CC BY
43
УДК 629.423.31
В. М. БЕЗРУЧЕНКО, Ю. С. БОНДАРЕНКО, О. А. ХОРОШКО (ДПТ)
П1ДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТ1 ТЯГОВОГО АСИНХРОННОГО ЕЛЕКТРОПРИВОДА
Показано використання асинхронного частотнорегульованого тягового електропривода при значному збшьшенш потужносп та швидкостi електровоза.
Показано использование асинхронного частотнорегулируемого тягового электропривода при существенном увеличении мощности и скорости электровоза.
In the article the use of asynchronous tractive electric drive controlled by frequency, when the power and speed of electric locomotive is greatly increased, is shown.
Вступ
У будь-якому електроприводi електродви-гун постшного або змшного струму завжди за-лишаеться «серцем» привода. Вс iншi елемен-ти тягового електропривода лише створюють йому умови, за яких би вiн забезпечував вс ви-моги цього привода. Повною мiрою це вщно-ситься до найбшьш простого, надiйного, легкого i дешевого асинхронного тягового двигуна. Незважаючи на таку позитивну характеристику, як показав досвщ, створення нового двигуна - це тривалий i трудомiсткий багаторiчний процес. Тому слiд прагнути або використовува-ти вже «доведенi до ладу» в експлуатаци тяговi двигуни, або 1х же з мiнiмальними доробками. В даний час виникло питання про необхщшсть створення нового асинхронного тягового двигуна, бшьш потужного, шж сучасний двигун СТА 1200 електровоза ДС3.
Мета роботи
Розглянути питання про можливють шдви-щення потужносп трифазного двигуна СТА 1200 без його переробки, за рахунок збь льшення моменту та швидкостi обертання.
Матерiал i результата досл1дження
Двигун СТА 1200 мае таю номiнальнi пара-метри:
- тривала потужнiсть: Рном = 1200 кВт;
- напруга лшшна / фазна:
ил/ -1870/
/иф - /1080
В;
- частота напруги живлення: f1 ном - 58 Гц;
- частота обертання: пном -1138 об/хв;
- максимальна частота: f max -154,4 Гц;
- максимальная частота обертання:
ишах = 3030 об/хв;
- обмотки статора з'еднаш <^ркою»;
- струм статора: 11 = 450 А;
- iзоляцiя класу «Н»;
- кiнцевий переев обмотки статора:
тКн = 150 °С;
- коефiцiент корисно! дii: пном = 0,935 .
За результатами квалiфiкацiйних випробу-вань визначеш втрати холостого ходу i короткого замикання, що вiдповiдно дорiвнюють р0 = 18 кВт i рк = 65,3 кВт, коефщент втрат
а = ^ = 0,276.
Рк
Ковзання двигуна в номшальному режимi при синхроннш частотi обертання:
f ном • 60
(1)
58 • 60
-1160 об/хв,
буде дор1внювати:
5=1160-1138=0,019.
1160
Як видно, без велико! похибки для подаль-ших розрахункiв, величиною ковзання можна знехтувати, тобто приймати 5 « 0 .
Iдеалiзована механiчна характеристика, на якш працюе двигун, представлена на рис. 1.
Ця характеристика мае двi характерних дь лянки: дiлянка аЬ, на якш вщбуваеться регу-лювання амплiтуди i частоти напруги за зако-
ном
f1
- const i де обертовий момент
M - const; дшянка bc (вщ точки номшального
© Безрученко В. М., Бондаренко Ю. С., Хорошко О. А., 2010
n1 -
n1 -
режиму b до точки максимально! кутово! шви-дкост c), на якш амплiтуда напруги незмшна (U1 = const), а змшюеться лише частота, i яка представляе собою криву гiперболiчного ви-гляду. Рiвняння дiлянки bc : ю-л/М = const [1].
к Мтяд g \
А Или с \
--- - Л ^— С Ь
М = Cm 2 cos ф2,
(3)
де CM - стала; I2 - приведений струм ротора; ф2 - кут зсуву фаз мiж векторами ЕРС i струму ротора.
З умови сталост моменту випливае, що струм I2 = const. Але для асинхронного двигу-на струм статора:
I = Io + (-I2), (4)
де I0, при Ф = const - незмшний струм холостого ходу, отже i струм статора I1 = const [1].
Лiнiя cd визначена максимальною швидюс-тю руху електропривода Smax = 160 км/год, що вщповщае кутовiй швидкостi:
п- n
30
п-3030 317 -1 omax =-= 317 с .
(5)
30
В номшальному режимi (точка b на рис. 1) момент двигуна:
,Р,о
0 а М,Н-м
Рис. 1. 1деал1зована мехашчна характеристика
Як вщомо, потужнiсть електродвигуна:
Р = о-М, (2)
тому пiдвищення потужносп може бути вико-нано або в бш пiдвищення моменту (правше точки a на рис. 1), або в бш збшьшення ном> нально! швидкостi юном , тобто вище точки b на рис. 1. Перший випадок вже дослщжувався [2]. Вш показав, що теоретично двигун СТА 1200 допускае пiдвищення потужносп шляхом пiд-вищення моменту, тобто сили тяги електровоза. Однак, в результат проведених розрахункiв, пiдтверджених випробуваннями, з'ясувалося, що лiнiя ab на рис. 1 практично являе собою лшда обмеження сили тяги (тобто моменту двигуна) по зчепленню. Тому збшьшення моменту двигуна недоцшьне: вш все одно не може бути використаний в експлуатаци. Але якщо на дiлянцi ab М = const, значить i магштний потiк Ф = const [1]. Момент асинхронного дви-гуна:
Мном = 9,55 , (6)
п
ном
1200 -103 , Л4„.
М ном = 9,55--= 104 Н/м.
ном 1138
Розглянемо тепер можливють, при незмш-них мехашчнш передачi та дiаметрi ведучого колеса електропривода, збшьшити швидкiсть руху до &тах = 250 км/год. Цш швидкостi буде вiдповiдати пунктирна характеристика egk на рис. 1 i нова точка номiнального режиму е , в якiй нова номшальна потужнiсть мае дорiвню-вати Рном = 1600 кВт. Асинхронний двигун живиться вщ перетворювача (швертора напруги), який невiддiльний вiд двигуна так само, як не-вщдшьний колектор (iнвертор) вiд якоря двигуна постшного струму. Тому нова потужшсть двигуна i новий дiапазон регулювання повиннi бути обранi з урахуванням параметрiв натв-провiдникових вентктв перетворювача. Якщо в точцi Ь на рис. 1:
п - n„
(7)
30
п -1138 110 -1
о =-= 119 с ,
ном 30
то в точщ e швидкiсть зростае прямо пропор-цшно потужностi, тодi:
' 1600
1200
-119 = 158,7 с-1,
а частота напруги живлення буде дорiвнювати: f ном = — - 58 = 77,3 Гц,
л ном 1200 '
що вщповщае частотi обертання пном = 1517 об/хв.
На дшянщ ab мехашчно! характеристики вщношення амплiтуди до частоти напруги жи-влення дорiвнюe:
и1ф _1080
f,
58
■ _ 18,62 _ const.
Ця ж величина збережеться i на дшянщ be , оскшьки значення моменту залишасться не-змiнним. Тодi в точщ нового номiнального режиму напруга буде:
U
1ф
U _ f'
1 ном J1 ном г 7
J1 ном
U1 НОм _ 77,3 -18,62 _ 1440 В,
(8)
мшального режиму e момент двигуна, иого струм I1, а, отже, i втрати короткого замикання залишаться незмiнними.
Змiняться лише втрати холостого ходу, яю являють собою втрати в стат i дуже малi меха-нiчнi втрати. Останшми для простоти подаль-шо! викладки ми нехтуемо.
Вiдомо [1], що втрати в сталi пропорцiИнi
добутку f1'3 - B2, де В - шдукщя, пропорцшна магнiтному потоку. Пiд час руху по дiлянцi характеристики ae, вiдповiдно до зазначеного вище, магнiтниИ потiк Ф _ const, значить i B _ const i тодi втрати холостого ходу змiнять-ся лише у зв'язку зi змiною частоти i в точцi e досягнуть значення:
а и1Л _ 2494 В. Вiдзначимо, що нинiшнiИ р> вень iзоляцil двигуна - 3000 В.
При подальшому рус по характеристицi на д^нщ eg напруга и1ф залишаеться незмш-
ною, а змiнюеться лише частота f . Оскiльки, як вiдомо, напруга практично пропорцiИна добутку частоти на магштний потiк, то в мiру зро-стання частоти (швидкост руху) магнiтниИ по-тш буде зменшуватись. В точцi b номiнальна швидкiсть руху електровоза ДС3 дорiвнюе &ном _ 69,3 км/год, отже в точщ e нова ном>
нальна швидкiсть досягне значення &ном _ 92,4 км/год.
При максимальнш швидкостi руху ^тах _ 250 км/год частота:
, 250
f1 max _927- 77,3 _ 209 Гц,
що е допустимим для IGBT-транзисторiв, яю використовуються в сучасних iнверторах на-пруги.
Максимальна кутова швидюсть при цьому стане:
Штах _ 158,7 - 703 _ 429 с-1 ,
тобто n max « 4100 об/хв.
Така частота обертання не представляе не-безпеки для короткозамкненого ротора двигу-на, однак потребуе застосування нових швид-кохiдних шдшипниюв. Розглянемо тепер мож-ливiсть такого шдвищення потужностi двигуна з точки зору Иого на^ву, а також Иого енерге-тичнi показники. Як вже зазначалося вище, при переходi з точки b на рис. 1 в точку нового но-
Р0 _ Р0
f f V>3
J1 ном f1 ном
(9)
Р0 _ 18
77,3 18~
1,3
_ 26,1 кВт.
А оскшьки рк _ const, то сумарш втрати в новому номшальному режимi будуть дорiвню-вати:
Е Р _ Р0
Рк ,
(10)
ЕР _26,1 + 65,3_91,4 кВт.
Оскшьки у вщносно вузькому дiапазонi температур можна приймати кiнцевий перегрiв (перевищення температури обмотки над температурою навколишнього середовища) ткн про-порцiйним сумi втрат [1], то в точщ е характеристики на рис. 1 очшуваний переев складе:
Т„„ _ т„
Е^
Е Р'
(11)
ткн _ 150 --
91,4
18 + 65,3
165 °С.
Нами не враховано деяке зростання мехаш-чних втрат при переходi з точки b в точку e, що, очевидно, мае призвести до певного додат-кового шдвищення температури. Але i при цьому кшцевиИ перегрiв не перевищить допустимого для застосованого в двигуш класу iзо-ляцл «Н», а тд час роботи на дшянщ характеристики eg втрати будуть тшьки зменшува-
тись, тому що при U1 _ const з ростом частоти f, значення магнiтного потоку буде зменшуватись.
У двигуна СТА 1200 ККД пном = 0,935, а ко-ефщент навантаження при цьому Кнг = Va = 0,525, що вiдповiдaе потужностi Р = 0,525 -1200 = 630 кВт.
В точщ e нового номшального режиму зна-чення ККД буде:
Р,о
Пном
Пном
1600
1600 + 91,4
"I р"
= 0,946.
(12)
К,,г =
К,, г =
26,1
Р±
Рк '
= 0,632,
(13)
о
= 158,7-л/ш4 = 15870.
М о
о
ном л/Мном
Ю„
15870 429
= 1368 Нм.
тобто вш iстотно збiльшиться, в порiвняннi з попереднiм значенням.
Коефщент навантаження, при якому в новому номшальному режимi ККД максималь-ний, буде:
65,3
що вiдповiдaе потужносп:
Р = 0,632-1600 = 1011 кВт.
Таким чином, енергетичш показники тягового двигуна при дотриманш закону регулю-
U . . . тт
вання — = const i пiдвищеннi значень U1 и f
iстотно покращуються.
Оскiльки на дiлянцi характеристики eg робота двигуна описуеться законом регулювання oyfM = const, а в точщ e Мном = 104 Н-м i о'м = 158,7 с-1, то:
Отже, при мaксимaльнiй швидкостi руху 250 км/год в точщ g двигун розвиватиме момент:
Як показали розрахунки та тягово-енергетичш випробування електровоза ДС3, сила тяги одного тягового двигуна в номшальному режиш, тобто при робон в точщ Ь, ста-новить ^ = 62,5 кН. Очевидно, при робон в точщ g сила тяги електровоза, тобто чотирьох тягових двигушв, буде дорiвнювати:
= 4,625 • 1368 = 34,2 кН.
®тах Ю4 '
Ця величина е вихiдною для проведення тягових розрахункiв i визначення маси потягу, який може везти такий електровоз зi швидюстю 250 км/год.
Загальш висновки
Асинхронний тяговий двигун СТА1200 при незмiннiй мехашчнш передачi може без будь-яких змiн i доробок (окрiм шдшипниюв) вико-ристовуватися на електровозi при швидкосп руху до 250 км/год, реалiзуючи в номiнальному режимi при збереженш колишнього оберталь-ного моменту потужшсть 1600 кВт.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Безрученко, В. М. Тягов1 електричш машини електрорухомого складу [Текст] : навч. поабник / В. М. Безрученко, В. К. Варченко, В. В. Чумак - Д.: Дншропетр. нац. ун-т зал1зн. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна, 2003. - 252 с.
2. Безрученко, В. М. Эффективность использования тяговых электродвигателей современного электроподвижного состава [Текст] / В. М. Безрученко, В. К. Варченко, В. В. Чумак // В1сник Схщноукрашського нац. ун-ту 1м. В. Даля. -№ 8 (102). - Ч. 2. - К., 2006.
Надшшла до редколегп 14.01.2010.
Прийнята до друку 20.01.2010.
