CC BY
42
УДК 629.423.31
В. М. БЕЗРУЧЕНКО, О. А. ХОРОШКО (ДПТ)
ТЯГОВИЙ ЕЛЕКТРОПРИВОД ТА ЙОГО ЕКСПЛУАТАЦ1ЙН1 МОЖЛИВОСТ1
Розглянуто можливостi асинхронного тягового електропривода при певнш зчепнiй Maci з урахуванням обмеження по зчепленню. Запропоновано вaрiaнт використання закону регулювання електропривода, що дозволяе бiльш рaцiонaльно реaлiзувaти силу тяги. Показано можливють реaлiзaцiï електровозом ДС3 швид-костей до 220 км/год.
Ключовi слова: асинхронний тяговий двигун, мехашчш характеристики, потужнicть, тяговi характеристики, обмеження по зчепленню, закон регулювання, допустимий перегрiв
Рассмотрены возможности асинхронного тягового электропривода при определенной сцепной массе с учетом ограничения по сцеплению. Предложен вариант использования закона регулирования электропривода, позволяющего более рационально реализовать силу тяги. Показана возможность реализации электровозом ДС3 скоростей до 220 км/час.
Ключевые слова: асинхронный тяговый двигатель, механические характеристики, мощность, тяговые характеристики, ограничение по сцеплению, закон регулирования, допустимый перегрев
The possibilities of asynchronous traction electric motor drive are considered at the certain coupling mass taking into account the coupling restrictions. A variant of using the regulation law for electric motor drive allowing realizing traction force more rationally is offered. The possibility of reaching the speeds to 220 km/h for electric locomotive DS3 is shown.
Keywords: asynchronous traction motor, mechanical characteristics, power, traction characteristics, coupling restrictions, regulation law, permissible overheating
Рашше в роботах [1-3] були розглянут можливосп шдвищення ефективносп використання асинхронного тягового привода. Актуа-льшсть цього питання не зменшилась i в наш час. Навггь бшьше, сьогодш гостро стоть питання про так звану «недостатню потужшсть» цього привода, центральною ланкою котрого в електровоз1 ДС3 е асинхронний тяговий двигун СТА 1200. Можна було б створити новий тяго-вий двигун, однак, як показала практика, для цього, з урахуванням його випробувань та експлуатацшних доробок, знадобиться кшька роюв.
Розглянемо питання про те, яким чином може бути використаний легкий та надшний тяговий двигун СТА1200 на нових локомотивах. Двигун мае наступи номшальш пара-метри:
- тривала потужшсть: Рном = 1200 кВт;
- напруга лшшна / фазна:
U л/ = 1870/ В.
/иф = /1080 В;
- частота напруги живлення: f ном = 58 Гц;
- частота обертання: пном = 1138 об/хв;
- максимальна частота: f max = 154,4 Гц;
- номшальна /максимальна частота обертання:
- обмотки статора з'еднаш <^ркою»;
- струм статора: 11 = 450 А;
- iзоляцiя класу «Н»;
- кшцевий перегрiв обмотки статора:
тКн = 150 °С;
- кшьюсть пар полюсiв: р = 3 А;
- коефщент корисно! ди: пном = 0,935 ;
- втрати холостого ходу i короткого зами-кання вiдповiдно дорiвнюють р0 = 18 кВт i
Рк =65,3.
В [3] було вiдмiчено, що ковзанням у номь нальному режимi, через його невелике значен-ня, для простоти розрахунюв можна знехтува-ти, тобто £ «0 .
Слiд пам'ятати, що тяговi властивостi привода не характеризуются лише параметрами двигуна, але й обмежуються зчепленням колеса з рейкою. Зупинимося на цьому положены, ко-тре, на жаль, не завжди враховуеться належним чином.
Вщомо, що при визначеннi коефщента зче-плення отримують великий масив експеримен-тальних точок, через як потiм проводять деяку середню криву, котру описують рiвнянням, що
© Безрученко В. М., Хорошко О. А., 2011
63
використовусться в тягових розрахунках. Роз-кид цих точок вельми великий та залежить вiд значно! кiлькостi факторiв [6].
Для електровозiв змiнного струму з плавним регулюванням коефiцieнт зчеплення визнача-ють за формулою, яка рекомендована в [5]:
уп = 0,294 +
4,2
50 + 6 • V
— 0,00063 • V.
(1)
де V - швидюсть електровоза, км/год.
Для електровоза з асинхронними тяговими двигунами, враховуючи специфшу !х характеристик та бшьшу стiйкiсть завдяки вщповщнш системi управлiння, можна допустити шдви-щення коефiцieнта зчеплення, з нашо! точки зору, не бiльше, шж на 15 %, тобто прийняти розрахунковий коефщент зчеплення з ураху-ванням виразу (1):
Упр =1,15 •Уп .
(2)
Fm = 23 • 9,81 • у
пр
(3)
За даними табл. 1 побудовано характеристики на рис. 1, де 1 - характеристика обмеження сили тяги по зчепленню; дшянка тягово! характеристики 2 ab, на якш вщбуваеться регулю-вання частоти та амплггуди напруги по закону
— = const, а сила тяги F = const та д^нка bc,
f\
яка являе собою криву гiперболiчного виду, рiвняння котро! V • VF = const, причому тут, шсля виходу в точку номшального режиму b, змiнюеться лише частота, а напруга U1 = const [4]. В точщ b корисна потужнiсть номшально-го режиму Рном = 1200, що згiдно до [4] вщпо-вщае швидкостi:
V = Рк • «ном
1,25 • 1138
= 70 км/год, (4)
Iнодi цей коефщент приймають рiвним 1,18.
Це з достатньою ступiнню точностi шдтвер-джуеться експлуатацiйними випробуваннями електровоза ДС3.
Маючи на увазi, що зчепна маса електровоза ДС3 на одну вюь становить 23 т, дiаметр веду-чого колеса 1,25 м, передавальне вiдношення тягового редуктора рiвне 3,826, а його КПД -0,97, по вщомим формулам [6] розрахуемо в залежност вщ швидкостi руху коефщент зчеп-лення по (2), обмеження по зчепленню, силу тяги одше! колюно! пари F, силу тяги F та його частоту обертання п . Результати цих роз-рахункiв зведемо до табл. 1.
Обмеження по зчепленню:
5,3 •ц 5,3 • 3,826 а сила тяги для одше!' колюно!' пари:
P 1200 = 3,6 = 3,6--= 61,7 кН. (5)
V
70
Таблиця 1
V, км/год «, об /хв Упр Fan ,кН
0 0 0,446 102,6
20 324,4 0,361 83,1
40 648,9 0,334 76,9
60 973,3 0,314 72,3
70 1136 0,305 70,3
80 1298 0,297 68,3
90 1460 0,288 66,3
120 1947 0,264 61
140 2271 0,248 57,1
160 2596 0,233 53,6
200 3244 0,202 46,5
220 3569 0,187 43
Рис. 1
На дшянщ ab тягово! характеристики
( п • —1Ф 1080 18 62
(рис. 1) вщношення —— =-= 18,62, а на
f 58
д^нщ bc добуток
V • VF = 70 •V61/7 = 550. (6)
Сила тяги при максимальнш швидкосп 160 км/год в точщ c з урахуванням (6) буде:
550
FV = ,
Vmax 1 160
= 11,8 кН.
(7)
Анатз результапв розрахунюв по табл. 1 показуе, що при швидкостi V = 70 км/год об-меження по зчепленню згiдно (3) складае F = 67,15. Таким чином по рiвнянню (5) в
номшальному режимi запас по зчепленню зна-ходиться в межах 8 %, тобто в цьому режимi електровоз ДС3 працюе практично на межi по зчепленню, що слiд враховувати при форму-вaннi маси по!зда, призначеного для чотиривю-ного електровоза ДС3.
Рашше в [1 - 2] показано, що потужшсть двигуна СТА 1200 може бути тдвищена при певних умовах, як в бш збшьшення швидкостi, так i в бш збiльшення сили тяги. Тому тепер будемо намагатися сформувати таку характеристику двигуна, котра не призводила б до недо-пустимих перевантажень двигуна та зривам зчеплення.
Одним з можливих вaрiaнтiв тако! характеристики буде крива 3 на рис. 1, тобто крива a'b'c', де точка b' е точкою номiнaльного режиму при швидкосп V = 90 км/год i силi тяги F = 60 кН; точка c' вiдповiдaе попередньому значенню сили тяги FV = 11,8 кН, дiлянкa
характеристики b' c' сформована за законом V -\[f = const при U1 = и1ном (незмiнномy), а д^нка a' b' сформована за законом
и;
f1
■ = const.
(8)
Тут за значения прийнят параметри точки b', тобто и1фн0м = 1400 В, f 'ном = 74,6 Гц, VИ0м =
= 90 км/год.
Ц параметри отримаш при використaннi рь вняння М. П. Костенко [4] для частотнорегу-льованого тягового двигуна:
U1 U'
ном
V
V7-
ном
F
]F„r
(9)
Пiдстaвивши в (8) значення пaрaметрiв, що
и1 = v IF
= 90
вiдповiдaють точщ b', а саме
1400 90 60 та перетворивши, отримаемо рiвняння дшянки
a' b' характеристики 3 на рис. 1:
U2 F = ■ 1
4V2
(10)
Вважаючи, як це було сказано вище, що швидкiсть V пропорцшна чaстотi f, викорис-товуючи (7) та (9), розрахуемо дшянку a'b ' ха-
рактеристики 3 на рис. 1. Результати розрахун-юв зведемо до табл. 2.
Таблиця 2
F, кН V, км/год U^ , В fx, Гц U1 / f
70 0 0 0 -
68,5 20 331 16,6 20
66,5 40 652 33,1 19,7
64,5 60 964 49,7 19,4
63,5 70 1116 58 19,2
62,5 80 1265 66,3 19,0
60 90 1400 74,6 18,7
Анатз даних табл. 2 показуе, що значення — повнiстю вiдповiдае рiвнянню (8). Швид-
кiсть 90 км/год, фазна напруга 1400 В, сила тяги 60 кН та частота 74,6 Гц вщповщають новому номшальному режиму, визначеному точкою Ь' на рис. 1. Потужнють двигуна тут зпдно (5)
р™а См =
60 • 90 3,6
= 1500 кВт. Як видно з гра-
фша на рис. 1, подальше шдвищення потужно-стi двигуна, як з точки Ь в бiк збшьшення сили тяги, так i з точки Ь' при зчепнш масi одше! колюно! пари 23 т, недоцшьно, бо вона не може бути реатзована через обмеження по зчеп-ленню.
Дiлянка ново! характеристики Ь 'с', як i ра-нiше, вiдповiдае закону регулювання (6), тобто 90-л/60 = 697 . Отже, при збереженш попере-днього значення сили тяги максимальна
швидюсть буде
697 711,8
= 203 км/год при частой
обертання ротора двигуна птах = 203-1138 =
= 3300 об/хв, що цшком допустимо для шдши-пниюв, що використовуються в наш час. Шви-дкiсть руху може бути тдвищена навт до 220
км/год при вщповщному зменшеннi сили тяги 2
до ^ =(220) =10 ^
Частота обертання ротора двигуна при цьо-220
му буде рiвна п'тах = "2^3' 3300 = 3580 об/хв,
а частота живлячо! напруги fmax = 74,6
220 90
= 182 Гц, що е допустимим для сучасних ЮБТ-транзисторiв.
Таким чином, сформувавши нову тягову характеристику 3 на рис. 1, отримаемо наступш номшальш параметри тягового електроприво-V' = 90 км/год; Г = 60 кН; и' =
да:
= 1400 В; Л ;0м = 74,6 Гц; = 1500 кВт.
Розглянемо тепер можливють такого тдви-щення потужностi двигуна з точки зору його на^ву, а також його енергетичш показники. Як бачимо, при переходi з точки Ь на рис. 1 в точку нового номшального режиму Ь' момент двигуна, його струм 11, а отже, i втрати короткого замикання залишаться практично незмш-ними, навiть дещо зменшаться, оскшьки в точцi зменшено силу тяги. Новi втрати короткого замикання дорiвнюють приблизно за даними табл. 2:
Р = 65,3-
60 63,5
= 58,3 кВт.
(
Ро = Ро '
fш
л
1,3
fi
,(11)
Р0 = 18 -
74,6 58
ном / 1,3
= 25 кВт.
Тодi сумарнi втрати в новому номшальному режимi будуть дорiвнювати:
Е Р' = Р0 + Р',, (12)
£ р' = 25 + 58,3 = 83,3 кВт.
Оскшьки у вщносно вузькому дiапазонi температур можна приймати кшцевий перегрiв (перевищення температури обмотки над температурою навколишнього середовища) ткн про-порцiйним сумi втрат [4], то в точщ Ь' характеристики 3 на рис. 1 очiкуваний перегрiв складе:
т „„ = т„
и.
IР'
(13)
т кш = 150 •-
83,3
18+65,3
=150 °С,
тобто переев залишаеться незмiнним.
Нами не враховано деяке зростання мехаш-чних втрат при переходi з точки b в точку b' , що, очевидно, мае призвести до певного додат-кового пiдвищення температури. Але i при цьому кшцевий переев не перевищить допустимого для застосованого в двигуш класу iзо-ляцл «Н», а тд час роботи на дiлянцi характеристики b'c' втрати будуть тiльки зменшува-тись, тому що при U1 = const з ростом частоти f значення магнiтного потоку буде зменшува-тись.
В точщ b' нового номшального режиму значення ККД з урахуванням (12) буде:
Р'
Змшяться також втрати холостого ходу, яю являють собою втрати в сталi i дуже малi меха-шчш втрати. Останнiми для простоти подаль-шо! викладки ми нехтуемо.
Вщомо [4], що втрати в стат пропорцiйнi добутку fj1'3 • B2, де B - вдукщя, пропорцшна магнiтному потоку. Щц час руху по дiлянцi характеристики a V ' магштний потiк практично Ф « const, значить i B « const, i тодi втрати холостого ходу змшяться лише у зв'язку зi зм> ною частоти i в точцi b ' досягнуть значення:
Пном jyr
Ром +I Р "
(14)
1500
=0,947
Пном 1500 + 83,3 тобто вш дещо збшьшиться, в порiвняннi з по-передшм значенням.
Коефiцiент навантаження, при якому в новому номшальному режимi ККД максималь-ний, буде:
К' =
£0_
Р'к
(15)
К' =
J53
f 83,3
= 0,5478.
що з урахуванням (15) вщповщае потужностк
Р ' = 0,5478 -1500 = 822 кВт.
Таким чином, енергетичш показники тягового двигуна при дотриманш закону регулю-U1
вання
fx
1,0009
= const i пiдвищеннi значень U1 i
f будуть не прше, нiж попереднi.
Слiд додати, що застосування цих парамет-рiв двигуна потребуе модершзаци iнвертора, який е невщдшьним вiд асинхронного двигуна, як невщдшьний колектор - швертор вiд якоря двигуна постiйного струму. Це питання розгля-нуто в [2].
Таким чином, асинхронний тяговий двигун СТА1200 з iзоляцiею класу «Н» допускае сут-
теве шдвищення потужностi i швидкостi, що виключае необхiднiсть створення нового дви-гуна. За необхiднiстю в двигуш може бути за-стосована нова сучасна iзоляцiя, яка мае назву iзоляцiя «класу 200», для яко! допустимий пе-регрiв складае 200 °С.
Загальнi висновки
1. На електровозi змiнного струму з асинх-ронним тяговим електроприводом та зчшною масою одше! колюно! пари 23 т недоцшьно за-стосовувати асинхронний двигун потужнiстю бiльше 1500 кВт, оскшьки цю потужнiсть не-можливо використовувати за умовами зчеп-лення.
2. При шдвищенш потужностi двигуна до 1500 кВт доцшьно дещо зменшити силу тяги номiнального режиму у порiвняннi з сучасною на електровозi ДС3, щоб мати бiльший запас по зчепленню.
3. Сучасний двигун СТА 1200 без будь-яких переробок може забезпечити потужшсть 1500 кВт при швидкосп 90 км/год на електро-возi ДС3. Максимальна швидюсть електровоза може бути 220 км/год.
4. При створенш ново! програми керування асинхронним електроприводом доцiльно на першому етат регулювання, вiд зрушення до досягнення точки номшального режиму, засто-совувати змшу (пiдвищення) напруги i частоти
живлення за законом —, ' = const, що дозво-
/^1,0009 1
лить лiпше використовувати дiапазон сили тяги за умовами зчеплення.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Безрученко, В. М. Эффективность использования тяговых электродвигателей современного электроподвижного состава [Текст] / В. М. Безрученко, В. К. Варченко, В. В. Чумак // Вкник Схщноукр. нац. ун-ту iм. В. Даля. - К., 2006. -№ 8 (102). - Ч. 2.
2. Безрученко, В. М. Тяговый асинхронный электропривод для скоростного электровоза [Текст] / В. М. Безрученко, В. К. Варченко, В. В. Чумак // Вюник Схщноукр. нац. ун-ту iм. В. Даля. - К., 2008. - № 5 (123). - Ч. 2.
3. Безрученко, В. М. Щдвищення ефективносп тягового асинхронного електропривода [Текст] / В. М. Безрученко, Ю. С. Бондаренко, О. А. Хо-рошко // Вюник Дншропетр. нац. ун-т залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна. - 2010. - Вип. 32. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2010.
4. Безрученко, В. М. Тяговi електричш машини електрорухомого складу [Текст] : навч. поаб-ник / В. М. Безрученко, В. К. Варченко, В. В. Чумак. - Д.: Вид-во Дншропетр. нац. унту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна, 2003. -252 с.
5. Режимы работы магистральных электровозов [Текст] / под ред. О. А. Некрасова. - М.: Транспорт, 1983. - 231 с.
6. Розенфельд, В. Е. Теория электрической тяги [Текст] / В. Е. Розенфельд, И. П. Исаев, Н. Н. Сидоров. - М.: Транспорт, 1983. - 328 с.
Надшшла до редколегп 21.04.2011.
Прийнята до друку 28.04.2011.
