Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Элементы общей теории КСЛТ 15
1.1 Задача электродинамической левитации. Система основных уравнений . 15
1.2 Задача электродинамической левитации для путевого полотна сплошного типа . 17
1.3 Фурье-образ источника магнитного поля обмотки возбуждения. 21
1.4 Силовые и энергетические характеристики системы на переменном токе. 24
1.5. Задача электродинамической левитации при наличии ферроэлементов на борту экипажа КСЛТ. 28
Выводы к первой главе 32
Глава 2. Совершенствование способов управления КСЛТ 33
2.1 Регулирование н.с. обмотки возбуждения в переменно-полюсных системах 33
2.2 Регулирование н.с. бортовых электромагнитов по закону «кратного угла» 39
2.3 Анализ, полученных результатов расчётов 41
Выводы ко второй главе 53
Глава 3. Кинематические характеристики КСЛТ при движении установки по маршруту заданной протяжённости 54
3.1. Характеристика, сил действующих на транспортную установку во время движения экипажа ВСНТ 54
3.2. Режимы пуска и торможения транспортной установки 56
3.2.1. Постановка задачи. Обоснование принятых допущений 56
3.2.2. Пуск (торможение) КСЛТ при условии постоянства силы тяги (торможения) 62
3.3. Динамика движения транспортной установки с КСЛТ между пунктами назначения 70
3.3.1 Выбор типа нормировки дифференциальных уравнений 70
3.3.2. Система дифференциальных уравнений, описывающая
движение транспортной установки на маршруте заданной протяжённости при постоянстве силы тяги (торможения) 72
3.3.3. Минимизация времени перемещения по маршруту заданной протяжённости 77
3.3.4. Процесс движения КСЛТ при условии постоянства ускорения на участках разгона и торможения 82
3.3.5 Кинематические параметры транспортной системы в функции от времени в пути следования 85
Выводы к третьей главе 89
Глава 4. Технико-экономические показатели оборудования КСЛТ 91
4.1 Повышение значения энергетического параметра транспортной установки 91
4.1.1. Способы уменьшения электрических потерь в бортовых обмотках возбуждения 91
4.1.2. Краткая характеристика гиперпроводниковых материалов 92
4.1.3. Низкотемпературные и высокотемпературные сверхпроводники 94
4.2. Минимизация совокупной массы крипроводникового материала и хладагента (КП и ХА) бортовых электромагнитов при различных режимах работы рефрижераторной установки 98
4.2.1. Совокупная масса КП и ХА при открытом цикле работы рефрижераторной установки 98
4.2.2. Совокупная масса КП и ХА при закрытом цикле работы рефрижераторной установки 102
4.3 Критерии первичной оптимизации основного электрооборудования ТУ с КСЛТ 105
4.4 Статический преобразователь как элемент внутренней системы энергоснабжения КСЛТ на переменном токе 114
4.4.1. Требования, предъявляемые к статическому преобразователю 114
4.42. Сравнение структурных схем энергоснабжения бортовых электромагнитов 115
4.43. Описание выбранного варианта структурной схемы статического преобразователя 118
4.4.4. Определение массо-габаритных параметров силовых элементов статического преобразователя и устройств компенсации реактивной мощности 120
Выводы к четвёртой главе 124
Глава 5. Экспериментальные исследования 126
5.1. Задачи исследования. Обоснование принятой модели экспериментальной установки 126
5.2. Описание экспериментальной установки 126
5.3 Методика проведения эксперимента 13 0
Выводы к пятой главе 138
Заключение
Литература 142
Приложение 150
- Задача электродинамической левитации. Система основных уравнений
- Регулирование н.с. обмотки возбуждения в переменно-полюсных системах
- Характеристика, сил действующих на транспортную установку во время движения экипажа ВСНТ
- Повышение значения энергетического параметра транспортной установки
Введение к работе
Для большинства промышленно развитых стран мира характерен неуклонный рост перевозок пассажиров, который может быть обеспечен за счёт повышения провозной и пропускной способности транспортных систем. При этом одновременно предполагается и повышение качества транспортного обслуживания: уменьшение затрат времени на поездку «от двери до двери», уменьшение наполняемости подвижного состава в часы «пик», сокращение межпоездных интервалов.
Основная доля пассажирских перевозок в мире выполняется железнодорожным транспортом.
Задача повышения эффективности работы железнодорожного транспорта решается путём увеличения скорости перевозок.
При решении этой задачи в рамках традиционной транспортной системы «колесо-рельс» достигнуты определённые успехи [85], однако данной системе присущ ряд недостатков, в частности, зависимость тяговых характеристик системы от сил сцепления, что обуславливает поиск принципиально иных решений данной проблемы.
Одним из альтернативных ответов на данную задачу является создание систем высокоскоростного наземного транспорта (ВСНТ) с использованием магнитного подвешивания транспортной установки.
Главной особенностью ВСНТ с магнитным подвесом (МП) является отсутствие механического контакта подвижного состава с путевым полотном.
По сравнению с традиционным железнодорожным транспортом с системой «колесо-рельс» ВСНТ с МП имеет следующие преимущества:
-большие полезные нагрузки подвижного состава;
более высокие значения эксплутационных скоростей движения (до 500 км /час и выше);
пониженный уровень шума;
меньшие расходы на эксплуатацию и ремонт пути;
значительно меньшее негативное воздействие на окружающую среду (обусловлено снижением землеотвода под строительство трассы);
- более высокая степень безопасности движения транспортной системы (достигается за счёт размещения путевой структуры на эстакаде специальной конструкции).
Названные преимущества ВСНТ на магнитном подвесе позволят ему быть конкурентно способным не только с традиционными железными дорогами, но и с авиационным и автомобильным транспортом. Главным недостатком ВСНТ с МП считается его несовместимость с существующей сетью железных дорог.
Работы по созданию транспортных систем с подвижным составом на магнитном подвесе с линейным электроприводом были начаты в 60-х годах XX века. В настоящее время данные разработки особенно активно ведутся в ФРГ, Японии, США, Великобритании и Канаде. Следует отметить, что возрастание в последнее время интереса к транспортным системам с магнитным подвесом, отчасти обусловлено результатами расследования причин, произошедшей в 1998 году в Германии крупнейшей железнодорожной катастрофы пассажирского экспресса IGE [67].
Эффективность использования этого вида транспорта зависит от расстояния, скорости движения и пассажиропотока.
Создание ВСНТ на магнитном подвесе способствует экономическому росту за счёт внедрения новейших достижений научно-технического прогресса и содействует укреплению престижа России как одной из ведущих стран с высокоразвитыми транспортными системами.
Электромагниты, обеспечивающие подвешивание подвижного состава ВСНТ, как правило, размещаются на экипажах ТУ. Используются преимущественно два типа магнитных подвесов - электромагнитный (ЭМП) и электродинамический (ЭДП).
ЭМП осуществляется с помощью обычных электромагнитов постоянного
тока; подвешивание экипажей обеспечивается силами притяжения электромагнитов к неподвижному ферромагнитному рельсу путевой структуры. При этом достигается сравнительно небольшая высота подвешивания (=10мм), что предъявляет высокие требования к точности изготовления и установки путевого полотна. С увеличением скорости движения подвижного состава уменьшается сила притяжения электромагнитов к феррорельсу. Для поддержания требуемой высоты подвешивания в процессе движения необходимо изменять величину тока возбуждения электромагнитов с помощью быстродействующей системы управления.
Действие ЭДП основано на использование сил отталкивания, возникающих между магнитным полем, размещённых на подвижном составе сверхпроводящих электромагнитов постоянного тока и индуктированными ими токами в путевом немагнитном полотне сплошного или дискретного типов. ЭДП по сравнению с ЭМП позволяет получить на порядок большую высоту подвешивания (100-200 мм). ЭДП присуще естественная вертикальная устойчивость. При стоянках и малых скоростях движения подвешивание подвижного состава не обеспечивается.
Для обеспечения продольного перемещения состава в транспортных системах с МП используются тяговые двигатели в виде линейных асинхронных двигателей (ЛАД) или линейных синхронных двигателей (ЛСД) различных модификаций.
ЛАД отличаются простотой конструкции, высокой надёжностью и как следствие низкими эксплутационными расходами.
Транспортные системы с ЛСД характеризуются высоким значением коэффициента мощности при наличии большого воздушного зазора в системе.
При использовании ЛАД и ЛСД изменение скорости движения поезда осуществляется посредством системы управления, обеспечивающей регулирование параметров электроэнергии (напряжения и частоты).
В большинстве действующих линиях и проектах ВСНТ с МП предпочтение отдаётся эстакадному варианту пути. Поскольку подвижной состав создает
распределенную нагрузку на путевую структуру, то эстакада может быть выполнена облегчённой конструкции. Эстакадный вариант выполнения путевой структуры исключает проблемы, связанные с пересечением пути с другими транспортными магистралями; снижает трудоёмкость прокладки трассы, а также приводит к существенному уменьшению полосы отчуждения вдоль трассы и не требует установки дорогостоящих ограждений.
Первой страной, создавшей коммерческую линию наземного транспорта с МП, является Великобритания, где в 1984 году введена в эксплуатацию пассажирская линия длиной 600 м, связывающая аэропорт города Бирмингема с железнодорожным вокзалом. Скорость перемещения состава с ЛАД и ЭМП составляет 40 км/час; вместимость - 40 пассажиров.
Опыт эксплуатации данной ТУ показал, что у наземного транспорта с МП затраты на обслуживания и ремонт пути не превышают 15 % от аналогичных затрат для железнодорожного транспорта [98].
Наиболее существенные практические результаты в решении проблемы создания ВСНТ с МП достигнуты в Германии и Японии.
Первоначально исследования по созданию этого вида транспорта в Германии проводились по двум направлениям, предусматривающим использование ЭМП (фирма - «Мессершмит-Белков-Блюм») и ЭДП (фирма - «Телефун-кен», «Браун-Бовери», «Сименс»). Экспериментальные исследования транспортных установок с ЭМП начались в 1971 году на испытательном полигоне под Мюнхеном. Такие установки получили название «Transrapid», которым в зависимости от модификации присваивались соответствующие номера.
Испытания транспортных установок с ЭДП типа ЕЕТ начали проводиться с 1975 года на кольцевом полигоне длиной 900 м в Эрлангене.
К 1980 году из двух вариантов в Германии выбор был сделан в пользу ВСНТ с ЭМП. В Эмсленде был создан специальный полигон в виде двух кольцевых петель, соединённых прямоугольным участком; общая длина пути - 31.5 км, высота эстакады - 5 м. На данном полигоне на протяжении нескольких лет проводились испытания двухсекционного поезда «Transrapid» с ЛСД и
ЭМП различных модификаций при скоростях движения до 500 км/час. Вместимость каждой секции составляет около 100 пассажиров.
Разработан проект использования данной транспортной системы для скоростной линии Гамбург-Берлин (292 км), прорабатываются также проекты применения системы «Transrapid» на маршрутах «мегаполис-аэропорт» в различных странах мира [81,106].
В Германии проводилась также работа по созданию ВСНТ с МП городского типа. Такая транспортная линия длиной 600 м введена в эксплуатацию в Берлине в 1987 году. Движение поезда осуществляется с помощью системы «колесо-рельс» с применением постоянных магнитов для уменьшения нагрузки на путь. Вместимость поезда 150 пассажиров. В качестве тягового привода применён ЛСД. Скорость движения - 100 км/час.
Исследования в области ВСНТ с МП в Японии ведутся с начала 60-х годов XX века. Управление национальных железных дорог (JNR) решает проблему создания транспорта с ЭДП и ЛСД, а Японская авиационная компания (JAL) занимается разработкой транспорта с ЭМП и ЛСД.
Для проведения испытаний транспортных установок с ЭДП и ЛСД был создан полигон длиной 7 км в районе Миядзаки. В 1979 году при испытании установки ML-500 (т = ЮТ) был установлен мировой рекорд скорости движения для ВСНТ с МП - 517 км/час. Левитация экипажа достигалась при скорости движения, превышающей 120 км/час, высота подвеса установки равнялась 100-120 мм.
После модернизации путевой структуры была создана новая трёхвагон-ная установка с вагонами типа MLU (т - ЗОТ), испытания которой проводились на опытном участке длиной 18 км под Токио.
ВСНТ с ЭДП и ЛСД в Японии предполагается использовать на маршруте Токио-Осака (550 км) со временем движения по маршруту 1 час 40 минут.
Первая установка с ЭМП и ЛСД типа HSST (m = 1.8Т) была испытана в Японии на опытном полигоне Токио-Бэй (Кавасаки) длиной 1.6 км в 1978 году и развила максимальную скорость 308 км/час. Разработан проект 3-х секцион-
ного поезда с вагонами типа HSST общей вместимость 340 пассажиров и массой 81 Т. В 2005 году планируется ввести в эксплуатацию коммерческую линию (11 км), оснащённую вагонами типа HSST для связи города Нагайя с международным аэропортом [106].
Исследования по созданию ВСНТ с МП в США проводились под руководством Федерального управления железнодорожного транспорта и были направлены на использования ЭДП для междугородних перевозок, а ЭМП для маршрутов типа «город-аэропорт».
В 1988 году в Лас-Вегасе Вегасе введён в эксплуатацию первый участок внутригородской линии ВСНТ с ЭМП и ЛАД длиной 2 км. Трёхвагонный состав (типа HSST) осуществляет перевозку пассажиров со скоростью 65 км/час.
С начала 70-х годов проводятся исследования ВСНТ с ЭМП и ЭДП в Канаде.
Согласно сообщениям средств массовой информации в декабре 2002 года в Китае введена в действие коммерческая линия ВСНТ с ЭМП и ЛСД, связывающая город Шанхай с аэропортом. Протяжённость линии около 30 км, линия выполнена на основе транспортной системы «Transrapid».
Работы по созданию транспорта на магнитном подвесе с линейным приводом в нашей стране ведутся с 1975 года и направлены в основном на создание новой транспортной системы для скоростных городских и пригородных перевозок. В частности в разработках, выполняемых инженерно-научным центром (ИНЦ) «ТЭМП» (г.Москва) используется принцип электромагнитного подвеса. Испытания экипажа (т=14Т), разработанного ИНЦ «ТЭМП» проводятся на полигоне длиной 850 м под городом Раменское Московской области с середины 80-х годов при небольших скоростях движения [81].
Стремление к уменьшению совокупной массы электрооборудования экипажа ВСНТ на магнитном подвесе обусловило потребность в разработке транспортных систем, характеризующихся универсальностью использования бортовых электромагнитов.
Предложение по применению для электропитания обмоток возбуждения экипажа ВСНТ однофазного переменного тока было выдвинуто в 1983 году авторским коллективом сотрудников ЛИИЖТа (Байко А.В., Ким К.И., Кочетков В.М.) на международной конференции по магнитным технологиям (Grenoble-France) [104].
Данную систему ВСНТ принято называть комбинированной системой левитации и тяги (КСЛТ) на однофазном переменном токе (ОПТ).
В [9, 10, 96] предложен вариант тягового устройства транспортного средства, в котором сила тяги и левитации создаётся единым набором электромагнитов в результате взаимодействия переменного магнитного поля вихревых токов путевого полотна с токами обмотки возбуждения, при этом реализуется электродинамический принцип подвешивания. По мнению создателей данной ТУ [9,10] её использование наиболее рационально на маршрутах относительно небольшой протяжённости типа «мегаполис - города спутники ».
Отличительной особенностью рассматриваемой ТУ является возможность получения требуемой высоты подвеса экипажа во всём диапазоне изменения скорости движения установки, в том числе и при нулевом её значении, т.е. на стоянках. Данное свойство КСЛТ выгодно отличает её как от системы ВСНТ с электродинамическим подвесом постоянного тока, так и от трёхфазного варианта [10,64] данной системы.
По сравнению с трёхфазными вариантами КСЛТ на однофазном переменном токе позволяет также существенно упростить систему подвода электроэнергии к движущему экипажу.
Относительная простота конструкции путевого полотна КСЛТ в отличие от путевой структуры ВСНТ с традиционным электродинамическим подвесом и синхронным тяговым линейным двигателем обуславливает заметную экономию проводникового материала на единицу длины трассы и ведёт к уменьшению эксплутационных расходов.
Как отмечено в работе [9,10,16] эффективность КСЛТ существенно зависит от величины электрических потерь в обмотках возбуждения экипажа.
Радикальный способ их уменьшения заключается в использовании крио-проводников при изготовлении активной части бортовых электромагнитов установки.
К недостаткам КСЛТ на переменном токе следует отнести отсутствие пускового усилия и относительно небольшое значение коэффициента мощности системы.
Согласно [16, 96] для создания пусковой (тормозной) силы в КСЛТ предлагается преобразование исходной одной переменно-полюсной системы на период пуска (торможения) в две переменно-полюсные системы. При одновременном обеспечении фазового сдвига между токами в электромагнитах систем, посредством последовательного включения с катушками одной из систем активных и емкостных сопротивлений.
Потребная величина активно-емкостных элементов при этом способе пуска (торможения) приводит к увеличению массо-габаритных показателей транспортной системы в целом. При этом в пуско-тормозных элементах имеют место относительно большие потери мощности.
Исследования, проведённые в [9,10] показали, что наличие ферроэлемен-тов, расположенных на трассе под электропроводящим полотном способствует существенному увеличению силы тяги установки, при сохранении практически неизменной величину силы левитации.
Для систем постоянного тока применительно к ВСНТ с электродинамическим подвесом было показано, что наличие неподвижных ферроэлементов, установленных над катушками обмотки возбуждения на путевой структуре, также дает положительный эффект - определённое увеличение силы левитации [46].
Как было отмечено выше для КСЛТ на однофазном переменном токе характерно относительно небольшое значение коэффициента мощности. Повышение этого энергетического показателя системы посредством использования только статических конденсаторов как предложено в [ 16,96] представляется не достаточно эффективным способом.
В работах посвященных разработке теории КСЛТ [9,10,11,16] задача определения силовых и энергетических показателей установки, ограничена, в настоящее время рассмотрением двухпеременно-полюсной системы при фиксированном значении угла регулирования {тг/2 и Я").
Следует также отметить вклад, внесенный в разработку отдельных вопросов теории КСЛТ авторским коллективом физико-энергетического института АН Латвийской ССР [79].
С учётом вышеизложенных фактов, целью работы является получение теоретических и технических решений, обеспечивающих повышение эффективности работы КСЛТ на переменном токе ВСНТ.
Для достижения сформулированной цели, задачи исследования, представленного в диссертационной работе могут быть сформулированы следующим образом:
Обобщение элементов теории КСЛТ применительно к случаю произвольного закона (правила) изменения н.с. обмоток возбуждения установки.
Совершенствование способов управления КСЛТ в различных режимах работы.
Разработка методики расчёта кинематических характеристик ТУ при движении по маршруту заданной протяженности.
Разработка технических решений направленных на повышения энергетических и тяговых параметров транспортной системы.
Экспериментальная проверка достоверности теоретических исследований.
Задача электродинамической левитации. Система основных уравнений
В данной работе под задачей электродинамической левитации будем понимать задачу определения электромагнитного поля в системе, представляющей собой некоторое проводящее тело и совокупность движущихся относительно него источников магнитного поля.
Вихревые токи, возникающие в проводящем теле (полотне) вследствие влияния движущихся источников магнитного поля, взаимодействуя с последним, обеспечивают пондеромоторное взаимодействия между носителями электрического тока и проводящим телом.
В дальнейших рассмотрениях будем предполагать изотропность электрических свойств рассматриваемых областей пространства, т.е. считать j — const. Одновременно введём допущение о постоянстве скорости движения ТУ.
Задача электродинамической левитации для полотна сложного профиля и конечных размеров может быть решена исключительно численными методами, что сильно затрудняет или даже, делает невозможным обоснованный выбор базового набора основных параметров, задающих систему.
Это обстоятельство особенно важно для электродинамических систем левитации и тяги, основанных на использовании переменного тока в силу их от - 16 носительно малой изученности по сравнению с системами с магнитным подвесом на постоянном токе.
В связи со сказанным, представляет интерес введение в рассмотрение таких, математических моделей рассматриваемой задачи, которые позволяют описывать реальные системы достаточно точно и в то же время допускают получение компактных аналитических решений.
Наиболее простым вариантом модели для исследования задачи электродинамической левитации на ОПТ является математическая модель, в которой полотно представляет собой проводящий слой некоторой толщины, заключенной между параллельными плоскостями. Такое приближение принято называть приближением «бесконечно широкого» путевого полотна [9,10,16,53].
Величина магнитного поля источника В0 в выражении (1.2.3) предполагается известной. Такое представление оказывается технически удобным при проведении дальнейших преобразований, особенно при учете условий «сшивки» (1.2.2) на границах областей с различными физическими свойствами.
Условие наличия плоских границ и допущение «бесконечной ширины» путевого полотна в задаче электродинамической левитации позволяет использовать для получения аналитических решений преобразование Фурье.
Для окончательного определения магнитного поля, создаваемого вихревыми токами путевого полотна по формуле (1.2.13) необходимо определить величину В0 [к, со), представляющую собой z- компоненту магнитного поля источника при z равным нулю.
Наиболее полно данный вопрос применительно к системам ЭДЛ постоянного тока исследован в работе [30,53]. Специфика данной системы электродинамической левитации заключается в использование переменного тока для питания источника магнитного поля, а также в выполнение источника поля в виде набора бортовых электромагнитов (катушек), расположенных в один ряд вдоль направления движения установки.
Данные особенности рассматриваемой транспортной системы будут учтены в дальнейшем при анализе задачи.
Как показано в [51,53] источник магнитного поля произвольный формы может быть представлен неким токовым слоем, расположенным на некотором расстоянии h от поверхности полотна.
Регулирование н.с. обмотки возбуждения в переменно-полюсных системах
Следует отметить, что н.с. отдельных электромагнитов различаются между собой только величиной начальной фазы рт(т = 1,...N). Характер изменения величины (рт в зависимости от номера т определяет возможные режимы работы КСЛТ. Так в частности, если закон изменения (рт выражается формулой: рт=я(т-1), m = l,...N, (2.1.2) то это отвечает стационарному движению ТУ, подробное исследование которого произведено в [9,10], при этом набор катушек возбуждения представляет собой переменно-полюсную систему (ППС). Im{t)w {-l)m I0w42cos(nt (pm), m = l,...N, (2.1.3) Здесь величина (— 1) может принимать значение +1 или -1, определяя тем самым направление н.с. первой катушки возбуждения в экипажном комплекте электромагнитов.
В этом случае сила тяги оказывается равной нулю при пуске ТУ [9,10,16]. Для создания пусковой силы в начальный момент времени, то есть обеспечение условия Fx 0 можно преобразовать исходную одно переменно-полюсную систему возбуждения в s-переменно-полюсную систему. Так в частности, для двухпеременно-полюсной системы (ППС-2), н.с. каждого электромагнита определяется выражением: Im(t)w = I0w42{-l)\ a, cosiQt + с,)т = 21 — 1 1 \ Ь1\ l = l,2...N, (2.1.4) а2 cos\Qt + д2)т = 21 где aj 2 = ±/ знак данной величины задаёт направление н.с. в первых катушках каждой из ППС ; д12 начальная фаза. Заметим, что при д} - 2 = 7г/2 выражение (1.4.2) может быть записано посредством единой формулы: Im[t)w=I0w42cos Qt + —\(m-l), а = ±1. \ 2 ) Последнее соотношение для н.с. описывает конденсаторный способ пуска КСЛТ, [16] основанный на подключении к части бортовых электромагнитов активно-емкостных элементов.
Такой способ управления, в том числе и в период пуска не может быть признан вполне удовлетворительным. Поскольку наличие дополнительных элементов на борту экипажа ухудшает массогабаритные показатели КСЛТ, а также не обеспечивает возможность изменения скорости движения по требуемому закону.
Дальнейшим развитием идей, изложенных в [68] является использование статического преобразователя (СП) в качестве многофункционального элемента внутренней системы электроснабжения, что позволяет менять как угол регулирования, так и частоту питающего тока, при этом в значительной степени упрощается решение проблемы низкого коэффициента мощности установки. Одновременно подобное решение позволяет улучшить тяговые свойства транспортной системы [72].
Выражение для тока, обтекающего бортовой соленоид комбинированной системы с использованием СП в частности может быть записан в виде: Im{t)w = I0w42cos(nt + д{т -1)), m = l,...N. (2.1.5) В дальнейшем, подобный закон изменения н.с. согласно (2.1.4) в бортовых электромагнитах будем называть законом «кратного угла». В случае, когда бортовой источник магнитного поля представляет собой двухпеременно-полюсную систему, в которой закон изменения н.с. электро магнитов определяется выражением (2.1.3) не ограничивая общности можно положить (р1 =0,а (р2 —(р, что позволяет получить следующий закон измене ния н.с. в электромагнитах: Ilm(t)w = а,(-ly- lowficos{Qt + р,), 1 = 1,2; т = 1....N. (2.1.6)
Таким образом, соотношение (2.1.5) описывает две переменно-полюсные системы; пространственный сдвиг между системами составляет величину Т и равен половине расстояния между геометрическими центрами электромагнитов одной переменно-полюсной системы.
Соотношение (2.1.11) позволяет представить удельные показатели качества в виде (достаточно быстро сходящихся) рядов одномерных квадратур.
Выполненные теоретические рассмотрения позволяют провести численный анализ зависимостей удельных сил левитации и тяги от основных величин, задающих систему КСЛТ. Некоторые параметры установки целесообразно зафиксировать в качестве определённого базового набора: /0=5-104А, 7/сг=3,2-10 8 Омм, d= 0,02м, а/т = 0,6. В первую очередь заметим, что значение угла д = к, , отвечает переменно-полюсной системе питания (стационарный режим работы системы), a Q= тс/2, - конденсаторному способу пуска КСЛТ. Рассмотрения комбинированной системы для указанных значений углов проведены достаточно подробно [9,10,16], поэтому наибольший интерес настоящего исследования представляют зависимости характеристик КСЛТ от угла регулирования , в диапазоне д ТС, а также их поведение в функции других параметров при С, отличном от ТС и тс/2 .
Зависимость силовых характеристик ТУ от принятого закона изменения н.с. бортовых электромагнитов, частоты питающего тока (отмечены числами у кривых) и угла регулирования показаны на рис. 2.2. На данном рисунке пунктирные линии соответствуют двухпеременно-полюснои системе, а сплошные изменению н.с. электромагнитов по закону кратного угла. Из рисунка видно, что два названных закона изменения н.с. обеспечивают примерно равные значения электродинамической силы.
Характеристика, сил действующих на транспортную установку во время движения экипажа ВСНТ
Во время движения экипаж КСЛТ находится под воздействием разнообразных по своему происхождению и характеру сил. Указанные силы можно подразделить на электродинамические и механические. К первой разновидности сил относится пондеромоторное усилие, имеющее вертикальную (сила левитации) и горизонтальную (сила тяги или торможения) составляющие.
Электродинамическая сила возникает как результат взаимодействия магнитного поля вихревых токов путевого полотна с токами, протекающими по обмоткам возбуждения ТУ. Среднее значение сил левитации и тяги определяется выражением (1.5.5), полученным в предположении постоянства скорости движения экипажа.
Анализ этих выражений показал, что при любых соотношениях между параметрами системы величина силы левитации положительна. Направление силы тяги (торможения) в отдельные моменты времени при разгоне (торможении) может быть обратным требуемому направлению [10].
Как следует из выражений (1.5.5), электродинамическая сила является сложной функцией параметров системы, среди которых необходимо выделить следующие: м.д.с. обмоток возбуждения, частоту тока питающей сети и угол регулирования. Отмеченные величины можно рассматривать в качестве параметров управления режимами работы КСЛТ.
Рассмотрение механических по своей природе сил представляется целесообразным начать с силы аэродинамического сопротивления воздушной среды.
Результаты экспериментальных и теоретических исследований для диапазона скоростей движения, присущих ВСНТ с магнитным подвесом показали, что сила аэродинамического сопротивления воздушной среды является доминирующей составляющей результирующей силы сопротивления движению ТУ [33,63,92,109].
Силы, действующие на подвижной состав со стороны воздушной среды, при самой общей постановке задачи определяются главным вектором аэродинамической силы и ее главным моментом относительно центра масс [28,92.101].
При дальнейших рассмотрениях воспользуемся допущениями, обычно принимаемыми в теории тяги [38,72], а именно, ограничимся учетом только горизонтальной составляющей главного вектора аэродинамической силы. Данную силу обычно представляют в виде двух составляющих: силы лобового сопротивления и силы трения воздушного потока о поверхности экипажа и путевой структуры.
Влияние ветровой нагрузки в дальнейших рассмотрениях учитывать не будем. При необходимости, величину силы сопротивления от уклонов Ft будем определять по формуле [72]: Fi=fim, (3.1.3) здесь удельное сопротивление от уклонов, численно равное величине уклона в %о, н/т; т — масса экипажа, т.
Задача определения основных кинематических параметров движения ТУ (скорости, времени, расстояний и ускорений) важна при проектировании основных элементов любой ТУ, в частности, и для КСЛТ на переменном токе.
В рамках данной задачи целесообразно определить вклад, вносимый пус-ко-тормозными режимами ТУ в кинематические характеристики транспортной системы при её движении по маршруту заданной протяжённости S„. Для решения данной задачи разобьём данный маршрут на три участка (зоны): уча -56 сток пуска (разгона) S1} участок движения с установившейся (крейсерской) скоростью S2 и зону торможения S3.
При необходимости физические величины, относящиеся соответственно к зонам: разгона (участок-1), движения с установившейся скоростью (уча-сток-2) и торможения (участок-3) будем снабжать соответствующими индексами.
Будем полагать, что движение ТУ на участке разгона (торможения) носит равнопеременный характер. От момента достижения экипажем ТУ крейсерской скорости до момента начала торможения транспортная система совершает равномерное движение со скоростью V2.
Поскольку КСЛТ на переменном токе предполагается использовать на участках длиной Sg 100 км, то постановка задачи исследования её пуско тормозных процессов в рамках выполненных оценок представляется оправданной.
Решение данной задачи целесообразно вести на основе использования дифференциальных уравнений движения, отвечающих определенным участкам пути, предварительно сделав ряд допущений вполне оправданных на данном этапе исследования.
Будем полагать, что экипаж представляет собой материальную точку массой т, на которую действуют сила сопротивления воздуха FA, пропорциональная квадрату скорости движения экипажа, сила тяжести G, а также электродинамическая сила F, имеющая горизонтальную Fx и вертикальную Fz компоненты.
Следует отметить, что в нестационарных режимах выражения, определяющие электродинамическую силу F, будут отличаться от соотношений, ранее полученных в предположении постоянства скорости движения установки, поскольку, сила F в этом случае зависит не только от состояния системы в данный момент, но является функцией всего динамического процесса.
Продольное ускорение для установок ВСНТ с магнитным подвесом не превышает значения 0.5 g даже в случае экстренного торможения экипажа [63,72,75,92,105]. С учетом последнего замечания, при решении уравнений динамики для установки с КСЛТ вполне допустимо использовать выражения (1.5.5) для определения электродинамических усилий, действующих на ТУ.
Повышение значения энергетического параметра транспортной установки
Для оценки эффективности работы КСЛТ используется энергетический параметр качества, физический смысл которого схож с коэффициентом полезного действия ТУ. Из теоретического анализа следует, что величина энергетического параметра качества имеет приемлемое значение, если электрические потери в активной части бортовых электромагнитов относительно невелики.
С целью, получения относительно низких значений электрических потерь в обмотках возбуждения транспортной установки с КСЛТ, необходимо принять специальные меры по снижению величины этих потерь.
Эта задача может быть решена или посредством существенного уменьшения электрического сопротивления материала проводников электромагнитов, или сведения величины последнего практически к нулевому значению [73,74].
Эффект, состоящий в резком уменьшении электрического сопротивления проводникового материала катушек возбуждения экипажа, достигается за счет применения химически чистых металлов, работающих при температурах жидкого водорода (22 К) или азота (77 К). Подобные проводниковые материалы называют гиперпроводниками.
Степень уменьшения электрического сопротивления гиперпроводников определяется видом материала, применяемого для его изготовления, степенью химической чистоты вещества, а также температурой охлаждения последнего.
При температуре жидкого водорода (22 К) для представленных на рис 2 металлов (Си, Al, Be) - наименьшим сопротивлением обладает алюминий (99.999%). Его электрическое сопротивление уменьшается при этой температуре примерно в 850 раз по сравнению с величиной сопротивления при температуре окружающей среды [73].
В случае работы криопроводников при азотном уровне температур охлаждения (77 К), наименьшее удельное электрическое сопротивление, по сравнению, с другими материалами имеет бериллий.
Бериллий примерно на 1/3 легче алюминия и обладает меньшим значением электрического сопротивления при температуре жидкого азота. Однако, бериллию свойственна высокая магнитная деградация электрического сопротивления (см. рис. 3), а также повышенная механическая хрупкость и значительно более высокая стоимость, по сравнению с другими криорезистивными материалами [36,71,73,74].
Отличительной особенностью сверхпроводников является возможность получения нулевого значения электрического сопротивления обмоток при определенной рабочей температуре (см. рис. 4.1). В зависимости от величины температуры, при которой возникает явления сверхпроводимости в материалах, последние делятся: на низкотемпературные (НТСП) и высокотемпературные (ВТСП) сверхпроводники. Для НТСП характерна рабочая температура жидкого гелия (4,2К) и водорода (22К), для ВТСП температура жидкого азота (77К) и выше.
Отсутствие электрических потерь в сверхпроводниках имеет место в стационарных магнитных полях постоянного тока. В изменяющихся магнитных полях, свойственных переменному току в сверхпроводниках имеют место потери, величина которых пропорциональна интенсивности и частоте переменного магнитного поля [34,73, 74,110].
Попытки создания НТСП с низким уровнем потерь на переменном токе имели определенные успехи. В качестве примеров достижений в данной области исследований следует указать на разработанные фирмой Alsthom- Atlantik (Франция) сверхпроводниковые провода на основе сплава Nbi, а также на модель трансформатора мощностью 220 кВА (США), предназначенную для работы в сетях переменного тока промышленной частоты [34].
Однако, присущее гелиевому уровню температур энергетически невыгодное соотношение между потерями мощности в криогенной зоне и эквивалентной мощностью со стороны рефрижератора, а также не способность решить проблему механической и тепловой защиты обмоток НТСП от токов короткого замыкания приостановило исследования в этом направлении [110].
Открытие в 1986 году ВТСП, представляющих многофазные соединения окислов меди с некоторыми элементами (стронций, мышьяк барий и др.), которые сохраняют сверхпроводниковое состояние при температуре жидкого азота и выше, открыло новые возможности в области повышении эффективности работы различного силового электрооборудования, в том числе и транспортного.
Установлено, что использование ВТСП в силовом электрооборудовании приводит к снижению [98]: - общих потерь в электроустановке переменного тока с учетом потерь в рефрижераторе, а следовательно к увеличению к.п.д. систем, - капитальных и эксплуатационных расходов на криогенное оборудование; - массо-габаритных размеров электроустановок, включая криооборудо-вание.
В частности по оценкам специалистов фирмы Броун-Бовери трансформатор мощностью 100 МВА с обмотками из ВТСП позволит уменьшить капи тальные затраты на 20%, вес на 50%, а потери на 70% по сравнению с обычными масляными трансформаторами [110] .
За последние годы достигнуты, значительные успехи в области исследования, конструирования и создания действующих моделей электроустановок на основе ВТСП. Из анализа последних достижений в этой области заслуживают внимания следующие факты (см.табл.1).
