Регулирование небалансной электродвижущей силы взаимно нагруженных тяговых электромашин постоянного и пульсирующего тока Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 629.423.31-048.24

А. М. АФАНАСОВ (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: afanasof@ukr.net

РЕГУЛИРОВАНИЕ НЕБАЛАНСНОЙ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ ВЗАИМНО НАГРУЖЕННЫХ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОМАШИН ПОСТОЯННОГО И ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ТОКА

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 [4, 9]. 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 [5, 7, 8, 10]. Источники внешнего питания в таких системах нагруже-ния 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 либо за счёт разности их электромагнитных моментов, либо за счет разности электродвижущих сил электромашин [1, 2].

Целью данной работы является определение принципов регулирования небалансной электродвижущей силы взаимно нагруженных электрических машин тягового и моторвагон-ного подвижного состава магистрального и промышленного транспорта.

Методика

Небалансная электромагнитная мощность взаимно нагруженных электрических машин

постоянного и пульсирующего тока быть представлена в виде разности [2]

может

ЛР - Р - P

ш ЭМ _ 1 ЭМГ 1 ЭМД '

где Рэ

эмг :

Рэ

эМд

электромагнитные мощности

испытуемых генератора и двигателя соответственно [3, 6].

Рэмг =сФг Шг ^, Рэ

эмд

СФдШд 1д ,

где с - конструктивная постоянная однотипных испытуемых электромашин;

Фг, Фд - магнитные потоки генератора и

двигателя соответственно;

ют

Ютх -

лд угловые скорости вращения якорей генератора и двигателя соответственно;

1г , 1д - токи якорей генератора и двигателя

соответственно.

Путем изменения АРэм в системах взаимного нагружения с механическим способом покрытия электрических потерь осуществляется регулирование тока нагрузки испытуемых электромашин.

Обобщенная универсальная схема системы взаимного нагружения электромашин, позволяющая реализовать варианты механического способа покрытия электрических потерь, представлена на рис. 1 [1]. На данной схеме: М -обмотки электромашины, испытуемой в режиме двигателя; О - обмотки электромашины, испытуемой в режиме генератора; ПМ - преобразователь механической мощности; К - конвертор напряжения (тока).

Преобразователь механической мощности может включать в себя источник механического момента, источник угловой скорости, конвертор механического момента (угловой скорости) [1]. Первый и второй из названных устройств являются активными элементами (источниками мощности), третий - пассивным. Наличие хотя бы одного из активных элементов - обязательно для обеспечения взаимного нагружения электромашин. Конвертор напряжения «К» осуществляет трансформацию

напряжения генератора

Uг

в напряжение на

© Афанасов А. М., 2014

двигателе ид с коэффициентом передачи напряжения ки . Обмотки возбуждения генератора О и двигателя М запитываются токами гвг и /вд соответственно.

+ О-

I '"

+

J <

пм

-У <■

д

+

ил\

+ о-

I

вд

M

- о

h

Рис. 2. Структурная схема регулирования тока

В стационарном режиме

I -АЕ Т Л .

В общем виде небалансная э. д. с. может быть представлена как

АЕ - Е г - Е 'д, (1)

где Ег, Ед - э. д. с. генератора и приведенная

э. д. с. двигателя соответственно.

Приведенное значение э. д. с. двигателя в общем виде может быть выражено как

Е' = Ед

Ед-Т9

ки

где Ед - э. д. с. испытуемого двигателя.

Ег - сФгюг; Ед - сФдюд.

Учитывая то, что создание небалансной э. д. с. используется для покрытия электрических потерь источником механической мощности [2], можно считать, что АЕ по формуле (1) всегда положительна.

Выразив э. д. с. генератора и двигателя через магнитные потоки и угловые скорости, после преобразований получим

/ 1 Л

АЕ = c

Фгюг --1 Фдюд

Ю

(2)

Рис. 1. Обобщенная универсальная схема системы взаимного нагружения

При механическом способе компенсации электрических потерь [1] регулирование небалансной электромагнитной мощности АРэм

сводится к регулированию небалансной э. д. с. АЕ и, как следствие, тока 1г . Эти параметры связаны между собой уравнением [2]

(г

АЕ - 1г+ , г э э (г

где Л}, Ьэ - эквивалентные, приведенные к

цепи генератора активное сопротивление и индуктивность электрического контура соответственно.

Структурная схема регулирования тока 1г представлена на рис. 2.

Рассмотрим возможные способы регулирования величины АЕ изменением параметров преобразователей системы взаимного нагружения.

В качестве параметров, определяющих величину АЕ, будем рассматривать: разность магнитных потоков АФ, разность угловых скоростей Аю и коэффициент передачи напряжения конвертора ки [2].

Данные параметры определяются выражениями:

и д

АФ = Фг - Фд, Аю = юг -юд ; ки =

д иг

где ид и иг - напряжения на испытуемом

двигателе и генераторе соответственно.

Уравнение баланса напряжений в статическом режиме для всех схем с таким способом покрытия электрических потерь будет иметь вид

АЕ -^Аи, где £ли - суммарное падение напряжения в контуре тока нагрузки испытуемых электромашин.

Проведём анализ характера регулирования небалансной э. д. с. изменением каждого из упомянутых параметров отдельно.

© Афанасов А. М., 2014

Результаты

Рассмотрим вариант регулирования АЕ путём изменения разности магнитных потоков, при котором:

ГАш = 0;

= 1;

АФ = var.

Тогда выражение (2) может быть преобразовано к виду

АЕ = сАФ • ш.

При постоянной частоте вращения испытуемых электромашин (ш = const) зависимость АЕ (АФ) является прямо пропорциональной.

Графически характер зависимостей АЕ (АФ) при различных значениях стабилизированной угловой скорости со приведен на рис. 3.

Рис. 3. Характер зависимостей АЕ (АФ)

Из рис. 3 видно, что при большем значении угловой скорости ш для компенсации заданного значения ^Аи требуется меньшее значение разности магнитных потоков АФ.

АФ3 < АФ 2 < АФ1.

Рассмотрим вариант регулирования АЕ путём изменения разности угловых скоростей, при котором:

\ = 1; < АФ * 0; Аш = шг.

В данном варианте принято условие АФ * 0 . Отметим, что в реальных условиях достаточно часто наблюдается расхождение магнитных характеристик испытуемых электромашин и условие АФ = 0 является частным для любого варианта регулирования режимом взаимного нагружения.

Тогда выражение (2) может быть записано в виде

АЕ = с (Фгшг - Фдшд).

После преобразования это же выражение можно записать в двух видах:

АЕ = с (Фг Аш + АФ шд);

АЕ = с (АФшг + ФдАш).

Для случая совпадения магнитных характеристик испытуемых электромашин (Фд = Фг)

АЕ = сФАш.

Графически характеристики АЕ (Аш) для условия Ф = const и АФ = 0 представлены на рис. 4.

Рис. 4. Характер зависимости АЕ (Аш) для АФ = 0

При АФ = 0 зависимость АЕ (Аш) - прямо пропорциональна. При АФ * 0 зависимость АЕ (Аш) является линейной. На рис. 5 показан характер зависимости АЕ (Аш) для трех условий: АФ = 0 ; АФ > 0 ; АФ < 0.

Рис. 5. Характер зависимости АЕ (Аш) для АФ * 0

Как видно из графиков на рис. 5, при отрицательной разности магнитных потоков испытуемых электромашин (АФ < 0) для создания заданного значения разности э. д. с. АЕ требуется разность угловых скоростей Аш , большая, чем для случая совпадения магнитных характе-

© Афанасов А. М., 2014

ристик (АФ - 0). При положительной разности АФ > 0 необходимое значение Аю меньше, чем при АФ - 0 .

Рассмотрим вариант регулирования АЕ путём изменения коэффициента передачи напряжения, при котором:

ки - уаг;

АФ Ф 0;

Аю - 0.

В данном варианте условие АФ Ф 0 принято их тех же соображений, что и в предыдущем, при регулировании Аю .

Выражение (2) для данного условия будет иметь вид

( 1 Л АЕ - сю Фг--Фд

г к д V ки

После преобразований получим это же уравнение в виде

АЕ

АФ < 0

/// АФ = 0

АЕ = сю

Фг

1 -

1

U J

+-

1

Ф

Для случая совпадения магнитных характеристик испытуемых электромашин

' 1 Л

АЕ =

, ки J

Ег .

Рис. 7. Характер зависимости АЕ (ки ) для АФ Ф 0

Как видно из графиков на рис. 7, при отрицательной разности магнитных потоков испытуемых электромашин (АФ < 0) для создания заданного значения небалансной э. д. с. АЕ требуется коэффициент передачи напряжения ки , больший, чем для случая совпадения магнитных характеристик ( АФ - 0 ). При положительной разности АФ > 0 необходимое значение ки меньше, чем при АФ - 0 .

Выводы

Качественно характеристики AE (ки) для

условия Ег = const и АФ = 0 представлены на Небалансная электр°движущая сила яко-рис ^ рей взаимно нагруженных тяговых электро-

машин обеспечивает небалансную электромагнитную мощность, необходимую для реа-

_____ лизации механического способа покрытия

электрических потерь в испытуемых элек-

______ тромашинах.

у _____•— 2 Регулирование небалансной электродви-

жущей силы взаимно нагруженных тяговых электромашин может осуществляться изменением разницы магнитных потоков, разницы угловых скоростей вращения якорей электромашин и коэффициента передачи напряжения конвертора.

При взаимном нагружении тяговых электромашин с расходящимися магнитными характеристиками необходим более широкий

диапазон регулирования магнитных потоков Рис. 6. Характер зависимости AE (ки ) для АФ = 0 " г j г

испытуемых электромашин, чем в случае сов-

В рассматриваемых вариантах системы вза- падения магнитных характеристик.

имного нагружения коэффициент передачи Рациональность каждого из рассмотрен-

напряжения ки всегда больше единицы. ных вариантов регулир°вания режима вза-

На рис. 7 качественно представлен характер ™ого нагружения тяговых электромашин

будет определяться их типовыми парамет-зависимости AE (%) для случая расхождения р^ми

магнитных характеристик испытуемых элек-тромашин( АФ Ф 0).

© Афанасов А. М., 2014

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Афанасов, А. М. Системы взаимного нагру-жения тяговых электрических машин постоянного и пульсирующего тока: монография / А. М. Афанасов. - Д.: Изд-во Маковецкий, 2012. - 248 с.

2. Афанасов А. М. Регулирование небалансной электромагнитной мощности в системах взаимного нагружения тяговых электромашин / А. М. Афана-сов // Прнича електромехашка та автоматика: нау-ково-техн. зб. - 2011. - Вип. 87. - С. 84-87.

3. Бочаров, В. И. Магистральные электровозы. Тяговые электрические машины / В. И. Бочаров, Г. В. Василенко, А. Л. Курочка, В. П. Янов. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - 464 с.

4. ГОСТ 2582-81. Машины электрические вращающиеся тяговые. Общие технические условия. -Введ. 1983-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 1981. -34 с.

5. Жерве, Г. К. Промышленные испытания электрических машин / Г. К. Жерве. - Л. : Энергоатом-издат, 1984. - 408 с.

6. Захарченко, Д. Д. Тяговые электрические машины : учеб. пособие для вузов / Д. Д. Захарченко, Н. А. Ротанов. - М. : Транспорт, 1991. - 343 с.

7. Лоза, П. О. Покращення енергетичних вла-стивостей стенда для випробувань колекторних тя-гових двигушв локомотивiв / П. О. Лоза // Вюник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту iм. акад. В. Лазаряна. -2008. - Вип. 22. - С. 69-71.

8. Лоза, П. О. Покращення енергетичних та ш-ших показнишв приймально-здавальних випробу-вань тягових двигушв електровозiв / П. О. Лоза // Вюник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту iм. акад. В. Лазаряна. - Д., 2009. - Вип. 27 - С. 81-83.

9. Правила ремонту електричних машин елек-тровозiв i електропо1здв. ЦТ-0204. - К. : Видавничий дiм «САМ», 2012. - 286 с.

10. Castañeda, C. E. Discrete-Time Neural Sliding-Mode Block Control for a DC Motor With Controlled Flux / С. Е. Castañeda, A. G. Loukianov, E. N. Sanchez // IEEE Transactions. Industrial Electronics. - 2012. -Vol. 59, issue 2. - P. 1194-1206.

Поступила в печать 25.09.2014.

Ключевые слова: тяговая электрическая машина, взаимная нагрузка, электромагнитная мощность, электродвижущая сила, регулирование.

Внутренний рецензент Гетьман Г. К.

REFERENCES

1. Afanasov А. М. Sistemy vzaimnogo nagruzheni-ya tyagovykh elektricheskikh mashin postoyannogo i pulsiruyushchego toka [System of mutual loading traction electric machines constant and ripple current]. Dnipropetrovsk. Makovetsky Publ., 2012. 248 р.

2. Afanasov А. М. Regulirovanie nebalansnoy el-ektromagnitnoy moshchnosti v sistemakh vzaimnogo nagruzheniya tyagovykh elektromashin [Regulation unbalanced electromagnetic power systems of electric traction load mutual]. Hirnycha elektromekhanika ta avtomatyka [Mining Electrical Engineering and Automation], 2011, issue 87, pp. 84-87.

3. Bocharov V. I., Vasilenko G. V., Kuroch-ka A. L., Yanov V. P. Magistralnye elektrovozy. Tya-govye elektricheskiye mashiny [Mainline electric locomotives. Traction electric machines]. Moscow, Ener-goatom Publ., 1992. - 464 p.

4. gost 2582-81. Mashiny elektricheskie vrash-chayushchiesya tyagovye. [State Standard 2582-81. Rotating electrical machines for rail and road vehicles. General specifications]. Moscow, Standartinform Publ., 1981. 34 p.

5. Zherve G. К. Promyshlennye ispytaniya el-ektricheskikh mashin [Industrial testing of electrical machines]. Leningrad, Energoatom Publ., 1984. 408 p.

6. Zakharchenko D. D. Rotanov D. D. Tyagovye el-ektricheskiye mashiny [Traction electric machines]. Moscow, Transport Publ., 1991. 343 p.

7. Loza P. O. Pokrashchennya energetichnikh vlas-tivostey stenda dlya viprobuvan kolektornikh tyagovikh dviguniv lokomotiviv [Improving energy properties stand for testing collector locomotive traction motors]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2008, issue 22, pp. 69-71.

8. Loza P. O. Pokrashchennya energetichnikh ta inshikh pokaznikiv priymalno-zdavalnikh viprobuvan tyagovikh dviguniv elektrovoziv [Improving energy and other performance acceptance testing electric locomotives traction motors. Visnyk Dnipropetrovskoho natsional-noho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akad-emika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2009, issue 27, pp. 81-83.

9. Pravila remontu elektrichnikh mashin elektrovoziv i elektropoizdiv [Rules repair of electric machines of electric locomotives and electric trains]. TsT-0204. - Kyiv, Publishing House «SAM», 2012. 286 p.

10. Castaneda C. E., Loukianov A. G., Sanchez E. N. Discrete-Time Neural Sliding-Mode Block Control for a DC Motor With Controlled Flux. IEEE Transactions. Industrial Electronics, 2012, vol. 59, issue 2, pp. 1194-1206.

Внешний рецензент Панасенко Н. В.

© Aфанасов A. M., 2014

Рассмотрены вопросы регулирования режимов взаимного нагружения тяговых электрических машин постоянного и пульсирующего тока при проведении их испытаний. Рассмотрены системы взаимной нагрузки электрических машин с механическим способом покрытия электрических потерь. Показано, что в таких системах основным способом управления режимом взаимного нагружения электромашин является регулирование их небалансной электромагнитной мощности путем изменения небалансной э. д. с. якорей. Проведен анализ возможных способов регулирования небалансной э. д. с. взаимно нагруженных электромашин. Получены аналитические и графические зависимости небалансной э. д. с. от таких управляющих параметров как разность магнитных потоков электромашин, разность угловых скоростей и коэффициент передачи напряжения преобразователя электрической мощности. Рассмотрены варианты управления режимом взаимного нагружения тяговых электромашин с расходящимися магнитными характеристиками.

УДК 629.423.31-048.24

А. М. АФАНАСОВ (ДНУЗТ)

Кафедра «Електрорухомий склад залiзниць», Днтропетровський нацюнальний ушверситет залiзничного транспорту iменi академка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Днтропетровськ, Укра'на, 49010, тел.: (056) 373-15-31, ел. почта: afanasof@ukr.net

РЕГУЛЮВАННЯ НЕБАЛАНСНО1 ЕЛЕКТРОРУШ1ЙНО1 СИЛИ ВЗАеМНО НАВАНТАЖЕНИХ ТЯГОВИХ ЕЛЕКТРОМАШИН ПОСТ1ЙНОГО ТА ПУЛЬСУЮЧОГО СТРУМУ

Розглянут питання регулювання режимiв взаемного навантаження тягових електричних машин постш-ного i пульсуючого струму при проведены Тх випробувань. Розглянут системи взаемного навантаження електричних машин з мехашчним способом покриття електричних втрат. Показано, що в таких системах основним способом керування режимом взаемного навантаження електромашин е регулювання Тх небала-нсноТ електромагштноТ потужност шляхом змшення небалансноТ е. р. с. якорiв. Проведений аналiз можли-вих способiв регулювання небалансноТ е. р. с. взаемно навантажених електромашин, отримаш аналiтичнi та графнчш залежностi небалансноТ е. р. с. вщ таких керуючих параметрiв як рiзниця магнiтних потокiв електромашин, рiзниця кутових швидкостей та коефiцiент передачi напруги перетворювача електричноТ потужностi. Розглянуто варiанти керування режимом взаемного навантаження тягових електромашин з ро-збiжними магнiтними характеристиками.

Ключовi слова: тягова електрична машина, взаемне навантаження, електромагштна потужшсть, елект-рорушiйна сила, регулювання.

Внутршнш рецензент Гетьман Г. К. Зовшшнш рецензент Панасенко М. В.

UDC 629.423.31-048.24

A. M. AFANASOV (DNURT)

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: afanasof@ukr.net

REGULATION UNBALANCED ELECTROMOTIVE FORCES OF MUTUAL LADEN TRACTION ELEKTROMASHINA DC AND PULSATING CURRENT

The questions of mutual control modes of loading traction electric machines and constant pulsating current during their tests. The systems of mutual loading of electrical machines with mechanical method coating electrical losses. Shown that in such systems the main control method of mutual loading of electrical machines is to regulate their unbalanced electrical magnetic power by changing the unbalanced e. d. f. anchors. The analysis of possible methods of regulation unbalanced e. d. f. one-loaded electrical machines, analytical and graphical dependencies unbalanced e. d. f. on such control parameters as the difference between the magnetic flux electrical machines, and the difference between the angular speeds coefficient of the inverter voltage transfer electrical power. The variants of the control regime of mutual loading traction electric machines with divergent magnetic characteristics.

Keywords: traction electric machine, mutual loading, electric power magnetic, electric driving force, regulation.

Internal reviewer Getman G. K. External reviewer Panasenko M. V.

© Афанасов А. М., 2014