определить термодинамическую эффективность ТЭЦ в целом, её цехов, а также производств тепла и электроэнергии на основе энергетического и эксергетического КПД. Поскольку технологический процесс на ТЭЦ представляет собой комбинированное производство тепла и электроэнергии, в методике использован эксергетический критерий разнесения суммарного расхода топлива между производимыми на ТЭЦ видами энергии, характеризующимися разной работоспособностью. Это позволяет по отдельности анализировать производства этих продуктов на ТЭЦ и определять их энергетический и эксергетический КПД. Полученные результаты подтверждают полезность и даже необходимость привлечения второго начала термодинамики для оценки термодинамической эффективности теплоэлектроцентрали. Показано, что определение энергетического потенциала топлива на основе значений химической энергии и эксергии даёт возможность правильно оценить величину подведенной энергии, а также рассчитать энергетические и эксергетические КПД ТЭЦ. Ил. 1. Табл. 3. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: теплоэлектроцентраль; энергетический баланс; комплексное производство; термодинамическая эффективность.
EXERGIC ANALYSIS OF THE THERMODYNAMIC EFFICIENCY OF THE HEAT AND POWER PLANT AND ITS SUBSYSTEMS
V.S. Stepanov, N.V. Starikova
National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
"Innovative Technologies of Power Engineering and Metallurgy" LLC, 38 Gagarin Blvd, Irkutsk, 664025.
The article describes an assessment procedure of the thermodynamic efficiency of a heat and power plant and its ele-
1 Степанов Владимир Сергеевич, доктор технических наук, профессор, преподаватель кафедры электроснабжения и общей электротехники, тел.: 89149228606, e-mail: stepanov@istu.edu.ru
Stepanov Vladimir, Doctor of technical sciences, Professor, Lecturer of the Department of Power Supply and General Electrical Engineering, tel.: 89149228606, e-mail: stepanov@istu.edu.ru
2Старикова Наталья Владимировна, начальник отдела управления строительными проектами, тел.: 89501054089, e-mail: natalia-starikova@yandex.ru
Starikova Natalya, Head of the Department of Construction Project Management, tel.: 89501054089, e-mail: natalia-starikova@yandex.ru
