CC BY
12
УДК 629.424.1: 621.31:681.3
А. М. БОНДАРЕВ (ДИИТ)
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВЕСА ПОЕЗДА НА ДИНАМИЧЕСКУЮ НАГРУЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ЧАСТИ АСИНХРОННОГО ТЯГОВОГО ПРИВОДА ПРИ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЯХ В ЦЕПЯХ ПИТАНИЯ СТАТОРНЫХ ОБМОТОК
В статье приведены результаты теоретических расчетов аварийных режимов коротких замыканий в цепях питания статорных обмоток асинхронных тяговых двигателей при троганиях с места локомотива с составом грузового поезда
У статт наведено результати теоретичних розрахуншв режимiв коротких замикань у колах живлення статорних обмоток асинхронних тягових двигушв при зрушеннях з мюця локомотива зi складом вантажного по!зда.
The article provides the results of theoretical calculations of short circuit emergency operation modes in supply circuits of the stator windings of asynchronous tractive motors at start-up of the locomotive, hauling a freight train.
Хорошие тягово-энергетические показатели и надежная работа локомотива в значительной мере определяются соответствующими показателями и характеристиками тягового привода. Наиболее надежным и экономичным в эксплуатации, а также наименее материалоемким среди тяговых двигателей является асинхронный тяговый двигатель (АТД). Отметим, что на всех новых локомотивах, предназначенных для магистральных железных дорог в разных государствах мира, устанавливаются асинхронные тяговые двигатели. Преимущества АТД в сравнении с коллекторными тяговыми двигателями отмечается в ряде работ [1; 2]. Вместе с этим следует иметь ввиду, что при разработке тяговых приводов с использованием АТД необходимо учитывать и особые ситуации, которые являются нештатными - это аварийные режимы трех- или двухфазных коротких замыканий в цепях питания статорных обмоток.
Анализу динамической нагруженности элементов тягового привода при коротких замыканиях в цепях питания статорных обмоток посвящены работы [1-4]. В этих работах анализировалась нагруженность при двух- и трехфазных коротких замыканиях, оценивалось влияние состояние фаз питающих обмоток перед моментом короткого замыкания на уровень динамической нагруженности. Рассматривались также различные виды тяговых приводов (групповой, приводы первого и второго класса) [2]. Рассматривалась задача о нагруженности тягового привода при трогании локомотива с составом поезда [2]. Однако эта задача решалась в упрощенной постановке и не учитыва-
лись при переходных режимах движения колебания рам тележек и кузова локомотива.
В данной работе анализируется динамическая нагруженность элементов асинхронного тягового привода в аварийных режимах трехфазных коротких замыканий при троганиях грузо-пассажирского электровоза с составом вагонов грузового поезда весом 3400 т. Такой вес, с экономической точки зрения, на некоторых дорогах оказывается наиболее рациональным.
Численные расчеты проводились на основании разработанных расчетной схемы, математической модели и программы, позволяющих моделировать переходные режимы движения при троганиях с места с составом вагонов грузового поезда односекционного четырехосного электровоза с асинхронными тяговыми двигателями.
При этом было выделено:
а) в механической части с использованием симметрии системы - кузов; рама тележки; два статора и ротора АТД; два торсионных вала; четыре зубчатые муфты; два корпуса тяговых редукторов и две шестерни; две колесные пары, разделенные на две части; состав вагонов грузового поезда, которые объединяются в одну массу по мере выбора зазоров в межвагонных соединениях при трогании локомотива с места.
б) в электрической части - два АТД.
В разработанной математической модели, описывающей положение каждого элемента механической части, рассматриваются: крутильные колебания; продольные колебания; колебания подпрыгивания и галопирования, совер-
шаемые в продольной плоскости симметрии. В электрической части привода процессы описываются так, как это принято в асинхронных электрических машинах, имеющих три пары полюсов и по три статорных и роторных обмоток. Роторы АТД выполнены в виде беличьих клеток. При определении токов и потокосцеп-лений рассматривалась система координат а, в, у - неподвижных относительно обмоток статора [1-4]. В такой системе координат не возникает необходимость на каждом шаге интегрирования обращать матрицу параметров схемы замещения и связи между токами и по-тосцеплениями. Электромагнитные моменты тяговых двигателей Тм в такой модели являются функциями параметров схемы замещения
[1-4] 1 шг, 1п , , Кп , , а также т°к°в стат°-
рных и роторных обмоток I ^, I г1. Статорные обмотки АТД запитуются от автономных инверторов напряжений (АИН). Формируемые системами управления (преобразователями частоты) фазные напряжения питания статорных обмоток и i представляют собой последовательность импульсов с переменными амплитудой, частотой и полярностью. При скоростях движения 0 <и < 62 км/ч применяют широтно-импульсную модуляцию.
Для такой электромеханической системы, на основании известных соотношений механики и электромеханики, была разработана математическая модель, состоящая из 54 дифференциальных уравнений и соответствующих уравнений определения перемещений, скоростей и усилий в соединениях тел механической части, а также токов, потокосцеплений и электромагнитных моментов в электрической части.
Расчеты процессов, возникающих в электромеханической системе, проводились следующим образом. При нулевых начальных условиях рассматриваемой системы дифференциальных уравнений в математическую модель электрической части начинают задаваться фазные напряжения и i. Эти напряжения являются функциями, у которых изменяются частота и амплитуда. В расчетах принималось, что интенсивность разгона локомотива и поезда можно регулировать изменением частоты, и таким образом предопределять нарастание амплитуды напряжений питания и значений скольжения. Также было принято, что частота напряжений питания статорных обмоток изменялась по экспоненциальному закону / = /шах (1 - ехр(-у^)) . Расчеты показали, что
существенного снижения вибраций тягового двигателя и других элементов механической части при троганиях локомотива с места с составом вагонов поезда с места можно добиться, если системы управления обеспечивают его разгон при значениях у> 3. В связи с этим расчеты проводились при значениях у = 3.
Спустя некоторое время после начала интегрирования системы дифференциальных уравнений фазные напряжения полагались равными нулю, что эквивалентно короткому замыканию (при этом фиксировалось число вагонов состава поезда, которые пришли в движение). В расчетах параметры электрической и механической частей принимались такими же, как это было принято в работе [4] и соответствовали параметрам электровоза ДС3. В табл. приведены результаты расчетов аварийных трехфазных коротких замыканий, возникающих после трогания электровоза с составом вагонов грузового поезда через 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 и 22,0 с. При этом в движение включалось 4, 9, 15, 20, 40 груженых вагонов, что соответствовало весу поезда 340, 765, 1275, 1700 и 3400 т.
Таблица
Значения ускорений, моментов и усилий в элементах тягового привода
Величина Время кз, с
0,5 1,0 1,5 2,0 22,0
-2 ® фк , с 1,6 -0,6 2,0 1,7 -1,7 0,4 2,0 -1,3 1,3 2,1 -1,2 1,4 5,1 -0,8 4,9
и Ядл, м/с2 10,0 -2 11,0 16,6 -3,8 5,3 16,0 6,0 4,6 20,5 13,5 3,0 29,6 8,9 5,0
-2 Ю фдв1 , с -8 10,0 3,0 8,8 -2,8 6,4 -8,9 -4,0 3,7 10,8 -7,7 2,0 8,9 2,2 6,5
• -2 Ю фред\ , с 14,0 -12,0 2,5 18,8 -7,9 3,6 20,9 -9,2 3,3 20,0 -6,0 5,0 36,3 15,5 5,0
Тем1> кНм 20,0 9,2 3,4 20,0 10,0 3,2 20,0 7,7 4,3 20,0 7,4 4,0 20,0 13,0 3,2
Т м\\, кНм 20,0 10,0 3,3 20,0 9,3 3,9 20,0 8,5 4,5 20,0 7,7 4,3 20,0 13,0 3,2
РНТ , кН 10,4 7,0 11,4 80,8 80,8 0,7 92,3 80,8 0,3 103,8 34,6 2,2 144,0 -22,2 2,5
Рзп11 , кН 126,9 103,8 1,7 111,0 80,8 1,3 115,0 57,7 0,8 114,0 76,9 1,6 110,0 110,0 1,4
В данной табл. в первом столбце приведены обозначения вычисляемых в результате интегрирования системы дифференциальных уравнений: ускорений (со фк - галопирования кузова; и 2де1 - подпрыгивания двигателя; сс фдв1, сс ф^ед1 - вращательных колебаний относительно горизонтальной поперечной оси двигателя и редуктора); электромагнитного момента Т ем1 и момента Тм11 в зубчатой муфте, соединяющей ротор и торсионный вал; усилий в наклонной тяге ^нТ и в зубчатой передаче ^зп11. В остальных столбцах в первой строке указаны наибольшие значения соответствующих величин, во второй строке - значения соответствующих величин перед моментом короткого замыкания и в третьей строке - значения коэффициентов динамичности. Коэффициенты динамичности определялись как отношения значений величин после короткого замыкания к соответствующим значениям, предшествующим короткому замыканию.
Анализ полученных результатов показал, что значения коэффициентов динамичности для электромагнитного момента Т ем1 и момента в зубчатой муфте Тм11 оказались примерно на 25 % выше тех величин, которые были получены при проведении аналогичных расчетов в предположении, что на соответствующей скорости режим движения установившийся. В остальных элементах значения коэффициентов динамичности в значительной мере зависят от
состояния системы перед короткими замыканиями. Таким образом, при оценке динамической нагруженности элементов тягового привода локомотива необходимо учитывать переходные режимы движения и моделировать аварийные режимы коротких замыканий на малых скоростях при его троганиях с места с составом поезда.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бурков А. Г. Анализ режимов автономных инверторов напряжений локомотивов с асинхронными тяговыми двигателями методом цифрового динамического моделирования. Полупроводниковая техника в устройствах электрических железных дорог. - Л.: ЛИИЖТ, 1978. - С. 11-54.
2. Манашкин Л. А., Бондарев А. М., Грановская Н. И. и др. Исследование динамической на-груженности асинхронных тяговых приводов локомотивов при трогании поезда с места // Динамика и прочность железнодорожных экипажей: Межвуз. сб. научн. тр. - Д., 1999. -С. 71-79.
3. Манашкин Л. А., Бондарев А. М., Грановская Н. И. Расчет динамических нагрузок в асинхронном тяговом приводе при коротком замыкании обмоток статора // Вестник ВНИИЖТ. -1988. - С. 21-25.
4. Бондарев О. М. Вшьш коливання при передачi обертального моменту в асинхронному тяговому приводi електровоза // Залiзничний транспорт Украши. - 2002. - № 6. - С. 34-38.
Поступила в редколлегию 20.10.03.
