Покрытие потерь холостого хода в системе взаимного нагружения тяговых двигателей с одним источником электрической мощности Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 629.423.31- 48.24

А. М. АФАНАСОВ, А. Е. ДРУБЕЦКИЙ, А. С. МЯСНИКОВ (ДНУЖТ)

Кафедра «Электроподвижной состав железных дорог», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел.: (056) 373-15-31, эл. почта: [email protected]

ПОКРЫТИЕ ПОТЕРЬ ХОЛОСТОГО ХОДА В СИСТЕМЕ ВЗАИМНОГО НАГРУЖЕНИЯ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ОДНИМ ИСТОЧНИКОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ

Введение

Требования соответствующих стандартов и правил ремонта тягового и мотор-вагонного подвижного состава магистрального и промышленного транспорта предусматривают проведение приёмо-сдаточных испытаний каждой вновь изготовленной или вышедшей из ремонта тяговой электромашины [1-3]. Эти испытания представляют собой важную и неотъемлемую часть технологического процесса изготовления или ремонта электромашины, материальные затраты на которую входят в себестоимость конечной продукции. Испытания на нагрев, проверка частоты вращения и реверсирования, а также проверка коммутации требуют обязательного нагружения тяговых электромашин.

Высокую энергетическую эффективность при относительно невысокой суммарной мощности источников питания обеспечивают системы взаимного нагружения, в которых происходит энергообмен между испытуемыми электромашинами [4]. Источники внешнего питания в таких системах нагружения требуются только для покрытия потерь мощности в испытуемых электромашинах.

Покрытие отдельных видов потерь мощности в системах взаимного нагружения может осуществляться как прямыми, так и косвенными методами, при использовании косвенных способов покрытие потерь обеспечивается за счёт небалансной электромагнитной мощности испытуемых электромашин, которая может создаваться за счёт разности либо электродвижущих сил электромашин, либо разности их электромагнитных моментов [5].

Цель

Целью данной работы является анализ режимов регулирования небалансного электромагнитного момента взаимно нагруженных тяговых электродвигателей постоянного и пульсирующего тока, испытуемых с использованием схемы взаимной нагрузки с одним источником электрической мощности.

Методика

Одна из схем, позволяющая реализовать электрический способ покрытия потерь холостого хода, представлен на рис. 1. На данной схеме обмотки якорей и обмотки возбуждения испытуемых тяговых электромашин (М - двигатель, G - генератор) соединены последовательно и подключены к источнику напряжения «ИН». Валы испытуемых электромашин соединены муфтой (на рисунке не показана). Обмотка возбуждения генератора зашунтирована регулятором ослабления поля РОП.

Рис. 1. Схема взаимного нагружения

Характеристики управляющих параметров, обеспечивающие режим взаимного нагружения электромашин по данному варианту, имеют вид

[5]:

им > 0; Фд > Фг ; АФ > 0,

где ии - напряжение источника питания;

Фд , Фг - магнитные потоки двигателя и генератора соответственно;

АФ = Фд - Фг - разность магнитных потоков.

Протекание тока нагрузки I вызывает падение напряжения на суммарном активном сопротивлении цепи ^ Аи .

Система уравнений баланса напряжений и механических моментов для данной схемы взаимной нагрузки имеет вид:

© Афанасов А. М. та îh., 2015

[£ли = ии - САФга; [^АМ = САФ1.

Кривые, характеризующие баланс напряжений в цепи якорей испытуемых электромашин при изменении тока нагрузки, качественно показаны на рис. 2.

XА1Г+АЕ

1ч I

Рис. 2. Кривые, характеризующие баланс напряжений

При электрическом способе компенсации потерь холостого хода [5] регулирование небалансной электромагнитной мощности АРэм сводится к регулированию небалансного электромагнитного момента АМэм, который определяет угловую скорость га* и напряжения на испытуемых электромашинах. Небалансный электромагнитный момент и угловая скорость связаны между собой уравнением [5]

dгa

ДМа

= ^ДМ + J

dt

где ^ АМ , Jэ - потери момента холостого хода в стенде и эквивалентный момент инерции, приведенные к валу испытуемого двигателя.

Структурная схема регулирования угловой скорости га* представлена на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема регулирования угловой скорости

Момент сопротивления АМ для каждой из электромашин является функцией угловой скорости га и магнитного потока Ф [4]. Магнитный поток Ф в каждой из электромашин опре-

деляется током возбуждения, зависящим от тока нагрузки I.

АМ = f (га*, i) .

В стационарном режиме

га* = ^ (АМэм ) ,

*

где f - функция, обратная £ .

Уравнение баланса моментов для установившегося режима вращения якорей испытуемых электромашин можно представить в виде [5]

^АМ = САФ1,

где ^ АМ - общие потери момента в испытуемых электромашинах;

АФ = Ф* — Фг - разность магнитных потоков;

С - конструктивная постоянная электромашины;

I - ток нагрузки (якорей) электромашин.

^АМ = АМ* + АМг ,

где АМ *, АМ г - потери момента двигателя и

генератора соответственно.

В данной схеме возможна установка одинакового для испытуемых электромашин номинального значения токов якорей I = 1н . Установление значения тока возбуждения, равным номинальному, при проведении приемосдаточных испытаний является условием, обязательным для той электромашины, которая работает двигателем, и для которой, согласно требованиям к испытаниям, определяется значение частоты вращения якоря [1]. Тогда соотношение токов возбуждения испытуемых двигателя 1в* и генератора 1вг для данной схемы будет иметь вид:

1\* = 1н ;

Кг < 1н.

Ток возбуждения двигателя устанавливается равным его номинальному значению, а ток возбуждения генератора - меньшим номинального. При этом варианте обмотка возбуждения электромашины, работающей генератором, недогружена по току на величину

А1вг = 1н — 1вг .

© Афанасов А. М. та îh., 2015

э

електрорухомий склад / electric rolling stock

Графически характер соотношения токов возбуждения испытуемых электромашин показан на рис. 4.

Ф п

е

Рис. 4. Характер соотношения токов возбуждения испытуемых электромашин

Разность магнитных потоков ДФ, обеспечивающая покрытие потерь моментов электромашин, определяется разностью токов возбуждения Д1в и местом положения точки, соответствующей номинальному режиму, на кривой намагничивания Ф = f (1в ) .

Для номинального режима значение ДФ может быть определено в виде

ДМ д +ДМ 2

АФн =:

CI н

(1)

Строго говоря, магнитные потери мощности и момента в генераторе при испытаниях по данной схеме должны быть меньше, чем в двигателе в связи с меньшим значением магнитного потока. Однако предварительные расчеты показывают, что в тяговых электрических двигателях (с коэффициентом полезного действия более 0,9) это различие не будет превышать 10 %. При этом суммарные потери, связанные с вращением роторов электромашин (механические и магнитные) будут отличаться не более чем на 5%. В связи с изложенным выше формулу (1) можно записать в упрощенном виде

2 ДМ " (2)

ЛФн =-

CI н

где ДМ н - механические и магнитные потери момента одной электромашины в номинальном режиме.

Поделив левую и правую часть уравнения (2) на номинальное значение магнитного потока Фн, после преобразований получим

АФн _ 2AMн

Ф M

(3)

где М эмн - номинальное значение электромагнитного момента электромашины.

Это же выражение может быть записано в виде соотношения мощностей

АФн _ 2АРх*н

Ф P

н эмн

(4)

де ДРххн - потери холостого хода в одной электромашине при номинальном режиме;

Рэмн - номинальная электромагнитная мощность одной электромашины.

Введем следующие обозначения:

ДФн

К ДФ =--— относительная разность магнит-

Фн

ных потоков;

ДР

ДР хх = ~РХХН Рэмн

стого хода;

К -Д1в К Д1 - — -

' 1 /

относительные потери холо-

относительная разность токов

возбуждения.

Согласно (4) связь между данными параметрами имеет вид

K АФ = 2АР д

(4)

В табл. 1 приведены результаты расчета зависимости Кдф - f (КД1) , полученные с использованием универсальной магнитной характеристики [6] для трёх значений коэффициента магнитного насыщения в номинальном режиме кн (1,67; 1,91; 2,15).

Таблица 1

Зависимости КАФ = f ( K д/ )

кн -U67 k ai 0,111 0,222 0,333 0,444 0,556 - -

k аф 0,039 0,082 0,132 0,208 0,308 - -

k II 1 k ai 0,091 0,182 0,273 0,364 0,455 0,545 -

k аф 0,031 0,064 0,100 0,140 0,187 0,258 -

к н =2,15 k ai 0,077 0,154 0,231 0,308 0,385 0,462 0,538

k аф 0,022 0,046 0,075 0,107 0,142 0,180 0,225

© Афанасов А. М. та ш., 2015

В табл. 2 приведены результаты расчёта зависимости относительной разности токов возбуждения Кд от приведенных потерь Др

одной электромашины, полученные по формуле (5) и данным таблицы 1.

Таблица 2

Зависимости = f ( Архх )

k н =1,67 АР « 0,019 0,041 0,011 0,066 0,036 0,104 0,074 0,154 0,124 - -

kai 0,111 0,222 0,333 0,444 0,556 - -

k H =1,91 AP « 0,016 0,032 0,002 0,050 0,020 0,070 0,040 0,094 0,064 0,129 0,099 -

kai 0,091 0,182 0,273 0,364 0,455 0,545 -

k H =2,15 AP « 0,011 0,023 0,038 0,008 0,054 0,024 0,071 0,041 0,090 0,060 0,113 0,082

kai 0,077 0,154 0,231 0,308 0,385 0,462 0,538

Значения Дрхх, приведенные в числителе, относятся к случаю совпадения магнитных характеристик испытуемых электромашин, а приведенные в знаменателе - к случаю максимального их расхождения (6%).

Выводы

Значение коэффициента К дф, необходимое для создания условий компенсации механических и магнитных потерь, будет определяться значением Кд и коэффициентом магнитного насыщения испытуемых электромашин.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. ГОСТ 2582-81. Машины электрические вращающиеся тяговые. [Текст] / Государственный стандарт СССР. - М. : Издательство стандартов, 1981. - 50 с.

2. Правила ремонту електричних машин елек-тровозiв i електропо1здв. ЦТ-0063 [Текст]. - К. : Видавшчий дiм «САМ», 2003. - 286 с.

3. Правила ремонту електричних машин тепло-возiв. ЦТ-0064 [Текст]. - К. : Видавшчий дiм «САМ», 2003. - 122 с.

4. Захарченко, Д. Д. Тяговые электрические машины и трансформаторы [Текст] / Д. Д. Захарченко, Н. А. Ротанов, Е. В. Горчаков. - М. : Транспорт, 1979. - 303 с.

5. Афанасов, А. М. Принципы синтенза схем взаимной нагрузки тяговых электромашин постоянного тока / А. М. Афанасов // Прнича електроме-хашка та автоматика: науково-техн. зб. - 2010. -Вип. 85. - С. 183-189.

6. Находкин, М. Д. Универсальная магнитная характеристика тяговых электродвигателей постоянного тока [Текст] / М. Д. Находкин, В. С. Хвостов // Вестник электропромышленности. - 1958. - № 1. -С. 44-48.

С увеличением коэффициента магнитного насыщения кн значение Кд, соответствующее заданному Др , растет. Расхождение магнитных характеристик испытуемых электромашин требует существенного запаса диапазона регулирования разницы их токов возбуждения. Для решения данной проблемы в системе взаимного нагружения должна быть предусмотрена возможность удобного взаимного переключения режимов нагружения испытуемых электромашин: «двигатель» - «генератор».

REFERENCES

1. GOST 2582-81. Mashiny elektricheskie vrash-chayushchiesya tyagovye [Rotating electrical machines traction] / Gosudarstvennyy standart SSSR - State Standard of the USSR. Moscow, Publisher standards, 1981. 50 p.

2. Pravila remontu elektrichnikh mashin el-ektrovoziv i elektropoizdiv. TsT-0063 [Rules repair electric cars and electric trains. TsT-0063]. Kiev, Publishing house «SAM», 2003. 286 p.

3. Pravila remontu elektrichnikh mashin i teplov-oziv. TsT-0064 [Rules repair of electric machines for diesel locomotive. TsT-0064]. Kiev, Publishing house «SAM», 2003. 122 p.

4. Zakharchenko D. D., Rotanov N. A., Horchakov E. V. Tyagovye elektricheskiye mashiny i transformato-ry [Traction electric machines and transformers]. Moscow, Transport Publ., 1979. 303 p.

5. Afanasov A. M. Printsipy sintenza skhem vzaim-noy nagruzki tyagovykh elektromashin postoyannogo toka [Principles of synthesis schemes of mutual load of electric traction a direct current]. Hirnycha elektromek-hanika ta avtomatyka [Mining Electrical Engineering and Automation], 2010, issue 85, pp. 183-189.

6. Nakhodkin M. D., Hvostov V. C. Universalnaya magnitnaya kharakteristika tyagovykh elektrodvigateley

© Афанасов А. М. та îh., 2015

Поступила в печать 01.12.2012.

postoyannogo toka [Universal magnetic characteristics of direct current traction electric motors]. Vestnik el-ektropromyshlennosti [Bulletin of the electrical industry], 1958, issue 1, pp. 44-48.

Внутренний рецензент Гетьман Г. К.

Внешний рецензент Денисюк С. П.

Приведены результаты анализа электрического способа покрытия потерь холостого хода в системах взаимного нагружения тяговых двигателей с одним источником мощности. Рассмотрен вариант косвенного метода покрытия потерь холостого хода путем обеспечения разности магнитных потоков испытуемых электромашин. Получены зависимости относительной разности токов возбуждения взаимно нагруженных электромашин от приведенных потерь холостого хода одной электромашины для различных значений коэффициента магнитного насыщения.

Ключевые слова: тяговый электрический двигатель, испытание, взаимная нагрузка, потери холостого хода, электромагнитный момент.

Кафедра «Електрорухомий склад залiзниць», Днтропетровський нацюнальний ушверситет залiзничного транспорту iменi академка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Днтропетровськ, Укра'ша, 49010, тел.: (056) 373-15-31, ел. почта: [email protected]

ПОКРИТТЯ ВТРАТ ХОЛОСТОГО ХОДУ В СИСТЕМ1 B3AGMHOÏ НАВАНТАЖЕННЯ ТЯГОВИХ ДВИГУН1В З ОДНИМ ДЖЕРЕЛОМ ЕЛЕКТРИЧНОÏ ПОТУЖНОСТ1

Наведено результати аналiзу електричного способу покриття втрат холостого ходу в системах взаемно-го навантаження тягових двигушв з одним джерелом потужносп. Розглянуто варiант непрямого методу покриття втрат неробочого ходу шляхом забезпечення рiзницi магштних потоюв випробовуваних електрома-шин. Одержат залежносп вщносно'Т рiзницi струмiв збудження взаемно навантажених електромашин вщ наведених втрат холостого ходу одше'Т електромашини для рiзних значень коефМента магштного наси-чення.

Ключовi слова: тяговий електричний двигун, випробування, взаемне навантаження, втрати холостого ходу, електромагштний момент.

Department of electrorolling stock of railways. Dnepropetrovsk National University of Railway Transport named after academician Lazaryana, str. Lazaryana, 2, Dnepropetrovsk, Ukraine, 49010, tel.: (056) 373-15-31, e-mail: [email protected]

COVERING LOSSES IN THE SYSTEM OF MUTUAL LOADING OF TRACTION MOTORS WITH A SINGLE SOURCE OF ELECTRICAL POWER.

The results of the analysis of the electrical coating process load losses in the systems of mutual loading of traction motors with a single power source. A variant of the indirect method of covering load losses by providing a difference in the subjects of electric magnetic fluxes. The dependence of the relative difference between the excitation currents mutually loaded from those of electric load losses one electric machine for different values of the coefficient of magnetic saturation.

Keywords: traction electric motors, testing, mutual load, no-load losses, electric magnetic moment.

УДК 629.423.31- 48.24

А. М. АФАНАСОВ, А. Ю. ДРУБЕЦЬКИЙ, А. С. М'ЯСНИКОВ (ДНУЗТ)

Внутршнш рецензент Гетьман Г. К.

Зовшшнш рецензент Денисюк С. П.

UDC 629.423.31- 48.24

A. M. AFANASOV, A. E. DRUBETSKIY, А. S. MYASNIKOV (DNURT)

Internal reviewer Getman G. K.

External reviewer Denisyuk S. P.

© Афанасов А. М. та ш., 2015 ISSN2307-4221 Електрифжащя транспорту, № 10. - 2015.