Обоснование выбора мощности тягового преобразователя многосистемных электровозов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 629.423.32:621.337

А. М. МУХА (ДПТ)

ОБГРУНТУВАННЯ ВИБОРУ ПОТУЖНОСТ1 ТЯГОВОГО ПЕРЕТВОРЮВАЧА БАГАТОСИСТЕМНИХ ЕЛЕКТРОВОЗ1В

У статгi проведений ан^з впливу виду тягового двигуна на потужнють тягового статичного перетворю-вача. Введено поняття модуль тягового перетворювача й отримаш основнi шльшсш спiввiдношення для тя-гових перетворювачiв з рiзним числом модулiв.

В статье проведен анализ влияния вида тягового двигателя на мощность тягового статического преобразователя. Введено понятие модуль тягового преобразователя и получены основные количественные соотношения для тяговых преобразователей с различным числом модулей.

Analysis of the influence of the type of the traction engine is organized In article on power of the traction steady-state converter. The Incorporated notion module traction converter and are received main quantitative correlations for traction converters with different number of the modules.

Вступ. Проблема створення потужних тяго-вих нашвпровщникових перетворювачiв для електрорухомого була сформульована як тшьки з'явились (60-ri, 70-т роки 20 ст.), потужш дю-ди, а згодом i тиристори. Але з деяких причин, одна з яких - недостатньо високий на той час рiвень робочих струмiв та напруг потужних силових прилавдв, не дозволило створити тяговi перетворювач^ яю б вщповщали необхщним масогабаритним, енергетичним показникам i експлуатацшнш надшност [1].

При сучасному рiвнi розвитку потужно! на-пiвпровiдниковоï елементно1 бази стае можли-вою побудова багатофункцiональних ушфшо-ваних тягових перетворювачiв для електрорухомого складу (ЕРС).

Яскравими прикладами використання потужних перетворювачiв на сучаснш елементнiй базi е швидкюш потяги серiй TGV (Францiя).

Аналiз лiтературних джерел. Проблемi по-будови тягових перетворювачiв на нашвпров> дниковш елементнiй базi присвяченi роботи [1, 5, 10].

Мета роботи. Дослщити питання вибору потужност тягового перетворювача для бага-тосистемного ЕРС при експлуатаци в рiзних умовах. Маеться на увазi ЕРС, який зможе пра-цювати при рiзних рiвнях напруги у контактнiй мереж як при постшному так i змшному струмах.

Матерiал i результати дослщження.

Вiдомо, що тяговий привод ЕРС, до якого входить i статичний перетворювач, повинен забезпечити максимальне можливе зчеплення колю локомотива з рейками при любих ктма-тичних умовах i любому станi контактних по-верхонь [1, 2].

Тяговий статичний перетворювач призначе-но для забезпечення живлення тягових двигушв ЕРС. З метою економи нашвпровщникових прилад1в та шшо! електротехшчно! апаратури прийнято використовувати групову схему шд-ключення тягових двигушв до перетворювача [3]. Так, для живлення 12 тягових двигушв типу НБ-514 (потужнють годинного режиму 835 кВт) електровозу ВЛ85 з сумарною потужнютю часового режиму 10020 кВт, використовують 6 тягових перетворювач1в ВИП-4000УХЛ2, потужнютю 4340 кВт [4]. Тобто, коефщ1ент запасу по потужносп перетворювача дор1внюе

£зпп =

4340

= 2,6 i обумовлений перевантаж-

2 • 835

ною здатнютю двигушв постшного струму при пуску.

Режим роботи тягового електропривода (до якого входить тяговий двигун та перетворю-вач), як вщомо, визначаеться умовами експлуатаци 1 залежать, головним чином, вщ маси поезда та швидкост його руху. Дослщимо питання вибору потужносп тягового перетворювача який призначено для використання на електро-возах.

На першому етат використаемо загально вщому методику вибору потужносп тягових двигушв електровоз1в [5].

Номшальну потужнють одного тягового двигуна електровозу визначаеться як:

^ • V

кн н

^ М — "

Ng

де FKH - номшальна сила тяги, Н; vH - номiнальна швидкiсть, м/с;

Nд - кшькють тягових двигунiв на електро-возi.

Номiнальна сила тяги визначаеться як:

р = ' Ер

К

де Ркр - розрахункова сила тяги, Н;

Ер - коефiцiент ефективностi засобiв шд-

вищення зчеплення (приймаемо рiвним 1,15);

кР - коефiцiент перевантаження електрово-зу за силою тяги (приймаемо рiвним 1,1). При кР = 1,1 ун = 1,04 • ур . Орiентовно можливо прийняти [5]:

РКр = 0,95 «в Я ( < + /р ),

Р ы =1,03 тв я ( < + /р )• Ур

де ур - розрахункова швидкiсть, м/с.

Проанатзуемо вплив швидкостi та маси по-тягiв на орiентовну сумарну потужнiсть елект-ровозу.

У вiдповiдностi до [6] питомий основний ошр руху вантажних вагонiв (при швидкостi до 120 км/год [5]) при рус по ланковш коли:

- чотирьохосш вагони на роликових шдши-пниках i рефрежираторнi вагони:

к" = 0,7 +

3 + 0,1 • у + 0,0025 • У 2 Чв

де у - швидкють для яко1 проводимо розраху-нок, км/год;

Чв - навантаження на одну вюь вагона, т. - восьмюсш вагони на роликових тдшип-никах

= 0,7 +

6 + 0,038 • у + 0,0021 • у 2 Чв

При рус вантажних вагошв по безстиковш коли:

- чотирьохоснi вагони на роликових шдши-пниках i рефрежираторнi вагони

к" = 0,7 +

3 + 0,09 • у + 0,002 • у2 Чв

восьмюсш вагони на роликових тдшип-

никах

= 0,7 +

6 + 0,026 • у + 0,0017 • у Чв

У вщповщносп до [6] питомий основний ошр руху пасажирських вагошв (при швидкосп до 160 км/год ) при рус по ланковш коли:

к" = 0,7 +■

¡ + 0,18 • у + 0,003 • у2 Чв

При рус по безстиковш коли:

де тв - маса вагошв по1зду, т;

к" - питомий основний ошр руху вагошв, Н/кН;

/Р - розрахунковий шдйом, %о.

Тод^ на пiдставi вище вказаного, сумарна потужнють всiх тягових двигунiв електровозу можливо орiентовно визначати за наступним виразом:

к" = 0,7 + -

0,16 • у + 0,0023 • у2 Чв

Аналiзуючи технiчнi характеристики вагонного парку [7,8] визначимо навантаження на вюь основних тишв вагошв, що експлуатують-ся на залiзницях Укра!ни. Результати предста-вимо у вш\щщ табл. 1.

Таблиця 1 Навантаження на в1сь основних тишв вагошв

Вид вагону Кшьюсть осей Маса (разом з тарою), т Навантаження на вгсь, т

Шввагон 4 93,9 23,475

Вагон критий 4 94 23,5

Платформа 4 100 25

Цистерна 4 92 23

8 176 22

Хопер 4 100 25

Самоскид 4 93,7 23,425

4 60,24 15,06

Вагони паса- 4 55,18 13,795

жирсьш * 4 58,98 14,745

4 60,98 15,245

* - приймаемо вагу одного пасажира ршною 80 кг.

При дослщженнях впливу швидкосп та маси потягiв на орiентовну сумарну потужнiсть електровозу задаемо розрахунковий пiдйом в межах вщ 4 до 12 %о [5].

Представимо графiчно залежностi необхщ-но! потужностi електровозу вiд ваги вагошв РцN = / (тв), при рзних розрахункових шдйо-мах (рис. 1) /Р = ооп81.

Аналопчно, можливо отримати залежностi для шших видiв вагонiв.

За допомогою розглянуто! методики е дощ-льним визначити з якою швидкютю, та з по!з-дом яко! ваги може рухатися електровоз по за-

даному розрахунковому тдйому. По^м на тд-CTaBi отриманих залежностей, в залежносп вiд профiлю шляхiв та необхщно! швидкостi, ви-значитись яко! потужносп необхiдно викорис-товувати електровоз (перетворювач). Електро-вози що, експлуатуються на залiзницях Укра!ни та iнших держав СНД, мають потужнiсть го-динного режиму 6000...10000 кВт.

1500 2000 2500 3000 3500 «00 4500 5000 Вага бэгожб поТзду, г

Рис. 1. По!зд складаеться з шввагошв з q0 = 23,475 т при рус по ланковш коли

Використовуючи отриманi ранiш стввщно-шення побудуемо графiчнi залежностi v = f(тв) при умовах ip = const, рN = const

для дiапазону потужностей електровозiв вiд 5000 кВт до 11000 кВт. Результати представле-ш на рис. 2.

О 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 SOOO 9000 10000 11000 Вага вагошв поТзду. т

Рис. 3. Залежносп v = f (тВ ) для потужносп електровозу в1д 5000 кВт до 11000 кВт (по!зд складаеться з хопер1в з qв = 25 т при рус по ланковш коли)

На пiдставi представлених на рис. 3 имейст-ва характеристик побудуемо зону швидкостей по!зду, який складаеться з рiзноl кiлькостi ва-гонiв-хоперiв та цистерн, яку можуть реатзу-вати електровози потужнiстю вщ 5000 кВт до 11000 кВт, з дiапазоном розрахункового тдйо-му вщ 4 до 12 %о. Ця зона (рис. 4) отримана з граничних характеристик шмейства залежностей v = f (тВ ) .

170

160

150

140

130

120

Ч 110 о

-fe 100 ^

^ 90

-Вантажний поТздз 4-х осних BaroHiB

\ — ■— Вантажнии поТздз 8-Mi осних цистерн —в—ПоТздз пасажирських BaroHiB

—I—|—I—|—i—|—I—|—i—|—I—|—I—|—I—|—i—|—I—|—I—

О 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 0000 1000011000

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Вага вагошв поТзду. т

Рис. 2. Залежносп V = /(тВ ) для потужносп 5000 кВт (по!зд складаеться з 4-х осних хоперiв з дО = 25 т при рус по ланковш коли)

Анал1з представлених на рис. 2 характеристик показуе, що доцшьно розглядати область амейства характерники з д1апазоном розрахункового шдйому вщ 4 до 12 %о, при змш1 потужносп вщ 5000 кВт до 11000 кВт з р1зними типами вагошв. На рис. 3 представлен таю залежносп.

Вага вагошв поТзду, т

Рис. 4. Зона швидкостей пасажирського та вантажного пойду рiзноl ваги з електровозами рiзноl потужносп

Також на рис. 4 зображена аналопчна зона для по1зду сформованого з пасажирських вагошв, який рухаеться з електровозами потужшс-тю вщ 5000 кВт до 11000 кВт.

Анал1з представлених на рис. 4 зон швидко-стей ще раз тдтверджуе вщомий факт - ванта-жно-пасажирсью електровози доцшьно будува-ти тшьки при умовах перевезення легковагих вантажних по!зд1в (до 3000 т).

Представлений анал1з лише дозволив визна-

чити взаемний зв язок потужносп силового агрегату електровозу та умов його експлуатаци, використовуючи загальновiдомi сшввщношен-ня.

На другому етапi дослiджень по визначенню потужносп тягового перетворювача введемо поняття силовий модуль.

Модуль - частина тягового статичного перетворювача, яка по потужносп вщповщае пе-внiй кiлькостi тягових двигунiв.

Введемо наступну класифшащю модулiв, яка враховуе сшввщношення «кiлькiсть двигу-нiв на один модуль статичного перетворювача» (табл. 2).

Таблиця 2 Класиф1кащя силових модул1в

6-ти б1сний електровоз 4-х BicHHLi електровоз

Класифiкацiя Кшьюсть тягових двигушв на один

модуля модуль статичного перетворювача

М1 1

М2 2

М3 3

М4 4

М6 6

Як вiдомо, останнiм часом на електровозах, як пасажирських так и вантажних, кожна з осей мае свiй тяговий двигун. Це забезпечуе можли-вiсть будувати потужнi електровози з малою кшькютю осей. На практищ використовують кiлькiсть осей кратну двом (на один вiзок), або трьом.

Односекцшш електровози традицiйно вико-нують у 4-х вiсному, або 6-ти вюному виконан-нi, виходячи з цього на 4-х вюному електровозi можливо використовувати модулi М1, М2, М4, а на 6-ти вюному: М1, М2, М3, М6. Тобто, тяговий статичний нашвпровщниковий перетво-рювач 4-х вiсного електровозу може складатися з 4-х модулiв М1, або 2-х модулiв М2, або одного М4. Аналогiчно для 6-ти вюного електровозу: 6 модулiв М1, 3 модуля М2, 2 модуля М3 або оди модуль М6.

Задаючись значеннями потужностей тягового двигуна в дiапазонi вiд 900 до 1800 кВт та приймаючи односекцiйний електровоз 4-х або 6-ти вюним, побудуемо залежнють:

РN = / (Рдв ) при Nд = C0nst,

де Nд - кшькють тягових двигушв (осей),

Р - потужнiсть тягового двигуну.

На рис. 5 представлена отримана залежнють, де представлен двi зони, яю вщповща-ють 4-х вюному та 6-ти вюному односекцшно-му електровозу.

1 1 500 -11000 -

сй

а: 10500 -

S 10000 -

О

g 3500 -

Ё 3000 -

ф

5 8500 -

¡2 8000 -

о

7500 -

^ 7000 -

о

П. 6500 -6000 -5500 -5000 -4500 -

800 300 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1000 1700 1B0D 1900 Потужшсть тягових дбигун¡Б, кВт

Рис. 5. Залежносп р N = f (Рдв) для потужностi тягового двигуна ввд 900 кВт до 1800 кВт

Використовуючи отриман залежносп та сшввщношення визначимо необхiдну потужнють модул1в при р1зних видах тягових двигушв.

У тепершнш час е можливють створити ко-лекторн тягов1 двигуни пульсуючого струму потужнютю до 1300 кВт [9], що у вщповщносп до рисунку 5 обмежуе обласп використання колекторних тягових двигушв ильки на 6-ти вюних односекцшних електровозах. Максима-льну потужнють електровозу (рис. 5) буде дорь внювати 7800 кВт. Приймаючи коефщент пе-ревантажувально! здатносп колекторно! елект-рично! машини р1вним кпзд = 1,5 ...2,0 [10], та

враховуючи ще 30 % запасу по потужносп перетворювача (див. тяговий перетворювач ВИП-4000УХЛ2 на початку), отримаемо такий кое-фщент запасу по потужносп перетворювача:

¿зпп = ^д (1 + 0,3) = 1,3 • кпзд .

Потужнють модуля тягового перетворювача визначаемо за виразом:

PMN =(1,3 • кпзд • Рдв )• Nд .

Тод1 потужнють тягового перетворювача буде визначатися за наступним виразом:

Ртп = PMN • Км ,

де Км - кшькють силових модул1в у склад1 тягового перетворювача.

У табл. 3 представлено розрахунок потужносп силових модул1в тягового перетворювача для 6-ти вюного електровозу з колекторними тяговими двигунами постшного струму потужнютю 1300 кВт.

У пор1внян1 з електричними машинами постшного струму потужнють асинхронних i вен-тильних (синхронних) тягових двигушв не об-

межуються щ1точно-колекторним вузлом, тому 4-х вюш електровози, з потужнютю кожного з двигушв понад 1300 кВт, доцшьно будувати з асинхронними або вентильними тяговими дви-гунами (дал! тягов! двигуш змшного струму).

Таблиця 3

Потужшсть силових модулiв для електровозу з тяговими колекторними двигунами постшного струму

Модуль

М1

(д =1)

М2

(д = 2)

М3

(д = 3)

Рмк, кВт

3380

6760

10140

20280

Км

2

1

РТП, кВт

20280

Р

Лп =

(1,3 • кШд • Рдв)• N

Д

Р

ДВ

Р

ДВ

= 1,3 •

к • N

ЛПЗД "д-

Таблиця 4

Питома потужшсть силових модулiв з тяговими двигунами змшного та постшного струмiв

М6 (д = 6)

Коефщ!ент перевантажувально! здатносн тягових асинхронно! з короткозамкненим ротором та синхронно! електричних машин вщпов!-дно дор1внюють 0,7...1,8 та 2,0 [10].

Для пор1вняння потужностей силових моду-л1в для електровоз!в з двигунами постшного (пульсуючого) струму та змшного струму, доцшьно ввести поняття питома потужшсть модуля { яка визначаеться як вщношення потужносп модуля тягового перетворювача до потужносп одного тягового двигуна, тобто:

Вид тягового двигуну

Модуль Постшного струму к = 2 0 ЛПЗД Асинхрон-ний с КЗР кПЗД =1,8 Синхронний к = 2 0 ЛПЗД

М1 (NД=1) 2,6 2,3 2,6

М2 (NД = 2) 5,2 4,7 5,2

М3 (NД=3) 7,8 7,0 7,8

М4 (NД=4) 10,4 9,4 10,4

М6 (NД = 6) 15,6 14,0 15,6

Вар1ант пор1вняння питомо! потужносп синхронних тягових двигушв з двигунами постшного струму не розглядаемо, оскшьки ви-конуеться р!внють (див. табл. 4):

АрмкДПС = АПмкСД.

Таблиця 5

Сшвввдношення питомих потужностей силових модулiв з тяговими двигунами змшного та постшного струмiв

Як бачимо з отриманого виразу питома потужшсть залежить вщ перевантажувально! здатносн тягового двигуну та кшькосп тягових двигушв на один модуль.

Представимо у вигляд! таблиц! (табл. 4) роз-рахунок питомо! потужносп силових модул!в з тяговими двигунами зм!нного та постшного струм!в.

Зменшення питомо! потужносп силових мо-дул!в при використанш асинхронних тягових двигун!в зм!нного струму по вщношенню до тягових двигушв синхронних та постшного струму представлено у табл. 5. Розрахунок проведено за виразом:

Армк% =АрмкДПС -АрмкАД • Ш0% .

^ АрмкДПС

Модуль Армк ДПС АРмк АД Арм№%, %

М1 (N = 1) 2,6 2,3 11,54

М2 (N = 2) 5,2 4,7 9,62

М3 (N = 3) 7,8 7,0 10,26

М4 (N = 4) 10,4 9,4 9,62

М6 (N = 6) 15,6 14,0 10,26

Анал!з представлених у табл. 5 результат!в дозволяе зробити наступш висновки.

Для 4-х вюного електровозу з асинхронними тяговими двигунами, у пор!внянш з викорис-танням двигун!в пост!йного струму або синхронних, доцшьно використовувати модул! статичного нашвпровщникового перетворювача у такому порядку: М1, М2 або М4.

Аналог!чно для 6-ти вюного електровозу з асинхронними тяговими двигунами доцшьно використовувати модул! статичного нашвпровщникового перетворювача у такому порядку: М1, М3 або М6, М2.

6

3

Найбшьший ефект, вщносно до зменшення потужносп модулю, при використаннi асинх-ронних тягових двигунiв дае комплектування тягового перетворювача з модулiв М1 (вщносне зменшення питомо1 потужностi складае 11,54 %).

Крiм того використання модулiв М1 е при-вабливим з точки зору надшносп тягового приводу електровозу у цшому, оскшьки вихiд з ладу одного модуля М1 призведе до виключення з роботи тшьки одного тягового двигуну. Використання ж модулiв М4 (для 4-х вюного електровозу) або М6 (для 6-ти вiсного електровозу) е недоцшьним з точки зору надшносп тягового приводу у цшому по зрозумших причинах.

Слiд зазначити, що використання того, або шшого типу модуля у складi статичного перетворювача визначаеться не тшьки потужнютю, але й масогабаритними показниками модуля. Може статися таке, що розташувати у доступному об'емi 6-ти вюного односекцшного електровозу шести модулiв М1 неможливо, а трьох модулiв М2 або двох М3 або ж одного М6 до-ступний проспр кузова електровозу дозволяе.

Але порушеш вище питання надiйностi та масогабаритних показникiв модулiв рiзних ти-пiв е тема окремих дослщжень.

Загальн1 висновки. Представлений по-р1вняльний анал1з питомих потужностей силових модул1в тягових перетворювач1в електровоз1в з двигунами постшного (пуль-суючого) та змшного струму (однаково! потужносп) вказуе, що будувати електровози з тяговими двигунами змшного струму (асинхронш з короткозамкненим ротором) доцшьно не тшьки тому, що останш характеризуются бшьш високими експлу-атацшними показниками, а кр1м того, для живлення цих двигушв потр1бш перетво-рювач1 меншо'1 потужносп по вщношенню

до одного тягового двигуна.

Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК

1. Солодунов А. М. Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронними тяговими двигателями. / А. М. Солодунов, Ю. М. Иньков, Г. Н. Коваливкер, В.В. Литовченко. / Под ред.

A. М. Солодунова. - Рига: Зинантне, 1991. -351 с.

2. Розенфельд В. Е. Теория электрической тяги. /

B. Е. Розенфельд, И. П. Исаев, Н. Н. Сидоров. -М.: Транспорт, 1983. - 328 с.

3. Дубровский З. М. Грузовые электровозы переменного тока: Справочник. / З. М. Дубровский В. И. Попов, Б. А. Тушканов. - М.: Транспорт, 1991. - 471 с.

4. Тушканов Б. А. Электровоз ВЛ85: Руководство по эксплуатации. / Б. А. Тушканов, Н. Г. Пуш-карев, Л. А. Позднякова, В. П. Ярош и др. - М.: Транспорт, 1992. - 480 с.

5. Ротанов Н. А. Проектирование систем управления электроподвижным составом. / Н. А. Рота-нов, Д. Д. Захарченко, А. В. Плакс / Под ред. Н. А. Ротанова. - М.: Транспорт, 1986. - 327 с.

6. Гребенюк П. Т. Правила тяговых расчетов для поездной работы / П. Т. Гребенюк, А. Н. Долгу-нов, О. А. Некрасов, А. Л. Лисицын, П. П. Стром-ский. - М.: Транспорт, 1985. - 287 с.

7. Цыганкова В. И. Вагоны пассажирские и грузовые колеи 1520 мм / В. И. Цыганкова, Т. Н. Зайцева. - М.: Желдориздат, 2004. - 192 с.

8. Грузовые вагоны колеи 1520 мм железных дорог СРСР. - М.: Транспорт, 1989. - 176 с.

9. Захарченко Д. Д. Подвижной состав электрических железных дорог. Тяговые электрические машины и трансформаторы. / Д. Д. Захарченко, Н. А. Ротанов, Е. В. Горчаков, П. Н. Шляхто. -М.: Транспорт, 1968. - 296 с.

10. Винокуров В. А. Электрические машины железнодорожного транспорта. / Д. А. Попов. - М.: Транспорт, 1986. - 511 с.

Надшшла до редколегп 23.11.07.