CC BY
74
Електричні машини та апарати
УДК 629.423.31-48.24
А.М. Афанасов
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ эффективности испытании тяговых ЭЛЕКТРОМАШИН ПОСТОЯННОГО И ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ТОКА
Наведено результати аналізу впливу струму навантаження тягових електромашин при їх випробуванні на нагрівання на загальні витрати електроенергії на випробування. Показано, що збільшення струму навантаження при випробуванні на нагрівання дозволяє суттєво знизити витрати електроенергії, а також зменшити час випробування без зниження його якості. Бібл. 4, табл. 4, рис. 3.
Ключові слова: тягова електромашина, випробування на нагрівання, енергетична ефективність, струм навантаження, витрата електроенергії.
Приведены результаты анализа влияния тока нагрузки тяговых электромашин при их испытании на нагрев на общий расход электроэнергии на испытания. Показано, что увеличение тока нагрузки при испытании на нагрев позволяет существенно снизить расход электроэнергии, а также уменьшить время испытания без снижения его качества.
Библ. 4, табл. 4, рис. 3.
Ключевые слова: тяговая электромашина, испытание на нагрев, энергетическая эффективность, ток нагрузки, расход электроэнергии.
Введение. В соответствии с ГОСТ 2582-81 [1] электрические машины тягового подвижного состава магистрального и промышленного транспорта испытывают при приёмо-сдаточных испытаниях в течение одного часа под током нагрузки, дающим превышение температуры обмоток, соответствующее превышению температуры при номинальном режиме. Фактически это значение тока соответствует часовому режиму.
Правила ремонта тяговых электромашин [2] допускают проведение испытаний на нагрев при эквивалентном токе, дающем превышение температуры, соответствующее превышению температуры при номинальном режиме. Общий качественный анализ тепловых процессов, протекающих при испытаниях на нагрев, показывает, что энергия теплоотдачи за время нагревания до заданного превышения температуры обмоток электромашины с ростом тока уменьшается [3]. Следовательно, чем больше значение тока нагрузки испытуемой электромашины, тем, при прочих равных условиях, расход электроэнергии на её нагрев меньше.
Методика расчета. Коэффициент энергетической эффективности нагревания обмоток электромашины, представляющий отношение энергии, затраченной на повышение температуры обмотки якоря, к общей тепловой энергии, выделившейся в частях испытуемой электромашины за время испытания, может быть найден как [3]
^эфн
Тэ -Т
тх (ti +а(тк/1 -тТэ))
где Тэ - эквивалентная постоянная времени нагревания; t1 - время испытания; т1 - превышение температуры на момент времени t1; тк - установившееся значение превышения температуры;а - температурный коэффициент сопротивления.
Величина Шэфн показывает во сколько раз полная энергия потерь в якоре тягового электродвигателя при его испытании на нагрев больше энергии, затраченной на нагревание обмотки якоря [3].
При известном значении т1 время испытания t1 может быть найдено в виде [4]
Т
t = Тэ - ln —.
1 Тх- Т1
Результаты теоретических исследований.
В табл. 1 для примера приведены результаты расчёта зависимостей 6 = fI), £,фн = fI) и 1/&эфн = fI), полученные для тягового электродвигателя НБ-406Б магистрального грузового электровоза ВЛ8 с использованием тепловых характеристик его обмотки якоря (т1 = 120 °С).
Таблица 1
Результаты расчёта зависимостей t1 = fI) и £эфн = fl)
для тягового электродвигателя НБ-406Б
I, А 340 380 440 485 530 600
t1, мин 56,5 28,9 20,4 14,9 10,4
^эфн 0 0,43 0,57 0,63 0,67 0,7
1/^'зфи да 2,32 1,75 1,59 1,5 1,42
В табл. 2 для примера приведены результаты расчёта зависимостей t1 = fI), &эфн = f(I) и 1/&эфн = f(I), полученные для тягового электродвигателя ДТ-9Н тягового агрегата ПЭ2М с использованием тепловых характеристик его обмотки якоря (т1 = 120 °С).
Таблица 2
Результаты расчёта зависимостей t1 = fI) и £эфн = fI) для тягового электродвигателя ДТ-9Н
I, А 300 335 400 450 500 550
t1, мин да 55,5 25,2 20,5 13,4 10,9
^эфн 0 0,43 0,63 0,68 0,73 0,74
1/^'эфн да 2,32 1,6 1,47 1,37 1,34
Графически зависимости t1 = fI), &эфн = fI) и 1/&эфн = fI), полученные для тягового двигателя НБ-406Б (табл. 1), представлены на рис. 1, а для тягового двигателя ДТ-9Н (табл. 2) - на рис. 2.
Из данных табл. 1 и графиков на рис. 1 видно, что при испытаниях на нагрев тягового двигателя НБ-406Б под током нагрузки, близким к пусковому значению (485 А), суммарные потери энергии в якоре почти в 1,5 раза ниже, чем при часовом режиме (380 А). При этом время испытаний на нагрев уменьшается почти в 3 раза.
© А.М. Афанасов
12
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2015. №1
1/*эф 1,6 1,2 0,8 0,4 h* мин і \ 1 \ і V
. ЛГі 1 1 і і
зо ">П і 1 і і і 1/*эф
1 п і 1 і ^ ^эф h
І1 І ґ і/ \L і
0 ” 300 400 500 600 А
Рис. 1. Зависимости t1 = fl), £эфн = ft.I) и 1/£эфн = f(I)
для тягового двигателя НБ-406
Рис. 2. Зависимости t1 = f(I), кэфн = f(I) и 1/£эфн = fl) для тягового двигателя ДТ-9Н
Из данных табл. 2 и графиков на рис. 2 видно, что при испытаниях на нагревание тягового двигателя ДТ-9Н под током нагрузки, близким к значению пятнадцатиминутного режима (480 А), суммарные потери энергии в якоре более чем в 1,5 раза ниже, чем при часовом режиме (335 А). При этом время испытаний на нагрев уменьшается в 4 раза.
Необходимо отметить, что суммарные электрические потери в других обмотках испытуемой электромашины при увеличении испытательного значения силы тока снижаются не в меньшей степени, чем потери в лимитирующей обмотке (обмотке якоря). Данные выводы будут справедливы и для других типов тяговых электродвигателей тягового подвижного состава магистрального и промышленного транспорта.
Экспериментальные исследования. Для подтверждения данных результатов теоретических исследований были проведены соответствующие экспериментальные исследования, целью которых являлось определение и сравнение суммарных полезных энергий источников испытательного стенда взаимной нагрузки, затраченных на испытания на нагрев тяговых электродвигателей РТ-51Д при пусковом и часовом токе нагрузки.
Экспериментальные исследования проводились на стенде взаимной нагрузки с использованием вольтодобавочной машины (ВДМ) и линейного генератора (ЛГ). Схема стенда взаимной нагрузки приведена на рис. 3.
На первом этапе экспериментального исследования проведено испытание на нагрев тяговых двигателей РТ-51Д при часовом токе нагрузки 1ч = 266 А и номинальном напряжении ин = 825 В в течение часа. Коэффициент ослабления поля при испытании был номинальным, рн = 0,32.
В конце испытания методом сопротивления были определены превышения температур обмоток якорей обеих тяговых электромашин (генератора G и двигателя М).
На втором этапе экспериментального исследования проведено испытание на нагрев при пусковом токе нагрузки 1пуск = 370 А. Значения напряжения и коэффициента ослабления поля тяговых двигателей на втором этапе поддерживались номинальными
Испытания на нагрев при пусковом токе (I = 370 А) проводились в течение времени достижения суммарного сопротивления цепи испытуемых двигателей того же значения, которое было зафиксировано в конце испытания в течение часа, при часовом токе нагрузки (1ч = 266 А).Таким образом, было достигнуто условие равенства конечных превышений температур обмоток испытуемых тяговых двигателей для двух режимов нагружения.
Полезные энергии источников испытательного стенда (ВДМ и ЛГ) определялись по значениям их напряжений и токов, которые фиксировались в течение всего времени испытания (для двух режимов нагружения) с помощью вольтметров V1 и V2, а также амперметров А1 и Л2.
Суммарная полезная электроэнергия каждого из источников (ВДМ и ЛГ) за время испытания может быть определен в виде:
блг лг ■ -^лгdt; б]
вдм ^ивдм ■ ^дм^ ,
0
0
где илг, 1лг - напряжение и сила тока линейного генератора; ивдм, 1вдм - напряжение и сила тока вольтодобавочной машины; 4 - время, затраченное на проведение испытания.
Как показывает опыт многочисленных испытаний на нагрев, ток линейного генератора в течение времени испытания практически не меняется. Это обусловлено отсутствием влияния температуры обмоток тяговых электромашин на величину потерь
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2015. №1
13
холостого хода, которые и определяют ток линейного генератора.
Суммарная полезная энергия линейного генератора при условии постоянства его тока /ж = const может быть определена в упрощенном виде как
QЛТ = Uлг ■I лг ' tM .
При условии /лг = const и /д = const ток ВДМ также постоянен: /вдм = const.
Тогда выражение для определения Qвдм может быть представлено в виде
Qвдм = -^вдм ' J Uвдмdt .
0
Для поддержания постоянства тока нагрузки тяговых двигателей напряжение ВДМ по мере роста превышения температуры и сопротивления их обмоток повышается. Форма зависимости ивдм(/) повторяет форму изменения во времени суммарного сопротивления всех обмоток тяговых двигателей ER(t) и имеет такой же характер (экспоненциальный).
Фиксация результатов замера токов и напряжений при испытании под током нагрузки 1ч = 266 А проводилась каждые 10 минут, а при испытании под током нагрузки /пуск = 370 А - каждые три минуты. Испытания по двум этапам проводились с промежутком времени, равным двум суткам.
Результаты замеров токов и напряжений источников для режима I = 266 А (первый этап) приведены в табл. 3. Результаты замеров этих же параметров для режима I = 370 А (второй этап) приведены в табл. 4.
Сопротивления обмоток якорей определялось методом амперметра-вольтметра на стенде с использованием измерительных щёток. Падения напряжений на якорных обмотках определялись вольтметрами V3 и V4 при неподвижных якорях (ЛГ выключен).
Таблица 3
Данные испытаний и результаты расчёта полезных энергий
ВДМ и ЛГ для часового режима нагрузки
t, ивдм? ивдм ср> -^вдм? Qвдм, Iлг, илг, Qnp,
мин В В А кВт-ч А В кВт-ч
0 87 - 266 - 11 - -
10 97 92 266 3,297 11 825 1,513
20 105 101 266 3,619 11 825 1,513
30 111 108 266 3,870 11 825 1,513
40 117 114 266 4,085 11 825 1,513
50 122 119,5 266 4,282 11 825 1,513
60 126 124 266 4,443 11 825 1,513
Превышения температур якоря электромашины, которая испытывалась в режиме двигателя, в двух опытах (I = 266 А и I = 370 А) составили соответственно 110 и 112 °С. Время испытания при токе 1пуск = 370 А составило t2 = 16 мин.
Значения полезной энергии вольтодобавочной машины для двух испытаний определены путём суммирования отдельных составляющих, полученных для каждого отрезка времени по среднему значению ивдм
режима нагрузки (I = 266 А) приведены в табл. 3, а для пускового режима нагрузки (I = 370 А) - в табл. 4.
Суммарные полезные энергии ВДМ и ЛГ для часового режима нагрузки соответственно:
X йадм ч = 23,6 кВт ■ч; X Q^ ч = 9,1 кВт'ч.
Суммарная полезная энергия двух источников (ВДМ и ЛГ) для часового режима нагрузки
X Q4 = 32,7 кВт ■ ч.
Таблица 4
Данные испытаний и результаты расчёта полезных энергий ВДМ и ЛГ для пускового режима нагрузки
t, Uвдм, ивдм ср, Iвдм, Qвдм, Iлг, иж, Qлг,
мин В В А кВт-ч А В кВт-ч
0 157 - 370 - 10 - -
3 170 163,5 370 3,025 10 825 0,413
6 182 176 370 3,256 10 825 0,413
9 193 187,5 370 3,469 10 825 0,413
12 202 197,5 370 3,654 10 825 0,413
15 212 207 370 3,830 10 825 0,413
16 215 213,5 370 1,317 10 825 0,138
Суммарные полезные энергии ВДМ и ЛГ для пускового режима нагрузки соответственно:
X ^дм п = 18,6 кВт'ч ; X Q^ п = 2,2 К®т '4 .
Суммарная полезная энергия двух источников (ВДМ и ЛГ) для пускового режима нагрузки
X Qu = 20,8 кВт ■ ч.
Отношение суммарных полезных энергий двух источников (ВДМ и ЛГ) в часовом и пусковом режимах нагрузки
X Qi
= 1,57.
Экономия суммарной полезной энергии двух источников (ВДМ и ЛГ) в пусковом режиме нагрузки в сравнении с часовым режимом
AQ = XQh “XQ =11,9 кВт'ч.
Данная экономия составляет 36 % от суммарной полезной энергии для часового режима нагружения.
Мощность потерь холостого хода в малой степени влияет на превышение температуры обмотки якоря, но составляют существенную долю в общей мощности потерь в стенде взаимной нагрузки. Существенное сокращение времени испытания на нагрев (в 3 - 4 раза) в той же степени уменьшает общую полезную энергию, которая расходуется на покрытие потерь холостого хода.
Из результатов расчёта видно, что общая полезная энергия линейного генератора (ЛГ), который покрывает потери холостого хода, при испытании на нагрев с пусковым током нагрузки в 4 раза ниже, чем при испытании в часовом режиме. Такой характер снижения общей энергии потерь холостого хода при увеличении тока нагрузки будет присущ всем вариантам систем взаимного нагружения, независимо от того, каким способом в них компенсируются потери
на соответствующем отрезке.
Результаты расчёта полезных энергий ВДМ и ЛГ, отданных за время испытания, для часового
холостого хода.
Результаты расчёта по данным экспериментальных исследований достаточно хорошо согласуются
14
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2015. №1
с результатами теоретических исследований, представленных выше.
Выводы. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:
• энергетическая эффективность испытания на нагрев может быть представлена как комплексный параметр, зависящий как от энергетической эффективности системы взаимного нагружения, так и от энергетической эффективности нагревания обмоток испытуемых электромашин;
• энергетическая эффективность нагревания обмоток испытуемой тяговой электромашины зависит как от тепловых характеристик электромашины, так и от тока нагрузки, с увеличением которого коэффициент энергетической эффективности нагревания повышается, а время проведения испытания уменьшается;
• наиболее рациональными для испытания на нагрев тяговых двигателей электроподвижного состава магистрального и промышленного транспорта являются часовой ток и ток пятнадцатиминутного режима соответственно;
• использование пускового и пятнадцатиминутного токов нагрузки позволяет уменьшить расход электроэнергии на испытание тяговых электромашин на нагрев не менее чем на 30 % (в сравнении с часовым режимом), а также уменьшает время испытаний на нагрев в 3 - 4 раза.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 2582-81. Машины электрические вращающиеся тяговые. Общие технические условия. - М.: Изд-во стандартов, 1981. - 34 с.
2. Правила ремонту електричних машин електровозів і електропоїздів. цТ-0204. - К.: Видавничий дім "САМ", 2012. - 286 с.
3. Афанасов А.М. Энергетическая эффективность нагревания обмоток тяговых электромашин при приёмо-сдаточных испытаниях // Східно-Європейський журнал передових технологій. - 2012. - Том 5. - №8(59). - С. 6-9.
4. Захарченко Д.Д., Ротанов Н.А. Тяговые электрические машины: учеб. пособие для вузов. - М.: Транспорт, 1991. - 343 с.
REFERENCES
1. GOST 2582-81. Mashiny elektricheskie vrashchaiushchiesia tiagovye. Obshchie tekhnicheskie usloviia [State Standard 258281. Rotating traction electrical machines. General specifications]. Moscow, Publishing House of Standards, 1981. 34 p. (Rus).
2. Pravyla remontu elektrychnykh mashyn elektrovoziv i elek-tropoizdiv. TsT-0204 [Repair rules of electrical machines for locomotives and trains. TsT-0204]. Kyiv, SАМ Publishing House, 2012. 286 p. (Ukr).
3. Afanasov А.М. Energy efficiency of coils heating of traction dynamoelectric machines during acceptance testing. Skhidno-Yevropeiskyi zhurnal peredovykh tekhnolohii - Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2012, vol.5, no.8(59), pp. 6-9. (Rus).
4. Zakharchenko D.D., Rotanov D.D. Tiagovye elektricheskie mashiny [Traction electrical machines]. Moscow, Transport Publ., 1991. 343 p. (Rus).
Поступила (received) 03.10.2014
Афанасов Андрей Михайлович, д.т.н., доц., Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, 49010, Днепропетровск, ул. Лазаряна, 2, тел/phone +38 056 3731531, e-mail: [email protected]
A.M. Afanasov
Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after academician V. Lazaryan,
2, Lazaryan Str., Dnipropetrovsk, 49010, Ukraine.
Increase of energy efficiency of testing of traction electric machines of direct and pulsating current.
The results of the analysis of the effect of the load current of traction electric machines when tested for heating on the total electricity consumption for the test are presented. It is shown that increase of load current at the heating test permits to significantly reduce the consumption of electrical energy, and reduce the testing time without reducing its quality. References 4, tables 4, figures 3.
Key words: electric traction machine, test for heat, energy efficiency, load current, electric energy consumption.
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2015. №1
15
