Выбор типовых параметров источников мощности системы взаимного нагружения тяговых электромашин с механическим способом компенсации потерь холостого хода Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 629.423.3.024

А. М. АФАНАСОВ (ДНУЖТ)

ВЫБОР ТИПОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ИСТОЧНИКОВ МОЩНОСТИ СИСТЕМЫ ВЗАИМНОГО НАГРУЖЕНИЯ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОМАШИН С МЕХАНИЧЕСКИМ СПОСОБОМ КОМПЕНСАЦИИ ПОТЕРЬ ХОЛОСТОГО ХОДА

Представил д.т.н., профессор Гетьман Г. К.

В настоящее время известен целый ряд вариантов схем взаимной нагрузки электрических машин постоянного тока, как независимого, так и последовательного возбуждения [1, 2]. Схема с механическим способом компенсации потерь холостого хода и электрическим способом компенсации электрических потерь является единственным вариантом системы взаимного нагружения с прямым способом покрытия потерь, без дополнительного преобразования вида мощности в испытуемых электромашинах [3].

При использовании современной преобразовательной техники данный вариант схемы взаимной нагрузки для проведения приёмосдаточных испытаний определённого типа тяговых электромашин может быть наиболее рациональным. К преимуществам рассматриваемой схемы следует отнести отсутствие высоковольтного регулятора напряжения и относительную простоту регулирования тока нагрузки и частоты вращения якорей электромашин.

Принципиальная схема стенда взаимной нагрузки с механическим способом компенсации потерь холостого хода и электрическим способом компенсации электрических потерь приведена на рис.1. Якорные обмотки и обмотки возбуждения испытуемых двигателя М и генератора в включены последовательно в общую цепь и подключены к источнику напряжения (источник И1). Валы испытуемых двигателя М и генератора в механически соединены между собой и с валом дополнительного двигателя (источник И2).

При совпадении магнитных характеристик испытуемых электромашин источник напряжения И1 компенсирует электрические потери а источник момента И2 - потери холостого хода в испытуемых электромашинах. Ток нагрузки при испытании регулируется напряжением источника И1, а угловая скорость - моментом источника И2. При расхождении магнитных характеристик испытуемых электромашин характер компенсации видов потерь мощности существенно меняется.

Главной особенностью режима взаимного нагружения однотипных электромашин с расходящимися магнитными характеристиками является наличие небалансной электромагнитной мощности электромашин. Наличие такой небалансной электромагнитной мощности в системах взаимного нагружения с двумя источниками приводит к перераспределению энергетических потоков между ними [2]. Такое перераспределение энергетических потоков требует дополнительного запаса мощности источников. Рассмотрим работу системы взаимного нагру-жения с учётом возможного расхождения магнитных характеристик испытуемых тяговых электромашин.

Рис. 1.

В статическом режиме взаимное нагружение для данной схемы описывается системой уравнений баланса напряжений и моментов:

[Е ьи = ии + Е г - Е д;

[£ДМ = М и + М

эмд М эмг,

(1)

где и и - напряжение на выходе источника И1;

Е д , Е г - электродвижущие силы вращения

испытуемых двигателя и генератора соответственно;

Е Ди - суммарное падение напряжений в

электрической цепи;

М и - момент дополнительного источника И2;

М эмд , М эмг - электромагнитные моменты

испытуемых двигателя и генератора соответственно;

I ДМ - суммарный момент сопротивления вращению, обусловленный потерями холостого хода в испытуемых электромашинах.

Суммарное падение напряжений в электрической цепи данной схемы

IДи=I • Iя

Ц ДРэ = и и • I +1 (Е г - Е д);

[I ДРхх = Ми Ю+К>(Мэмд -Мэмг).

(4)

Р = Е • I •

эмд д

Р = Е • I

1 эмг ^ г -1 ■

Тогда выражение для ДРэм принимает

вид

ДРэм =ДЕ • I,

где I - ток нагрузки испытуемых электромашин;

IЯ - суммарное активное сопротивление

электрической цепи.

В случае полного совпадения магнитных характеристик испытуемых электромашин их электромагнитные мощности равны между собой. Потребные полезные мощности РИ1 и РИ 2 источников И1 и И2 соответственно для данного условия:

РИ1 = I ДРхх; (2)

РИ2 = I ДРэ , (3)

где I ДРхх , I ДРэ - суммарные потери холостого хода и электрические потери соответственно.

В случае расхождения магнитных характеристик испытуемых электромашин выражения для определения потребных мощностей источников И1 и И2 будут иметь вид, отличный от (2) и (3). Найдем данные выражения, умножив обе части первого и второго уравнений системы (1) на I и Ю соответственно.

где ДЕ - небалансная э. д. с. испытуемых электромашин.

ДЕ = Е д - Е г .

Сложив выражения (5) и (6), получим уравнения баланса мощностей в виде

РИ1 + Ри2 = I ДРэ + I ДРхх .

Выражения (5), (6) могут быть записаны в относительных параметрах, если их правые и левые части разделить на часовую мощность Рч испытуемых электромашин:

Относительные мощности, использованные в данных выражениях, представляют собой отношения:

=Еж- =

Р И1 = л ; Р И2 =

Р И Р

1 ч 1 ч

Ри 2 ; Д I ДРэ .

И 2 ; ДР э =-

Рч

Учитывая, что РИ1 = и и • I, а РИ 2 = М и • Ю, после преобразований уравнений системы (4) получим:

Ри1 = I ДРэ +ДР эм

(5)

РИ2 = I ДРхх -ДРэм , (6)

где ДРэм - небалансная электромагнитная мощность испытуемых электромашин, обусловленная расхождением их магнитных характеристик.

ДР = Р - Р ,

эм эмд эмг

где Рэмд , Рэмг - электромагнитные мощности двигателя и генератора соответственно.

Др = IДРхх ; Др =ДРэм " хх Р м " эм Р • Рч Рч

Данные относительные параметры более удобны для проведения дальнейшего анализа, так как одни из них (Др э , Др хх) изменяются для данного типа электромашин в узких пределах, а другие являются нормируемыми (Др эм ).

Максимальное относительное значение электрических потерь Др э соответствует максимально возможному (с учётом допустимых отклонений) сопротивлению обмоток испытуемых электромашин в нагретом состоянии.

Максимальное значение относительной составляющей небалансной электромагнитной мощности Др эм может быть определено в виде

А- ДФч

Дрэм ="Ф7,

где ДФч - максимальная разница магнитных потоков испытуемых электромашин в часовом режиме;

Ф ч - магнитный поток в часовом режиме (типовое значение).

© Електрифшащя транспорту, № 3. - 2012.

27

Отметим, что ГОСТом 2582-81 [4] нормируется максимально допустимое отклонение частоты вращения испытуемой электромашины

Ап* = Дп, п ч

где Ап - максимальное отклонение частоты вращения в часовом режиме от типового значения часовой частоты вращения п ч .

Параметр Др эм может быть выражен через относительное отклонение частоты Ап* в виде

Др эм = 2Дп* .

Таким образом, максимальная приведенная мощность источника И1 для случая АРэм > 0 будет определяться по формуле

рИ1 =Дрэ + 2Дп* .

Для данного режима приведенная мощность источника И2 будет определяться в виде

р И2 =др хх - 2Дп* .

Максимальная приведенная мощность источника И2, соответствующая случаю ДРэм < 0 будет определяться по формуле

рИ2 =Дрхх + 2Ап* .

Для данного режима приведенная мощность источника И1 будет определяться в виде

рИ1 =дрэ - 2Дп* .

Так как реально возможны оба варианта расхождения магнитных характеристик, максимальная суммарная приведенная мощность источников системы взаимного нагружения будет определяться по формуле

I р И =Др э + Др хх + 4АП* .

Если считать потери мощности в двух испытуемых электромашинах одинаковыми, и пренебречь потерями в соединительных проводах и коммутационной аппаратуре стенда взаимной нагрузки, можно принять

Дрэ +Дрхх = 2(1 -Л ч), где Л ч - коэффициент полезного действия однотипных испытуемых электромашин в часовом режиме.

В соответствии с [4] типовое значение к.п.д. тяговой электромашины в часовом режиме соответствует нагретому состоянию, то есть

Др э =Др э .

Тогда выражение для суммарной приведенной мощности источников запишем в виде

XРИ = 2(1 -h ч) + 4Dn* .

(7)

В табл. 1 приведены значения I р И , полученные по формуле (7) для реального диапазона значений к.п.д. тяговых двигателей электроподвижного состава и Ап* = 0,03.

Таблица 1

К. п. д. 0,9 0,91 0,92 0,93 0,94 0,95 0,96

Dp э +Dp хх 0,2 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08

X Р И 0,32 0,3 0,28 0,26 0,24 0,22 0,2

Как видно из табл. 1, для тяговых двигателей с высоким коэффициентом полезного действия (до 0,96) необходимый запас суммарной мощности двух источников системы взаимного нагружения, обусловленный возможным расхождением магнитных характеристик испытуемых электромашин, является более чем двукратным.

Данные выводы относятся ко всем вариантам системы взаимного нагружения, в которых отдельные виды потерь (электрические и холостого хода) компенсируются отдельными источниками мощности.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Захарченко, Д. Д. Тяговые электрические машины и трансформаторы [Текст] / Д. Д. Захарченко, Н. А. Ротанов, Е. В. Горчаков - М.: Транспорт, 1979. - 303 с.

2. Афанасов, А. М. Электромеханические принципы обеспечения взаимной нагрузки электрических машин постоянного тока [Текст] / А. М. Афа-насов // Вкник Дн. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна: Зб. наук. пр. - 2009. - Вип. 27. - С. 42-46.

3. Жерве, Г. К. Промышленные испытания электрических машин [Текст] / Г. К. Жерве. - Л.: Энер-гоатомиздат, 1984. - 408 с.

4. ГОСТ 2582-81. Машины электрические вращающиеся тяговые. [Текст] / Государственный стандарт СССР. - М.: Издательство стандартов, 1981. - 50 с.

Ключевые слова: испытание, тяговая электромашина, взаимная нагрузка, электромагнитная мощность, электрические потери, потери холостого хода.

K™40Bi слова: випробування, тягова електро-машина, взаемне навантаження, електромагнггна потужнють, електричш втрати, втрати холостого ходу.

Keywords: test, hauling electric machine, mutual loading, electromagnetic power, electric losses, losses of idling.