CC BY
40
УДК 621.314.5:681.5:621.313.3 Б01: 10.15587/2312-8372.2015.39931
осоБливост1 виБОРУ тягових
ЕДЕКТРОДВНГУН1В ДЛЯ ПОБУДОВИ СИСТЕМ РУХОМИХ ЕЛЕКТРОТЕХН1ЧНИХ КОМПЛЕКСА
Дослгджено особливостг вибору тягових електродвигутв для ргзних видгв та конструкцш рухомих електротехтчних комплексгв. Проведено аналгз практичного досвгду побудови систем тягових електроприводгв на основг обраного тягового двигуна та узагальнення методики визна-чення параметргв двигутв при визначених вимогах щодо показникгв руху з боку електротехтч-ного комплексу.
Клпчов1 слова: тяговий двигун, електротехнгчний комплекс, тяговий привод, методика.
Кулагш Д. 0., Чернецький Б. С.
1. Вступ
Вибiр того або шшого тягового електродвигуна для побудови системи тягових електроприводiв насамперед, залежать вщ област застосування рухомого електро-техшчного комплексу i вимог, поставлених до нього з боку основного технолопчного процесу.
Незважаючи на те, що кожний тяговий електропривод мае сво! власш вимоги до системи керування й мае оптимальш характеристики лише в певному дiапазонi частот обертання, до нього пред'являються наступш основш вимоги:
— простота виготовлення;
— надшшсть;
— зручшсть обслуговування;
— легкiсть регулювання показникiв роботи та систем-
них параметрiв;
— простота системи керування;
— високий обертовий момент у всьому дiапазонi
частот обертання;
— можливкть здiйснення рекуперативного гальму-
вання;
— високий коефщент корисно! д11 (ККД).
Дослвдження питання побудови систем тягових
приводiв з рiзними типами двигунiв е актуальними з точки зору досягнення максимального рiвня енерго-ощадностi за рахунок виконання вах перелiчених вимог. Засоби тдвищення енергетично! ефективносп та продуктивностi рухомих електротехнiчних комплекав в умовах складно! ситуацп на ринку енергетичних ре-сурсiв дозволяють забезпечити зростання незалежностi вiтчизняноi транспортно! галузi вiд цiлоi низки еко-номiчних та полiтичних чинникiв, що мають значний влив на основш показники роботи багатьох тдприемств та бюджет приватних власниюв транспортних засобiв та забезпечують оптимальне проектування та бшьш ефективну роботу рiзних галузей господарства. Енерго-збереження та ращональне використання енергп пiд час виконання технолопчних процесiв у всiх службах та господарствах транспорту е основним резервом роз-витку та забезпечення стабiльностi багатьох сумiжних галузей в найближчiй перспектив!
2. Анал1з л1тературних даних та постановка проблеми
Завдяки широкому застосуванню результапв досль джень з мехатротки сьогоднi на транспортi можна ви-дiлити спецiальний напрям розвитку ще! галузi науки — транспортну мехатротку [1]. Вона присвячена аналiзу проблем сполучення та органiзацii взаемодп транспортних електромехатчних й електронних вузлiв, агрегапв та теле-матичних приладiв та систем у процеа експлуатацп транспортних машин для отримання синергетичного ефекту [2]. Тому мехатрошка та телематика на основi синергетики транспортних машин та систем е основною складовою новитх iнформацiйно-комунiкацiйних технологiй.
Проте, на сьогодш майже вiдсутнi сучаснi дослщжен-ня щодо особливостей побудови рiзних титв тягових електроприводiв для рухомих об'екпв з урахуванням останнiх досягнень у побудовi тягових перетворювачiв.
Електричнi передачi знаходять застосування в основному на машинах велико! потужностг Застосовуються електромеханiчнi трансмiсii постiйного i змшного струму. Електромеханiчнi трансмiсii мають наступш переваги:
— можливкть плавно!, безстутнчасто! змiни крут-ного моменту;
— спрощена мехашчна частина приводу;
— бiльша еколопчна безпечнiсть (для машин з пдро-передачами, механiчними передачами частою е ситуа-цiя з витiканням мастила, яке потрапляючи у Грунт створюе значну небезпеку для сiльськогосподарських упдь);
— первинний двигун працюе в оптимальному, майже сталому, режимi роботи;
— можливiсть використання електричних способiв гальмування, що дозволяе зменшити знос механiчних частин гальмiвноi системи машини;
— менша маса трансмiсi! на одиницю маси машини для комплекав з двигуном потужтстю понад 700 кВт.
3. Об'Ект, ц1ль та задач1 дослщження
Об'ектом дослгдження е тяговi двигуни систем електро-приводiв рухомих електротехтчних комплеюлв.
TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 2/1(22], 2015, © Кулапн Д. □., Чернецький Б. С.
Проведет дослщження ставили за мету визначення особливостей вибору тягових двигушв для рiзних видiв рухомих електротехшчних комплексiв.
Для досягнення поставлено! мети виршувалися на-ступш задачк
— аналiз практичного досвiдy вибору тягових двигушв;
— узагальнення методики визначення виду та пара-
метрiв тягових двигушв при заданих вимогах з боку
рухомого електротехшчного комплексу.
4. Матер1али та методика дослщження особливостей вибору виду тягових електродвигушв
При порiвняннi рiзних варiантiв тягових електро-приводiв електротехнiчних комплекив 1х ККД поряд iз власною масою е одним з виршальних факторiв, тому що застосовyванi первинш джерела енергп — тяговi аку-мyляторнi батаре!, дизельнi установки чи конденсаторш системи мають обмежений запас енергп й значну масу.
При вах перевагах тягових електроприводiв з тя-говими електродвигунами постiйного струму вщзна-чимо iхнiй основний i помiтний недолiк — наявнiсть мехашчного контакту в щiтково-колекторномy вyзлi тягового електродвигуна.
Тому, незважаючи на складну й дорогу систему регу-лювання тягового електропривода з тяговим електродви-гуном змiнного струму (асинхронними й синхронними) тяговi електроприводи постшного струму виявляються бiльш надшними, легкими й довговiчними.
Переваги асинхронних тягових електродвигушв були реалiзованi фiрмою General Motors, яка першою вико-ристовувала на сво!х дослщних електромобiлях [3].
Тяговi електроприводи iз синхронними тяговими електродвигунами виконуються за схемою вентильного двигуна, у яюм легко забезпечуеться робота з cos ф = 1 i, бшьше того, при необхiдностi, з cos ф < 1.
Можливкть безконтактного варiанта тягового електро-привода, мiнiмiзацiя втрат, надiйнiсть системи ставлять завдання застосування в зазначених тягових електропри-водах двигушв зi збудженням вiд постшних магнiтiв за структурою вентильного електропривода.
Для забезпечення мшмальних маси й габаритiв вентильного двигуна зi збудженням вiд постшних магнтв необхiдно вибирати багатополюсний ротор з 2p > 6 (де 2р — число полюсiв ротора), при цьому найкращого результату, у змкп зазначеного вище мiнiмyмy, одержимо застосуванням для збудження високо коерцитивних постшних магнiтiв, до яких вщносяться магнiти з фериту барiю або стронщю, рiдкiсноземельних елементiв плюс кобальт i неодим-залiзо-бор. Для таких постшних магнтв встановлено, що доцiльно застосовувати в кон-струкщях ротора з паралельним включенням постшних магнтв по магштному потоку: у кiгтьоподiбномy роторi або з колекторним розмщенням постiйних магнiтiв [4].
5. Результати дослщження вимог щодо вибору тягових двигушв
Порiвняння робочих характеристик двигушв показуе, що двигун постшного струму показуе бшьш випдш для рухомих електротехшчних комплекав характеристики шж асинхронний лише при тривалiй робот на низь-
ких швидкостях i для широкого дiапазону швидкостей при постiйнiй потужностi, що е бшьш характерним для вантажоперевезення та виконання важко1 механiчноi роботи. Перевантажувальна здатшсть у короткочасно-му режимi залежить не тшьки вiд параметрiв двигуна, але у значнш степенi ввд характеристик перетворювача частоти. Чим ширшим е дiапазон швидкостей, у яко-му двигун може видати максимальну потужшсть, тим оптимальнiше такий двигун може бути адаптований до процеив, що вимагають забезпечення постiйного моменту у вам дiaпaзонi швидкостей [5].
Двигуни постшного струму мають значно меншу висоту ос обертання i масу ротора, нiж aсинхроннi двигуни [6], i отже мають бiльш низький момент iнерцii ротора, що е ктотною перевагою у динaмiчних системах, тому що це впливае на час розгону i динaмiчний вiдгук двигуна у вах чотирьох квадрантах роботи пiд час розгшних та гaльмiвних процесiв.
Бшьш низью маса й габарити двигушв постшного струму (стандартний стутнь захисту 1Р 23) у порiв-нянш з асинхронними двигунами (стандартний стутнь захисту 1Р 54) особливо вaжливi для електротехшч-них комплексiв, у яких двигун повинен перемщатися разом з вантажем в системах, де важливо компактне розмщення.
Основним недолiком аналогових електроприводiв постшного струму е низька завадостшюсть, складшсть у нaстроювaннi й нестaбiльнiсть пaрaметрiв. У якостi датчика зворотного зв'язку по швидкост застосовуеться тахогенератор, що мае т ж недолiки, що i звичайний колекторний двигун.
Для реверсивних тягового електроприводу тсля тахогенератора доводиться встановлювати спецiaльну дiодну систему на основi мiсткa, що обмежуе дiaпaзон регулювання на малих швидкостях через особливост сигналу зворотного зв'язку [7].
Сучасш мiкроконтролери, що управляють частотним перетворювачем та тяговим електродвигуном, дозволя-ють обробляти дaнi за перiод у кшька десяткiв мжро-секунд, що дозволило розширити дiaпaзон регулювання зi зворотним зв'язком до 1:1000 з точшстю пiдтримки швидкостi 0,2 оберту у вам дiaпaзонi. Це наближае час-тотнi приводи за яюстю характеристик до сервоприводiв. Основу шформацшних пiдсистем сучасних тягового електроприводу, як правило, складають мiкроконтролернi пристроi, що мають ряд штотних переваг в порiвняннi з аналоговими пристроями керування, як реaлiзовують типовi aрифметичнi i логiчнi функцii, обробку мaсивiв, регулювання електромагштних i мехaнiчних змiнних, стабтзащю, корекцiю i компенсaцiю нелiнiйностей, спостереження, iмiтaцiю об'екта керування i обробку закошв роботи.
Сучaснi мiкроконтролери е однокристальними елект-ронно-обчислювальними машинами, цифровими сиг-нальними процесорами, адаптованими до завдань ке-рування в реальному чаа з цiлим рядом штегрованих пристроiв:
— aнaлого-цифровi перетворювaчi для введення сиг-нaлiв аналогових дaвaчiв;
— формувaчi вихiдних широтно-iмпульсних сигна-лiв для прямого цифрового керування силовими перетворювачами;
— порти для сполучення з системами керування бшьш високого рiвня.
I 10
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АУДИТ И РЕЗЕРВЫ ПРОИЗВОДСТВА — № 2/1(22], 2015
Серед переваг мiкроконтролерiв слвд назвати:
— гнучкiсть (можливiсть оперативно! змши струк-тури, законiв i параметрiв системи керування);
— можливiсть реалiзацii разом з традицiйними законами керування, прийнятими в аналогових системах, складшших методiв для використання в адаптивних, самоналагоджувальних, взаемозв'язаних i багатокон-турних системах керування;
— оперативне тестування i дiагностика поточного стану системи автоматичного керування та Г! елемен-пв, що сприяе ранньому виявленню несправностей та попередженню аварiй;
— висока точшсть обробки iнформацii (в цифро-вих системах похибки, характернi для аналогових керуючих пристроТв, вiдсутнi);
— можлившть фiксацii, зберiгання i вiзуалiзацi'i ма-сивiв параметрiв процесiв керування, оперативно! взаемодГГ з обслуговуючим персоналом;
— висока надшшсть, зменшена маса та габарити мжроконтролерних i комп'ютерних систем керування в порiвняннi з аналоговими системами. Наявшсть в складi мiкроконролерiв великого об'ему
пам'ятi дозволяе реалiзувати складнi послiдовностi обробки даних i робити енергетичнi об'екти доступними за широким комплексом шформацп з мiкроконролерiв, що може характеризувати даш об'екти. При цьому, навиь за використання вiдомих методiв прямого вимiрювання необхiдних для керування величин, стае можливим, маючи невелике число здавачiв (переважно електричних величин) ^ вiдповiдно, каналiв збору первинноГ шформацп, визначати необхiдну додаткову iнформацiю за допомогою обчислень в реальному чась Така тенденцiя пiдкрiплюеться наявшстю недолiкiв пiдходу прямого використання значноТ кiлькостi давачiв для вирiшення завдань регулювання в системах змiнного струму:
— висою вимоги до роздшьно'Г здатностi первинних вимiрювачiв;
— необхщшсть побудови додаткових гальванiчних розв'язок для тдключення давачiв;
— складнiсть сполучення рiзних систем давачiв в одному контурi регулювання.
Перехiд до цифрового керування вщкривае можли-вост реалiзацi'i складних законiв керування, яю ранiше було практично неможливо застосовувати.
Iншi типи електродвигунiв змшного струму (син-хроннi, iндукторнi), у багатьох аспектах поступаються асинхронному двигуну за яюстю характеристик, про-те продовжують вивчатися стосовно до використання в тягових системах
Виконаемо порiвняльний аналiз рiзних типiв дви-гунiв однiе'i потужностi (табл. 1).
Таблиця 1
П□рiвняльнi характеристики тягових алактродвигушв
З наведеноТ табл. 1 видно, що за одше'Г встановленоТ потужностi тягового двигуна двигуни змшного струму мають значно меншу масу та варпсть при бiльш висо-кому ККД, нiж двигун постшного струму.
6. Обговорення результат1в дослщження вимог щодо побудови тягових електроприводав
Згiдно з iснуючими рекомендацiями щодо проекту-вання тягових систем [3, 5, 8-10], потужшсть тягового привода визначають виходячи з умови забезпечення заданого середнього прискорення до певноТ швидкост!
Далi на пiдставi розрахункiв середньоквадратичного струму на еквiвалентнiй дiлянцi шляху визначають потуж-нiсть тривалого режиму роботи тягових електроприводiв.
Слiд звернути увагу на наступне: основний режим роботи рухомого електротехшчного комплексу — це рух з експлуатацшною або близькою до неТ швидкостями. Тому на такому електротехшчному комплексi слщ за-стосовувати привод, який забезпечуе оптимальш енер-гетичнi показники в зазначеному режимi роботи.
При виборi потужностi тягового привода також слщ придiляти увагу конфiгурацi'i електротехнiчного комплексу. Закордонний досвщ показуе, що техшко-еконо-мiчнi й споживчi властивост рухомих електротехнiчних комплексiв визначаються умовами Гх експлуатацп.
Як правило, компанп купують невеликi по чисель-ност серп певних електротехнiчних комплексiв. Однак щ системи сконструйованi й обладнаш з врахуванням всiх специфiчних вимог замовника.
В таких умовах для ктотного зменшення капiталь-них витрат була запропонована й одержала широкий розвиток концепщя модульних платформ, коли рухомий електротехшчний комплекс фактично комбiнуеться зi стандартного ряду ушфжованих модулiв рiзного при-значення. Сьогоднi це типовий розв'язок, пропонований практично вама провiдними свгговими виробниками електротехнiчних комплексiв для перевезення пасажирiв, вантажу, виконання сiльськогосподарських роби, тощо.
7. висновки
В результат проведеного аналiзу отримала подаль-ший розвиток методика визначення типу та параметрiв тягових двигунiв рухомого електротехшчного комплексу шляхом врахування заданих вимог з боку виконавчого мехашзму. Зокрема, проведено аналiз практичного до-свiду вибору тягових двигушв та узагальнення методики визначення виду та параметрiв тягових двигушв при заданих вимогах з боку рухомого електротехшчного комплексу, що дозволяе проводити точний вибiр типу та параметрiв двигуна в залежност вщ умов експлуатацп електротехнiчного комплексу.
Лггература
Тип двигуна Маса, кг Се-реднш ККД В1д-носна варт1сть
Колекторний, постшного струму 99 0,84 1,0
Асинхронний, з коротка замкненим роторам 45 0,935 0,26
Синхронний з електромагштним порушенням 55 0,93 0,32
Синхронний з постшними магштами 45 0,935 0,26
Синхронний дисковий з постшними магттами 34 0,96 0,20
1. Wasynczuk, O. A maximum torque per ampere control strategy for induction motor drives [Text] / O. Wasynczuk, S. D. Sudhoff, K. A. Corzine, J. L. Tichenor, P. C. Krause, I. G. Hansen, L. M. Taylor // IEEE Transactions on Energy Conversion. — 1998. — Vol. 13, № 2. — P. 163-169. doi:10.1109/60.678980
2. Petrov, L. P. Die Modelierung der Energieverluste in Asynchronmotoren unter Beachtung der elektromagnetischen Ubergangsprozesse [Text] / L. P. Petrov // Elektrie. — 1980. — Vol. 34, № 7. — P. 375-379.
TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 2/1(22], 2015
17=)
3. Florentsev, S. N. Traction Electric Equipment Set for AC Electric Transmission Various Vehicles [Text] / S. N. Florentsev // Proceedings of International Exhibition & Conference «Power Electronics, Intelligent Motion. Power Quality (PCIM-2009)», 12-14 May 2009, Nurenberg, Germany. — P. 625-627.
4. Кулагш, Д. О. Проектування систем керування тяговими електропередачами моторвагонних поiздiв [Текст]: моно-графiя / Д. О. Кулагш. — Бердянськ: ФО-П Ткачук О. В., 2014. — 154 c.
5. Ali Emadi. Energy-Efficient Electric Motors: Selection and Applications [Text] / Ali Emadi. — New York: Marcel Dekker, 2004. — Ed. 3. — 424 p.
6. Кулагш, Д. О. Математична модель тягового асинхронного двигуна з урахуванням насичення магштних кш [Текст] / Д. О. Кулагш // Науковий вюник НГУ. — 2014. — № 6. — С. 103-110.
7. Кулагш, Д. О. Математична модель тягового асинхронного двигуна з урахуванням насичення [Текст] / Д. О. Кулагш // Техшчна електродинамжа. — 2014. — № 6. — С. 49-55.
8. Boldea, I. Induction Machines Handbook [Text] / Ion Boldea, Syed A. Nasar. — CRC Press Boca Raton: London, New York, Washington, D. C., 2002. — 845 p.
9. El-Sharkawi, M. A. Fundamental of electric drivers [Text] / Mohamed A. El-Sharkawi. — Brooks: Cole production, 2000. — 400 p.
10. Stone, G. C. Electrical insulation for rotating machines [Text] / Greg C. Stone, Hussein Dhirani, Edwards A. Boulter, Ian Culbert. — A John Wiley & Sons, inc., 2004. — 392 p.
0С06ЕНН0СТИ ВЫбОРА ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ПОДВИЖНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ
КОМПЛЕКСОВ
Исследованы особенности выбора тяговых электродвигателей для различных видов и конструкций подвижных электро-
технических комплексов. Проведен анализ практического опыта построения систем тяговых электроприводов на основе выбранного тягового двигателя и обобщена методика определения параметров двигателей при определенных требованиях относительно показателей движения со стороны электротехнического комплекса.
Ключевые слова: тяговый двигатель, электротехнический комплекс, тяговый привод, методика.
Кулагт Дмитро Олександрович, кандидат техшчних наук, доцент, докторант, кафедра електропостачання промислових тдприемств, Запорiзький нацюнальний техтчний утверситет, Украта, e-mail: kulagindo@gmail.com.
Чернецький Богдан Сeргiйович, астрант, кафедра електропостачання промислових тдприемств, Запоргзьшй нащональний техтчний утверситет, Украта, e-mail: Bogdan_chernetskiy@yandex.ru.
Кулагин Дмитрий Александрович, кандидат технических наук, доцент, докторант, кафедра электроснабжения промышленных предприятий, Запорожский национальный технический университет, Украина.
Чернецкий Богдан Сергеевич, аспирант, кафедра электроснабжения промышленных предприятий, Запорожский национальный технический университет, Украина.
Kulagin Dmitro, Zaporizhzhya National Technical University, Ukraine, e-mail: kulagindo@gmail.com.
Chernetskiy Bogdan, Zaporizhzhya National Technical University, Ukraine, e-mail: Bogdan_chernetskiy@yandex.ru
УДК 004.942:62-83 DOI: 10.15587/2312-8372.2015.41406
Курляк п. о. АНАЛ13 ЕНЕРГЕТИЧНИХ ПОТОК1В
У СИСТЕМАХ Р13НО1 Ф13ИЧНО1 ПРИРОДИ ЕЛЕКТРОПРИВОДНИХ ТУРБОМАШИН
Запропоновано спо^б аналiзу енергетичних пототв в системах fiem! фiзичноí природы електроприводних турбомашин. Для проведення долдження единого електрогiдромеханiчного процесу комплексним методом встановлено енергетичний зв'язок мiж Bond Graph моделями асинхронного двигуна i вiдцентрового насоса. Проаналiзовано ефективтсть перетворення енергп у кожнш фiзичнiй областi турбомашини тарозробленорекомендацп з ефективного використання енергоресур^в.
Клпчов1 слова: Bond Graph, енергетика, асинхронний двигун, в^дцентровий насос, турбомашини, миттевi потужностi.
1. Вступ
В умовах CTpiMKoro росту щни на енергоносн вкрай необхщним стратепчним завданням е збереження енер-гетично! незалежност Украши. 1снують багато шляхiв виконання даного завдання, одним i3 яких е впрова-дження енергоефективних режимiв роботи технолопч-ного обладнання вах галузей промисловость Велику частку — бшьше 70 % вщ загального об'ему електро-приводiв (ЕП), що використовуються в промисловост займають ЕП змшного струму на базi асинхронних дви-
гушв з короткозамкненим ротором. Особливо слщ вщ-мггити електроприводш турбомашини (ЕПТМ), а саме: насоси, вентилятори, компресори, як е найбшьш масо-вими виробничими мехашзмами. Встановлення у свш час низьких щн на електроенергш призвело до знач-ного тдвищення масогабаритних показниюв приводних електродвигушв, потужшсть яких при цьому завищува-лась в 1,5-2 рази. В результат бшьшкть з них працюе iз значним недовантаженням вщ 30 до 70 %, що викли-кае суттеве зниження ККД ЕП. Вказаш процеси також спричинюють значне попршення коефщенту потужнос-
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АУДИТ И РЕЗЕРВЫ ПРОИЗВОДСТВА — № 2/1(22], 2015, © Курляк П. О.
