CC BY
32
УДК 629.423.31
П. О. ЛОЗА (Придншровська залiзниця)
ПОКРАЩЕННЯ ЕНЕРГЕТИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ СТЕНДА ДЛЯ ВИПРОБУВАНЬ КОЛЕКТОРНИХ ТЯГОВИХ ДВИГУН1В ЛОКОМОТИВ1В
Розглянуп доцшьшсть i шляхи полшшення енергетичних показник1в стенду для випробування тягових колекторних двигунiв локомотивiв.
Рассмотрены целесообразность и пути улучшения энергетических показателей стенда для испытания тяговых коллекторных двигателей локомотивов.
In this article the expediency and ways of improvement of power parameters of the test stand for the driving collector motors of locomotives are considered.
У тепершнш час в практищ найбшьше роз-повсюдження для випробувального стенду дю-тала схема взаемного навантаження з вольтодо-датковою машиною (ВДМ) для компенсацii електричних втрат i лiнiйним генератором (ЛГ) для компенсаци втрат неробочого ходу, як показано на рис. 1 [1].
Для забезпечення випробувань тягових дви-гушв М1-М2, яю створюють систему генера-тор-двигун, в схемi рис. 1 присутнi чотири еле-ктромашинних перетворювача:
а) АД1 - ЛГ;
б) АД2 - ВДМ;
в) приводний асинхронний двигун - збу-джувач ОЗ;
г) приводний асинхронний двигун - збу-джувач О4.
Схема для всiх цих чотирьох електрома-шинних перетворювачiв однакова i показана на рис. 2.
С1 О
ПД
Рис. 1. Схема стенда взаемного навантаження
Машини ВДМ та ЛГ приводяться в рух аси-нхронними двигунами АД2 та АД1, мають не-залежне збудження з живленням вiд збуджува-чiв G4 i G3, приводш асинхроннi двигуни збу-джувачiв G4 i G3 на схемi не показанi. Iншi елементи схеми призначенi для вимiрювань та керування.
Вказана схема дозволяе одночасне випробування двох машин на одному стендi без пере-микань, забезпечуе просте регулювання й ви-ключае необхiднiсть у навантажувальному пристрой У той же час для не1 характернi таю не-долiки, як iнерцiйнiсть регулювання швидкосп, громiздкiсть iз-за наявностi 8-ми машин, ^м М1 та М2, якi потрiбно встановлювати на до-сить потужнi фундаменти, порiвняна склад-нiсть, значнi витрати часу на тдготовку до ви-пробувань та шум при робот стенда.
-гО и
Тмпс
Рис. 2. Електромашинш перетворювачi в схемi стенда
ПД - приводний двигун (АД1, АД2, приводи двигуни генераторiв О4 та ОЗ);
МПС - машина постшного струму (ЛГ, ВДМ, О4, ОЗ).
ПД та МПС розмщеш на одному валу. З енергетичноi точки зору схема рис. 2 мае сут-тевий недолш - низький коефiцiент корисноi ди (ККД) Пп
Пп ~Пн ,
(1)
де пн - номшальний ККД приводного двигуна; k — число ступешв перетворення енергiï. У схемi рис. 2 подвiйне перетворення енер-гiï (k = 2): електрична енерпя, яку ПД спожи-
вае 1з мереж1, перетворюеться у мехашчну ене-ргда на валу (перша ступшь); мехашчна енерпя на валу з допомогою МПС перетворюеться в електричну на И затискачах (друга ступшь).
Якщо ККД електрично! машини середньо! потужност складае 0,85...0,9, то при k = 2 ККД перетворювача не перевищуе 0,7...0,8. В енергетичному силовому канала трифазна мережа - АД1 - ЛГ - двигун, який проходить випробування, М2(М1) - генератор на валу цього двигуна М1(М2) число ступешв перетво-рення k=4. При чотириразовому перетворенш ККД перетворювача буде 0,5...0,65.
У тепершнш час в Укра1ш дуже гостро сто-!ть питання електрозбереження. Тому застосу-вання електромашинних перетворювач1в на шдприемствах по виготовленню та ремонту зал1знично! техшки, в тому числ1 i в випробу-вальних стендах, недоцiльно з точки зору еко-номи електроенерги. Вартiсть 1 кВт електроенерги, яка витрачаеться для забезпечення тех-нологiчних процешв, що потрiбнi для прове-дення ремонту залiзничноl технiки в локомотивних депо, склала у 2007 р. близько 41 копшки i мае тенденцiю до суттевого пiдви-щення у майбутньому.
У цих умовах низький ККД - суттевий не-долiк електромашинних перетворювачiв.
З появою потужних, вiдносно дешевих i на-дiйних силових високовольтних нашвпровщни-кових приладiв (наприклад, тиристори типiв SCR, GCT, IGCT та iн.) з'явилась можливiсть замiни в стендах для випробування тягових двигунiв (див. рис. 1) електромашинних пере-творювачiв енерги статичними нашвпровщни-ковими перетворювачами. При цьому лшвщу-ються вказанi вище недолiки схеми рис. 1 та суттево пiдвищуеться ККД стенда без збшь-шення, а можливо зi зменшенням, його вартос-тi.
Доцшьшсть застосування статичних пере-творювачiв у стендах для випробування тягових двигушв тдтверджуеться i тим, що у вс1х галузях технiки ц перетворювачi знаходять все бiльше застосування, а доля електромашинних перетворювачiв зменшуеться.
Але напiвпровiдниковi перетворювачi за сво!ми енергетичними властивостями мають ряд особливостей. Основними складовими на-пiвпровiдникового перетворювача в загальному випадку е: трансформатор, згладжувальний та зрiвнювальний реактори, фшьтр, пристро! штучно! комутаци. Силовий канал статичного перетворювача при живленш вщ трифазно! мере-
ж1, яка застосовуеться на пiдприемствах залiз-ничного транспорту, умовно показана на рис. 3.
^^_!
HJ
U
О-
л> о-
НП
Рис. 3. Силовий канал напiвпровiдникового перетворювача
У схем1 рис. 3 шд НП розумдать ус елемен-ти перетворювача, кр1м силового трансформатора Т. Нашвпровщников1 прилади у статичному перетворювач1 працюють у ключовому режим!. Це е причиною виникнення вищих гар-мошчних струм1в { напруг на вход1 1 виход1 перетворювача, що викликае додатков1 втрати в канал1 передач1 електроенерги [2].
Кр1м того, регулювання вихщно! напруги статичного перетворювача здшснюеться за ра-хунок затримки моменту включення тиристор1в стосовно напруги мережа У результат цього перша гармошчна складова струму, обумовлена частотою мереж1, виявляеться зсунутою на де-який кут щодо напруги мережа Тому перетво-рювач1 споживають реактивну потужшсть не тшьки на частотах вищих гармошк, але 1 на частот мереж1, що впливае на значення коефщ1е-нта потужностг
Бажання шдвищити коефщ1ент потужносп приводить до ускладнення схем статичних пе-ретворювач1в. При симетричному перетворю-вач1 повна його потужшсть мютить три складо-в1: активну потужшсть Р, реактивну потужшсть Q { потужшсть спотворення Рс [3]. Пщ активною потужнютю статичного перетворювача Р розумдать його активну потужшсть на виводах мережi змшного струму, що у випрям-ному режим1 (який використовуеться у випро-бувальному стенд1) дор1внюе потужносп по-стшного струму плюс втрати в установщ. Ця потужшсть визначаеться штегральним виразом
1 T
■■ — I uidt. Ti
P =
При синусо!дних напругах живлення для трифазного кола
P = 4bUI(1) cos ф(1),
(1)
де U - ддаче значення напруги мережу
I(1) - ддаче значення першо! гармонiки струму мереж!;
ф(1) - фазний кут ще! гармонiки.
е=л1ш(1) 8ш Ф(1).
(2)
Потужнють спотворення Рс — це складова повно! потужностi, обумовлена наявшстю в кривiй струму мереж гармошк, вiдсутнiх у кривiй напруги мережа Тобто в системах елек-тропривода з тиристорними перетворювачами регулювання потоку енергп супроводжуеться спотворенням форми синусо!дного струму:
Р. = и.
У1
к=2
(к )2
(3)
де к — порядок гармошки;
п — кiлькiсть гармошк, як враховуються;
I(к) — дiюче значення к-о! гармонiки.
Потужнiсть спотворень шкiдливо впливае на мережу живлення i шдключеш до не! при-ймачi, оскшьки викликае додатковi втрати в мда обмоток i сталi магнiтопроводiв.
Тодi повна потужнiсть перетворювача дорi-внюе
^=4Р 2+е2 + Рс = и ■
(4)
де I — дiюче значення струму мереж з ураху-ванням гармонiк у цьому струмi, вщсутшх у кривiй напруги мережа
Спотворення форми криво! струму визнача-еться коефiцiентом спотворення кс, який дорi-
внюе
кс = ^
с I
(5)
де I(1) — дiюче значення першо! гармошки мереж!.
Економiчнiсть споживання активно! поту-жностi приводiв iз перетворювачами характеризуется коефiцiентом потужностi
кп = кз кс ,
(6)
кз = С08 ф'
,(1)
Тобто
кп = кс С08 ф1
.(1)
(7)
(8)
Коефiцiент корисно! дi!' статичного перетворювача, якщо робота пристрою оцiнюеться за перюд часу, протягом якого потужностi на виходi i входi постiйнi (що вiдповiдае в основному робот перетворювачiв у стендi, який роз-глядаеться), дорiвнюе
П =
Р Р — У р
кор _ вит / у г
Рв,
Р.,
(9)
де кз — коефщент зсуву, який характеризуе величину генеровано! у мережу реактивно! потужност.
У симетричних трифазних перетворювачах цей коефщент дорiвнюе косинусу кута зсуву основно! гармонiки струму щодо синусо!дно! напруги живлення
де Ркор — корисна потужнють на виходi;
Рвит — витрачена потужнiсть на входц
У р — втрати у статичному перетворювача
Величина i наявшсть тих чи iнших складо-вих потужност визначаються вибраною схемою перетворювача, законом керування його нашвпровщниковими приладами i характером змiни величини вихщно! напруги. Тому при визначенш енергетичних показникiв i складо-вих повно! потужност необхщно враховувати конкретш особливостi конкретно! установки. У нашому випадку цi особливостi зумовленi вимогами до випробувань тягових колекторних двигушв, якi обумовленi правилами ремонту електричних машин електровозiв (електропо!з-дiв) та тепловозiв (дизель-по!здiв) та вiдповiд-ними державними стандартами.
З урахуванням вищевикладеного для по-кращення енергетичних показникiв стенда по-трiбно:
1. Замiнити електромашиннi перетворювачi на статичш напiвпровiдниковi.
2. Провести вщповщш дослiдження та роз-робити рекомендацн щодо вибору схеми статичного перетворювача, типу нашвпровщниково-го приладу та iнших параметрiв елементiв перетворювача з метою ращонального шдвищен-ня коефiцiентiв потужностi та корисно! ди перетворювача.
3. Виконати технiко-економiчне обгрунту-вання розроблених рекомендацiй.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Безрученко В. М. Тягов1 електричш машини електрорухомого складу: Навч. пос. / В. М. Безрученко, В. К. Варченко, В. В. Чумак. - Д.: Вид-во Дшпроп. нац. ун-ту зал1зн. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна, 2003. - 252 с.
2. Попович М. Г. Теор1я електропривода: Щдр. / М. Г. Попович, М. Г. Борисюк, В. А. Гаврилюк та 1н.; За ред. М. Г. Поповича. - К.: Вища школа, 1993. - 494 с.
3. Мамалыга В. М. Энергосбережение в системах електропривода. - К.: Энергетический центр ЕЦ в Киеве, 1995. - 86 с.
Надшшла до редколегп 14.05.2008.
