CC BY
49
УДК 621.313.2-83
Л. В. ДУБИНЕЦЬ, А. В. ШАПОВАЛОВ (ДПТ)
ВПЛИВ В1ДХИЛЕНЬ ПАРАМЕТР1В ТЯГОВИХ ДВИГУН1В НА ЯК1СТЬ КОМУТАЦИ П1Д ЧАС ПЕРЕХ1ДНИХ ПРОЦЕС1В З УРАХУВАННЯМ ОСЛАБЛЕНОГО ПОЛЯ
У статп показано залежнiсть ступеню юкршня тягового двигуна ввд практично! реатзацп ввдхилень в геометричних параметрах магштного кола додаткових полюсiв при перехщному процесi, що пов'язаний з втратою живлення з наступним його ввдновленням пвд час ослабленого поля.
В статье показана зависимость степени искрения тягового двигателя от практической реализации отклонений геометрических параметров магнитной цепи дополнительных полюсов при переходном процессе, который связан с потерей питания и последующем его восстановлением во время ослабленного поля.
In the paper the dependence of tractive engine sparking degree on practical realization of deviations of geometric parameters of additional poles magnetic circuit under transient process related to the loss of feed and its further restoration during the weakened field is demonstrated.
Вщомо, що тд дieю вихрових струмiв, яю виникають у магнiтопроводi тягових двигушв (ТД) тд час перехщних процесiв, зростання магштного потоку сповшьнюеться вщносно зростання струму. Це приводить до появи кид-ка струму у силовому колi двигуна.
У випадку ослабленого збудження значення максимуму перехвдного струму суттево збшь-шусться. Це приводить до погiршення якост комутацii.
1з iснуючих експлуатацiйних перехщних електричних процесiв найбiльш важким, з точки зору комутаци, е процес, який викликаеться вiдривом струмоприймача вщ контактного проводу з наступним вщновленням контакту при ослабленому збудженш двигунiв. Крiм того,
перерва живлення з рiзних причин може наста-ти через короткочасне вимкнення напруги без-посередньо на шдстанци.
Для ТД питання про iх комутащю при всякого роду перехщних режимах за рiзних умов мае ютотне значення, оскiльки в умовах екс-плуатацii стiйкiсть двигуна стосовно комутаци iнодi визначае його працездатнють [3, 4].
Наша мета - дослщити вплив вiдхилень геометричних параметрiв магнiтного кола додаткових полюшв на якiсть комутацii тд час ви-щевказаного перехiдного процесу з урахуван-ням ослабленого збудження для двигушв елек-тровозiв постшного струму ДЕ1 (рис. 1).
Для цього дослщження пропонуеться насту-пна математична модель [1, 2]:
pN , di di d Ф . .
-Фп + ir + L--+ L_--+ 2pw--+1,r I-пдвиг = u;
60a dt з dt F dt з з 1 двиг
(i - 1з )
L„,
пдвиг пдвиг dt
двиг двиг
( - ■ ) ■ 2 d Ф T di3 o
(1-1з )- 1З r-2 pw—-Lз—=0;
1,23^! + + Ф(Rmk -Rml) = w1i3 +ФкоЯтк -Fko;
d (Ф-Ф,)
5,29Rmi(Ф-Ф1) + 0,477g, 1 ^ 0 + Ф(Rmk -Rmi) = Wii3 + Ф^ -Fo;
I 23Rmd1Фк1 + g,d ^^ + Фк (Rmdk - Rmd1 ) = Wj3 + Ф KkoRmdk - Fdko
5,29Rrf№ -Ф.1) + 0,477g, / °Kl) +ФК (Rmdk -Rdl) = wdh +Фк^к-Fdko;
r о/, 4 dФ 4/ X„w2 _ d Фк 2w2JnXKO L3 = 2p(1 -a)w—; L = я " я + 2odpwd—± + KO п KO, di3 Z di pZKO
(1)
Рис 1. Схема ввiмкнення двигуна при ослабленому полi
де /, г — струм та ошр кола якоря двигуна вщ-повщно; /з, гз — струм та ошр обмотки збу-дження вщповщно; Ь — 1ндуктившсть якоря, котушок додаткових полюс1в та компенсацшно! обмотки; Ьз — шдуктившсть розсдавання котушок головних полюс1в; гш , Ьш — ошр та шдуктившсть обмотки шунтування; п — число обер-т1в двигуна; и — напруга мереж; w , wd, wко — кшьюсть витюв котушки головних полюшв, додаткових полюс1в та компенсацшно! обмотки
в1дпов1дно; w я — приведена кшьюсть витк1в якоря; 2 p — число полюшв; a — число пар па-ралельних гшок якоря; N — число провщниюв
обмотки якоря; n
к1льк1сть посл1довно
з еднаних двигун1в у одн1и гшщ схеми, що роз-глядаеться; Ф, Ф1 — магштний потш головних полюшв i Иого основна гармошка вщповщно; Фк, Фк1 — магнiтниИ потiк додаткових полюшв i Иого основна гармонiка вщповщно; (Ф-Ф1), (Фк -Фк1) — сумарний магштний потiк вищих гармонiк головних та додаткових полюшв вщ-повщно; gц — магнiтна iндуктивнiсть основно1
хвилi магнiтного потоку ГП; g^ d — магштна
iндуктивнiсть основно1 хвилi магнiтного потоку ДП; Rm1, Rmk — магштш опори першо1 та k -ï дiлянки апроксимованоï магнiтноï характеристики ГП; Fko — частина МРС k -ï дшянки магш-тноï характеристики ГП, що створюе Ф ; Rmd1, Rmdk — магнiтнi опори першо1' та k -ï дшянки апроксимовано1' магштно1' характеристики ДП; Fdko — частина МРС k -ï д^нки магштно1' характеристики ДП, що створюе Фк ; с, cd — коефiцiент розсiювання ГП та ДП вщповщно; Хп, Хко — коефiцiент магнiтноï провiдностi паза якоря та компенсацшно!' обмотки.
1ндуктившсть шунта в ненасиченому станi Хшном = 0,016 Гн, в насиченому станi L = 0,0045 Гн [10], L « 0,0015 Гн, r = 0,067
шнас 7 L J ^ у У У
Ом, r = 0,0252 Ом, гш = 0,025 Ом, u = 3000 В, Ф = 0,069 Вб.
За допомогою математичноï моделi (1) проведено дослщження перехiдних процешв у колi тягових двигунiв ЕД-141 електровозу ДЕ1, що пов'язанi з перервою та подальшим вщновлен-ням живлення двигуна у розмiрi 1500 В при максимальному ослабленш збудження Р = 43 %, I = 565 А, n = 1260 об/хв. При цьому вважаемо, що електричне коло шд час вщриву струмоприймача повшстю розриваеться. Необ-хщш обчислення при цьому можливо виконати за допомогою чисельного метода Рунге-Кутта-Фелберга [6].
На Смшянському електромехашчному заво-дi були проведет замiри фактичних розмiрiв елементiв магштного кола ДП наступних типiв двигушв: ЕД-141 (СТК-730), СТК-520, НБ-511. За допомогою критерiю погодженостi К. Пр-сона [7] доведено, що фактичний розподш роз-мiрiв елементiв магштного кола ДП вщповща-ють нормальному закону. Вщповщш пстогра-ми для двигуна ЕД-141 показаш на рисунках:
Гистограмма (Данные^а 12v"60c) Висота ДП СТК-730,мм = 32"0,1"norma!(x, 92,9219, 0,2871)
i2,4 92,6 92,8 93,0 93,2 93,4 93,6 Висота ДП СТК-730,мм
Рис 2. Пстограма висоти ДП
Гистограмма (Данные^а I2v*60c) Дiам розт остова СТК730,мм = 19*0,1*norma!(x, 948,1737, 0,2925)
947,4 947,6 947,8 948,0 948,2 948,4 948,6 948,8 949,0 Дiам розт остова СТК730,мм
Рис. 3. Пстограма д1аметра розточки остова
Гистограмма (Данные^а 12у"60с) Дiаметр якоря СТК 730,мм = 2Г0,2*погта!(х; 777,8367, 0,4336)
776,8 777,0 777,2 777,4 777,6 777,8 778,0 778,2 778,4 778,6 778,8 Дiаметр якоря СТК 730,мм
Рис. 4. Пстограма дiаметра якоря
Розглянемо електромагштш причини, яю викликають тдсилення юкршня тд час досл> джуваного перехщного процесу з урахуванням впливу вщхилень геометричних розм1р1в еле-мент1в магштного кола ДП в результат збшь-шення додаткового поперечного струму кому-тацп iд пор1вняно з усталеним режимом.
Для ощнки впливу iд на процес комутаци використовуемо критерш А. Б. 1офе у вигляд! фактора юкршня Ф1 [5]
Фi =
( 0 4 У'5 Li2v
^ с д к
V Ь у
2tк
(2)
d Ф
(3)
З урахуванням трансформаторно! ЕРС et формула для визначення i запишеться:
гд =■
P(e р - eк - ^ ) + Крe
Р Р
Rщ +Рг
(4)
де Р — коефщент, який враховуе властивост! яюрних обмоток двигуна (для петльово! обмотки Р = 1); e — реактивна ЕРС; eк — комутацш-
на ЕРС; кр — коефщ!ент, що враховуе неком-пенсовану частину реактивно! ЕРС; Ящ — ошр контакту щггка-колектор для кола короткозам-кнено! секцп; гс — ошр секци, яка комутуе.
У ЕД-141 кр = 0,18 [5], гс = 2,75-10"3 Ом.
В момент часу, коли струм якоря досягае максимуму, Ящ = 0,033 Ом, eр = 13,617 В,
в( = 3,4 В, eк = 10,02 В.
На основ! пстограм рис. 2 - 4, використо-вуючи методи розрахунюв розм1рних кш та те-орда !мов!рносп, визначеш максимальне та м> шмальне значення повггряного зазору м1ж осе-рдям ДП та осердям якоря (замикаюча ланка розм1рного кола), а також !мов1ршсне значення цього зазору з урахуванням дов1рчих штерватв [8]. Для двигуна ЕД-141 вказаш зазори наведеш в табл. 1:
Таблиця 1
Значення повггряного зазору м1ж осердям ДП га осердям якоря
де Dк — д1аметр колектора; ^ — довжина щь ток одного щ1ткотримача; — окружна швид-юсть колектора; tк — колекторний розподш.
У двигуна ЕД-141 Д. = 630 мм, 4 = 2,144 -10"6 Гн, ¿щ = 64 мм, vк = 27,7 м/с, ^ = 4,02 мм.
Небалансова ЕРС Ae представляе собою за-лишкову величину тсля взаемоди реактивно! eр та комутацшно! eк ЕРС. Оскшьки ми роз-
глядаемо перехщний процес, то на значення Ae також мае вплив трансформаторна ЕРС et, яка направлена в одну сторону з eк:
Метод розра-хунку розмiр-ного кола Номгнальний розмiр зазору магнiтного кола ДП, мм Значення повггряного зазору, мм
У меншу сторону У бшь-шу сторону
Метод максимума- мшмума 5,75 -1,1 +3,2
Iмовiрнiсний метод -1,325 +1,925
Кривх i = f ^) /; = /(t), /ш = /^), 4 = /(t) та Фк = f ^) для двигуна ЕД-141 при паралель-ному з'еднанш двигушв, визначеш за допомогою математично! модел1 (1), показан! на рис. 5 - 9:
Рис. 5. Графш змши струму в обмотщ якоря
Рис. 6. Граф1к змши струму в обмотщ збудження
Рис. 7. Граф1к змши струму в обмотщ шунтування
Рис. 8. Граф1к змши 1ндуктивносл обмотки збудження
3 2,6 2,2 1,9 1,7 1,5
1,25
1
Стетнь ¡скршня. бали
1 1
1 I
И 1 Т
|
^ л 1 I
/ 1 1 1 №
0,060,1 «2 0,4 аба«,о 1$ г з 4 56 а 101214
Рис. 10. Залежшсть ступеня юкршня ввд фактору юкршня
За методикою, наведеною в [9], визначаемо
го процесу за рiзних значень зазору в межах вщхилень, що розглядаються. По^м за допомо-гою формули (4) визначаемо фактор юкршня за формулою (2). Знаючи фактор iскрiння, корис-туючись залежнiстю ступеня iскрiння вщ фактору iскрiння (рис. 10) [5], будуемо кривi зале-жносп ступеня iскрiння вiд фактичного зна-чення зазору.
Рис. 9. Графж змши магнггного потоку в зош комутацii'
На рисунку залежностi Фк = /(^) пунктиром зображена крива, яка вщповщае випадку, коли магнiтний потш ДП Фк змiнюеться у по-внiй вiдповiдностi до змiни струму кола якоря. Суцшьна крива вщповщае реальним умовам протiкання перехiдного процесу.
Рис. 11. Граф1к залежносл ступеня юкршня в1д ввдхилення загального зазору магнггного кола ДП
1з рисунка видно, що при номшальних зна-ченнях загального повiтряного зазору (коли вщхилення вiдсутнi) кола ДП стутнь iскрiння може досягти 2,95 бала, що може викликати значне iскрiння на колекторь При збiльшеннi вiдхилення загального зазору, в порiвняннi з номiнальним розмiром, до 3,2 мм (табл. 1) стутнь юкршня може досягнути 3,48 бала.
Стутнь юкршня, у даному процесс може бути значно зменшена при мшусових вщхи-леннях загального зазору порiвняно з номша-льним значенням. При вiдхиленнi мiнус 1,1 мм (табл. 1) стутнь юкршня зменшуеться до 2,7 бала. Але при цьому треба враховувати, що зменшення зазору можна робити з ураху-ванням забезпечення нормальноi комутацii при номiнальному режимi роботи.
т для конкретного часу протшання перехщно-
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Жиц, М. З. Переходные процессы в машинах постоянного тока [Текст] / М. З. Жиц. - М.: Энергия, 1974. - 112 с.
2. Проектирование тяговых электрических машин [Текст] : учеб. пособие для вузов ж.-д. трансп. / под ред. М. Д. Находкина. - М.: Транспорт, 1976. - 624 с.
3. Безрученко, В. М. Тяговi електричш машини електрорухомого складу [Текст] / В. М. Безрученко. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2003. - 252 с.
4. Курбасов, А. С. Проектирование тяговых двигателей [Текст] : учеб. пособие для вузов. ж.-д. трансп. / под ред. А. С. Курбасова, В. И. Седова, Л. Н. Сорина. - М.: Транспорт, 1987. -536 с.
5. Иоффе, А. Б. Тяговые электрические машины [Текст] / А. Б. Иоффе. - М.-Л.: Энергия, 1965. -232 с.
6. Васильев, А. Н. Maple 8 [Текст] : самоучитель / А. Н. Васильев. - М.: Изд. дом «Вильямс», 2003. - 352 с.
7. Гмурман, В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика [Текст] : учеб. пособие для вузов / В. Е. Гмурман. — М.: Высш. шк., 2003. — 479 с.
8. Шаповалов, А. В. Статистична оцшка впливу вщхилень розмiрiв елеменпв магштного кола додаткових полюав електровозних тягових двигушв на !х стутнь юкршня [Текст] /
A. В. Шаповалов // Наук.-техн. зб. НГУ. — Д., 2009. - Вип. 81. - Прнича електромехашка та автоматика.
9. Дубинець, Л. В. Вплив допусков на комутацш тягових двигушв при перехвдних процесах [Текст] / Л. В. Дубинець, А. В. Шаповалов // Вь сник Дншропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна. - 2008. - Вип. 22. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2008. — С. 63.
10. Магистральные электровозы. Электрические аппараты, полупроводниковые преобразователи, системы управления [Текст] / под ред.
B. И. Бочарова, Б. А. Тушканова. - М.: Энерго-атомиздат, 1994. — 384 с.
Надшшла до редколегп 23.03.2009.
