Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ -6
ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ -13
ИССЛЕДОВАНИЯ
-
Железнодорожный транспорт в современной России -13
-
Характеристики электровозов, находящихся в эксплуатации -17
-
Технические требования к перспективным магистральным -28 электровозам
1.4 Выводы -39
ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ -41
ЧАСТИ ЭЛЕКТРОВОЗОВ
2.1 Модели электромагнитных процессов в асинхронных -41
тяговых двигателях
-
Условия работы асинхронных тяговых двигателей -41
-
Модель первого уровня -43
-
Модель второго уровня -53
-
Перспективная технология расчета магнитных полей -63 асинхронных тяговых двигателей -75
-
Оценка адекватности модели второго уровня -77
-
Модели электромагнитных процессов в тяговых трансформаторах
-
Модель электромагнитных процессов в реакторе электровоза -84
-
Расчет индуктивности реактора -84
-
Схемы замещения реактора для расчета процессов при -91 воздействии импульсов напряжения с крутым фронтом. Расчет емкостей схем замещения реактора
2.4 Математические модели электромагнитных процессов в -97
системах преобразования электроэнергии
-
Теоретические основы -97
-
Выбор способа моделирования IGBT- транзистора в -100 системе «статический преобразователь - асинхронный
двигатель»
2.5 Выводы -108
ГЛАВА 3 ВЛИЯНИЕ ОТКЛОНЕНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК -111 АСИНХРОННОГО ТЯГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ И ИХ СИСТЕМ ПИТАНИЯ НА РАЗБРОС РЕАЛИЗУЕМЫХ МОМЕНТОВ
3.1 Влияние отклонений характеристик асинхронных тяговых -111
двигателей и эксплуатационных условий на величину
реализуемых моментов
-
Исследование зависимости скольжения двигателей от условий -113 режимов работы привода
-
Исследование влияния конструктивных и технологических -116 отклонений на величину момента двигателей
-
Анализ влияния на момент асинхронных тяговых двигателей -125 схем питания
-
Выводы -143 ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА СПОСОБА КОРРЕКЦИИ НАГРУЗОК -145 АСИНХРОННЫХ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ ИХ ПАРАЛЛЕЛЬНОМ СОЕДИНЕНИИ
4.1 Оценка способов коррекции нагрузок асинхронных -145
двигателей
4.2 Исследование регулирования нагрузок АТД с применением -149
«электрического вала»
-
Исследование влияния параметров регулирующей L-R цепи -155 на моменты двигателей
-
Технико-экономическое сравнение преобразовательных -165 систем перспективных электровозов
-
Технико-экономическое сравнение силовых -165 преобразователей энергии
-
Технико-экономическое сравнение преобразовательных -174 систем
4.5 Выводы -176
ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ УЛУЧШЕНИЯ -177
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ЭПС С АСИНХРОННЫМИ ТЯГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ И ТЯГОВОЙ СЕТИ
5 Л Высшие гармоники в сетях тягового электроснабжения -177
-
Исследование влияния параметров пассивного фильтра на -184 его массогабаритные показатели при различных резонансных частотах
-
Исследование зависимостей амплитуд гармоник входных -192 тока и напряжения от параметров активных фильтров
-
Анализ массогабаритных показателей активных фильтров и -204 суммарных показателей гибридных фильтров для различных резонансных частот
-
Инженерная методика определение математических -207 зависимостей для расчета амплитуд помехи входного тока
-
Определение величины пульсаций напряжения на -210 конденсаторах фильтра при различных способах регулирования напряжения на асинхронном двигателе
-
Исследование зависимости величины фазного тока первой -221 гармоники при регулировании напряжения на двигателе методом широтно-импульсного моделирования по синусоидальному закону
-
Определение рациональной зоны резонансной частоты -224 работы гибридного фильтра и несущей частоты работы преобразователя
5.9 Выводы -227
ГЛАВА 6 ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В СИЛОВОЙ -230
СХЕМЕ ЭЛЕКТРОВОЗА С АСИНХРОННЫМИ ТЯГОВЫМИ
ДВИГАТЕЛЯМИ
-
Перенапряжения на электроподвижном составе -230
-
Исследование перенапряжения на реакторе входного фильтра -234
6.3 Исследование зависимости напряжения на конденсаторах -239
фильтра от параметров импульса перенапряжения
-
Исследования перенапряжений на элементах блока защиты и -253 автономного инвертора напряжения
-
Выводы -258
ЗАКЛЮЧЕНИЕ -260
ЛИТЕРАТУРА -262
ПРИЛОЖЕНИЯ -285
Приложение 1 Основные параметры АТД НТА-1200. -286
Приложение 2 Результаты обработки данных расчета на матема- -291
тической модели.
Введение к работе
Одним из перспективных направлений в развитии железнодорожного транспорта во всём мире является расширение полигона, работающего на электрической тяге. Это позволяет увеличить провозную и пропускную способность железных дорог и снизить эксплуатационные затраты.
Действующие в стране государственные программы «Модернизация транспортной системы России» (2002-20 Юг.г.) и «Структурная реформа на железнодорожном транспорте» исходят из того, что до 2010 г. грузооборот на железных дорогах возрастет по сравнению с 2003 г. в 1,5 раза, а пассажирооборот в 1,1-1,2 раза. Для освоения этих объёмов перевозок планируется инвестировать до 2010г. на локомотивы 160 млд. руб., грузовые вагоны - 90 млд. руб., пассажирские вагоны -60 млд. руб., электропоезда -50 млд. руб. «Генеральная схема развития железнодорожного транспорта на период до 2010г.», разработанная ФГУП «Гипротранстэи», показывает, что такие перевозки могут быть осуществлены при увеличении длины электрифицированных магистральных железных дорог до 44,5 тыс. км при росте среднего веса грузового поезда брутто до 4008т, средней участковой скорости в грузовом движении до 43,8 км /ч и повышении провозной способности до 2512 тыс. т. км.
Одна из главных задач при реализации этих планов - создание электровозов с большой осевой мощностью, улучшенными тяговыми и электрическими характеристиками, более экономичных в расчете на жизненный цикл. При этом предполагается, что большинство из закупаемых ОАО «РЖД» образцов электроподвижного состава, в том числе электровозов, будет разработано заново с использованием результатов научно-технического прогресса, и должно выпускаться российской промышленностью. Объем выпуска должен быть значительным.
Из всего, сказанного выше, следует, что при создании новых типов электровозов должны быть достигнуты следующие цели: - повышение технико-экономической эффективности перевозок; - повышение безопасности движения, улучшение условий и повышение производительности труда железнодорожного персонала; - обеспечение максимальной унификации оборудования электровозов различных типов и назначения; уменьшение энергоёмкости перевозок; снижение расходов на техническое обслуживание и ремонт электровозов и связанной с ними инфраструктуры; сокращение сроков разработки и подготовки производства новых электровозов и их узлов.
В соответствии с действующим типажом, утверждённым в конце 2002г., перспективные электровозы должны создаваться на базе тягового привода с использованием трёхфазных короткозамкнутых асинхронных тяговых двигателей (АТД) и статических преобразователей электроэнергии (СПЭ).
Следует отметить, что работы над созданием электровозов с асинхронными тяговыми двигателями впервые в мире были начаты в СССР в 60-х годах двадцатого столетия. (В 1971 г. ОАО «ВЭлНИИ» и НЭВЗ, в содружестве с научными организациями страны, создали электровоз ВЛ80А с асинхронными тяговыми двигателями). В настоящее время в указанном направлении работы продолжаются в России и за рубежом.
Повышение осевой мощности электровозов с АТД, увеличение скоростей движения, специфическое влияние тягового привода с АТД на элементы конструкции электровоза и железнодорожную инфраструктуру поставили перед разработчиками тягового подвижного состава и службами, обеспечивающими организацию движения и его безопасность, ряд новых задач.
Несмотря на большой объём накопленных теоретических и экспериментальных данных, имеющийся опыт испытаний, производства и эксплуатации электроподвижного состава с АТД, ряд вопросов ещё ждёт своего решения.
Прежде всего, требует развития научное обеспечение разработок новых образцов подвижного состава этого поколения. Оно должно позволять исследовать сложные процессы в электромеханической системе электровоза на наибо-
8 лее ранних стадиях его создания с использованием проектных (расчетных) данных и избавлять от необходимости изготовления дорогостоящих макетных образцов оборудования. При этом желательно, чтобы были получены не только качественные, но и, с достаточной степенью точности, количественные характеристики.
Необходимы новые методы исследования, которые позволили бы сократить сроки создания новых образцов ЭПС или их отдельных систем и устройств, повысить их эксплуатационную надёжность.
Цель и задачи исследования Целью диссертации является создание научного обеспечения проектно-конструкторских разработок электровозов с АТД, позволяющего на основе накопленного опыта и современных достижений в области компьютерного моделирования электромагнитных и электромеханических процессов сократить сроки выполнения и стоимость, повысить качество проектов и технико-экономические показатели перспективных локомотивов.
Поставленная цель требует решения следующих основных задач:
Разработка эффективных компьютерных моделей для исследования процессов в электромеханической системе электровоза.
Построение уточненных математических моделей различных уровней для исследования электромагнитных процессов в электрической части электровоза: в тяговых двигателях, трансформаторе и дросселях, а также в силовых цепях преобразователей частоты и числа фаз.
Разработка схемных решений тягового электропривода, обеспечивающего максимальное использование сцепных свойств электровоза.
Разработка мероприятий и средств снижения электромагнитных помех, методик их расчета и подавления.
Расчет перенапряжений в силовой цепи электрооборудования при воздействии атмосферных и коммутационных импульсов перенапряжений с целью оптимизации уровней электрической прочности основных (наиболее уязвимых) элементов электрооборудования.
9 Методы исследования и достоверность полученных результатов
В диссертации использовались математическое моделирование сложных электромеханических систем; численный метод решения дифференциальных уравнений с частными производными; метод конечных элементов; численный метод решения интегральных уравнений; метод граничных элементов; метод Гира для решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений; метод Ньютона для решения систем нелинейных уравнений; комбинированный метод конечных и граничных элементов для расчета электромагнитных полей; компьютерное моделирование.
Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, а также других полученных результатов обеспечивается: применением фундаментальных законов теории электромагнитного поля (уравнений Максвелла), теории электрических и магнитных цепей (уравнений Кирхгофа), принципов Лагранжа и т.д.; удовлетворительным согласованием теоретических положений и результатов расчета с данными экспериментальных исследований, полученных в ОАО «ВЭлНИИ», фирмой Addtranz (Швейцария) и другими исследователями при стендовых испытаниях, испытаниях на экспериментальных полигонах и в условиях эксплуатации, а также с результатами расчетов, приведенными в литературных источниках.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту: - уточнённая математическая модель электромагнитных процессов в АТД на уровне мгновенных значений, позволяющая исследовать стационар ные и переходные режимы работы двигателей. Модель построена на основе теории цепей и теории поля, учитывает зубчатую структуру статора и ротора, насыщение стали, дискретное распределение обмоток. Для определения пара метров цепей применяется комбинированный метод конечных и граничных элементов; схема замещения и математическая модель для к-ой временной гармоники напряжения установившихся электромагнитных процессов в двух АТД, работающих на «электрический вал», и имеющих по две 3-х фазные обмотки на статорах; уточнённая математическая модель электромагнитных процессов в тяговых трансформаторах, построенная на основе теории поля и теории цепей; способ регулирования нагрузок асинхронных тяговых двигателей электровозов, основанный на коррекции их фазных токов за счет изменения токов в цепях взаимосвязи между работающими по схеме «электрический вал» двигателями; методики расчета индуктивности и эквивалентной емкости реактора с разомкнутой магнитной цепью и незаземленным сердечником; методика расчета потерь в конденсаторах входного фильтра по амплитуде переменной составляющей при широтно-импульсном регулировании напряжения на двигателе по синусоидальному закону (ШИМС);
Научная новизна. Новизна научных результатов, полученных в диссертации, заключается в том, что впервые: созданы уточнённые математические модели электромеханической системы электровоза и его отдельных узлов, позволяющие вести исследования процессов в стационарном и переходных режимах с учётом явлений, имеющих место в магнитных и электрических цепях тяговых двигателей, трансформаторов, дросселей и другого оборудования, в том числе, при трогании электровоза с места; разработана методика расчета наиболее опасных величин амплитуд помех, возникающих при работе АТД со статическими преобразователями электроэнергии, и параметров элементов пассивных и активных фильтров для подавления этих помех; - разработана методика расчета потерь в конденсаторах входного фильтра по амплитуде переменной составляющей при широтно-импульсном регулировании напряжения способом ШИМС; - предложены защищенные патентами способ выравнивания нагрузок АТД и улучшения в конструкции ротора;
Предложенная автором уточненная модель АТД отличается от известных тем, что для определения параметров схемы замещения использован более точный метод расчета поля - метод конечных и граничных элементов (МКИГЭ).
Практическая значимость заключается в: -разработке и включении в систему автоматического проектирования (САПР) электровоза «Программы поверочного расчета асинхронного двигателя»; разработке и включении в систему САПР электровоза «Программы теплового расчета асинхронного тягового двигателя»; обосновании типа и разработке рекомендаций по определению рациональных параметров элементов входных гибридных фильтров, обеспечивающих минимальную величину амплитуды наиболее опасной гармонической составляющей помехи; разработке методики определения потерь в конденсаторах фильтра по величине пульсаций напряжения для режимов одноимпульсного управления, широтно-импульсного регулирования по прямоугольному закону (ШИМП), широтно-импульсной модуляции способом ШИМС.
Основные разработки по этим вопросам защищены патентами и авторскими свидетельствами.
Результаты и рекомендации, сформулированные в диссертации, были использованы при разработке технических и рабочих проектов отдельных узлов, систем и электровозов в целом.
Основные положения и результаты диссертационной работы, начиная с 1975 г., докладывались на международных, всесоюзных, республиканских научно-технических конференциях и симпозиумах и опубликованы в 74 работах, в том числе 4 монографиях, 70 статьях, патентах и авторских свидетельствах.
12 Структура и объём диссертации Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 216 наименований и приложений. Основное содержание изложено на 284 страницах, проиллюстрировано 76 рисунками и 53 таблицами. 2 Приложение на 11 страницах.
