Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор систем питания собственных нужд электроподвижного состава ...: 5
1.1 Системы собственных нужд на электроподвижном составе постоянного тока. 5
1.2 Системы собственных нужд на электровозах переменного тока серий ЧС 6
1.3 Отечественные электровозы переменного тока 6
1.4 Недостатки существующих систем питания 10
1.5 Анализ технических решений вспомогательных приводов зарубежного подвижного состава 10
1.6 Топологии схем тяговых вспомогательных преобразователей... 12
1.7 Мощности вспомогательных машин и преобразовательных установок 18
1.8 Резервирование 20
1.9 Применяемая элементная база
1.10 Компоновочные решения 21
1.11 Отечественный опыт построения статических преобразователей собственных нужд 22
1.12 Обобщенная структура 22
Выводы 25
2 Анализ процессов в системах собственных нужд с конденсаторными и вращающимися фазорасщепителями 27
2.1 Анализ работы вспомогательных машин на отечественных электровозах переменного тока 27
2.1.1 Структура схем подключения вспомогательных машин 27
2.1.2 Анализ отказов электрических машин в эксплуатации : 29
2.1.3 Типы и параметры вспомогательных машин 30
2.1.4 Приводные механизмы, их характеристики и параметры
2.2 Имитационная модель асинхронного двигателя 35
2.3 Моделирование работы вспомогательных двигателей при синусоидальных режимах 40
2.4 Описание показателей качества работы вспомогательных машин
2.4.1 Показатели переходного режима: 42
2.4.2 Показатели установившегося режима 43
2.5 Анализ электромагнитных процессов 45
2.5.1 Установившиеся режимы асинхронных двигателей при питании от однофазной сети с синусоидальным напряжением 45
2.5.2 Оценка синусоидальных режимов работы вспомогательных машин 46
Выводы 54
3 Анализ электромагнитных процессов во вспомогательных машинах с учетом тяговой нагрузки 55
3.1 Расчетные режимы с учетом тяговой нагрузки 55
3.1.1 Разработка математической модели трансформатора 57
3.2 Моделирование контактной сети 62
3.3 Результаты имитационного моделирования работы вспомогательных машин с учетом тяговой нагрузки 66
3.3.1 Переходные режимы (режимы пуска) 76
3.3.2 Исследование работы вспомогательных электроприводов при рекуперации электровоза 81
3.3.3 Влияние работы электровозов на соседних фидерных зонах 85
3.3.4 Физика появления искажений фазных токов двигателя и тока обмотки СН
3.4 Сравнение расчетных и экспериментальных данных 90
Выводы 95
4 Разработка системы симметрирования фазных напряжений 96
4.1 Функциональная роль фазорасщепителя 96
4.2 Определение необходимой мощности фазорасщепителя 101
4.3 Принцип управления преобразователем 104
4.4 Способ формирования напряжения 105
4.4.1 Предельное качество регулирования преобразователя 106
4.5 Общая информация о схемотехническом решении 108
4.5.1 Реверсивный расщепитель фаз 108
4.5.2 Определение частоты первой гармоники напряжения 110
4.5.3 Определение амплитуды первой гармоники напряжения 111
4.5.4 Получение высокого коэффициента мощности на входном преобразователе 119
4.5.5 Синтез контура тока 120
4.5.6 Выбор емкости синус-фильтра С{ 122
4.5.7 Выбор пусковой фазосдвигающей емкости 125
4.5.8 Фазосдвигающая емкость, как накопитель реактивной энергии 126
4.5.9 Выбор емкостей С\ и С2 126
4.5.10 Определение зависимости частоты переключения ключей/ индуктивности дросселя Zf и непостоянной составляющей тока (ширина токового коридора) А/ 133
4.6 Расчетные режимы работы статического расщепителя фаз 137
4.7 Параметры расчетных схем 141
4.8 Результаты расчета
4.8.1 Результаты расчета работы инвертора при синусоидальном питании в режимах А2 и A3 141
4.8.2 Работа фазорасщепителя в режиме пуска двигателя, режим А1 146
4.8.3 Электромагнитные процессы двух- и трехуровневых инверторов в режиме А1 150
4.8.4 Результаты расчета переходных процессов при работе фазорасщепителя 155
4.8.5 Работа преобразователя при наличии тягового тока (режимы Bl, В2 и ВЗ, раздел 4.6) 161
Выводы 165
5 Эксперементальное исследование фазосдвигающего устройства 167
Выводы по работе 171
Список используемой литературы
- Анализ технических решений вспомогательных приводов зарубежного подвижного состава
- Анализ отказов электрических машин в эксплуатации
- Разработка математической модели трансформатора
- Получение высокого коэффициента мощности на входном преобразователе
Введение к работе
доктор технических наук, с.н.с. Н.Н. Сидорова
Актуальность работы. Одним из условий успешного развития экономики Российской федерации является наличие эффективной и надежной транспортной системы. Эффективная работа железнодорожного транспорта немыслима без надежной работы подвижного состава. В настоящее время в Российской федерации эксплуатационная длина электрифицированных линий составляет около 45 тысяч километров железных дорог, из которых более 22 тысяч электрифицировано на переменном токе. Вождение поездов обеспечивает более 5000 электровозов переменного тока. Из них около 4500 электровозов – это электровозы отечественного производства, на которых для привода вспомогательных механизмов и агрегатов используются трехфазные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Для преобразования однофазного переменного напряжения в трехфазное, необходимое для питания вспомогательных электроприводов, применяются вращающиеся электромашинные расщепители фаз или конденсаторные расщепители фаз. При этом на электровозах последних выпусков 2ЭС5К, ЭП1М преимущественное применение получила система питания вспомогательных электроприводов с конденсаторным расщеплением фаз.
Исключительная простота системы питания вспомогательных машин в сочетании с асинхронными двигателями предполагает высокий уровень надежности вспомогательных электроприводов на этих электровозах. Однако до 20% от общего числа отказов этих электровозов связано с системами собственных нужд. Наблюдается тенденция роста количества отказов вспомогательных электродвигателей при увеличении массы поездов и скоростей движения.
Особая роль вспомогательных машин в работе электровозов, связанная с обеспечением безопасности движения поездов, широкое распространение электровозов переменного тока на сети железных дорог России определяют актуальность работ, направленных на повышение надежности систем питания вспомогательных электроприводов электровозов.
Целью работы является исследование электромагнитных процессов в системе питания вспомогательных электроприводов на отечественных электровозах переменного тока в условиях меняющейся нагрузки тяговой цепи, установление причин возникновения недопустимых режимов питания вспомогательных машин и разработка усовершенствованной системы питания вспомогательных электроприводов электровозов переменного тока.
Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:
выполнен анализ существующих систем питания вспомогательных нужд электроподвижного состава;
исследовано влияние внешних факторов на режимы работы вспомогательных машин, установлены причины возникновения недопустимых режимов питания вспомогательных машин и разработаны требования к статическому расщепителю фаз;
разработаны математические модели системы питания собственных нужд на отечественных электровозах переменного тока с вращающимися, конденсаторными и полупроводниковыми расщепителями фаз, с учетом изменяющихся параметров контактной сети и нагрузки тяговой цепи электровоза;
на основе разработанной математической модели составлена имитационная модель и выполнены исследования элетромагнитных и электромеханических процессов во вспомогательных машинах, проведена оценка показателей качества электроэнергии вспомогательных машин;
Предложены алгоритмы управления и разработаны принципиальные схемы статического расщепителя фаз;
разработан и изготовлен лабораторный макет статического расщепителя фаз и выполнено сравнение расчетных данных, полученных в результате численного эксперимента на математической модели и экспериментальных данных, полученных на лабораторном макете.
Методы исследования:
Для решения поставленных задач были применены методы математического моделирования электромеханических систем и их элементов с использованием основных положений теории электрических цепей, теории электрических машин, теории автоматического управления.
Количественная оценка показателей, характеризующих работу системы вспомогательных машин, выполнена с использованием имитационного моделирования в программном комплексе MatLab/Simulink.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые выполнено комплексное исследование электромагнитных процессов во вспомогательных электроприводах электровозов переменного тока с учетом влияния параметров системы электроснабжения и тяговой нагрузки.
2. Установлено, что возникновение недопустимых режимов питания вспомогательных машин на электровозах переменного тока связано с рядом причин, среди которых основными являются: снижение напряжения на токоприемнике и тяговая нагрузка, подключенная к тяговому трансформатору.
3. Показано, что процессы коммутации в тяговом выпрямителе вызывают периодические замыкания тяговой обмотки трансформатора, которые трансформируются в обмотку собственных нужд и вызывают искажения напряжения и тока вспомогательных асинхронных двигателей. Коэффициенты несинусоидальности токов фаз двигателей увеличиваются до 60%.
4. Предложен способ расщепления однофазного переменного напряжения в трехфазное, сформулированы требования к статическому расщепителю фаз для питания вспомогательных электроприводов электровозов переменного тока симметричным трехфазным переменным напряжением.
Принципиальная новизна предложенного решения подтверждена положительным решением на выдачу патента и патентом на полезную модель.
Практическая ценность работы:
- Создана математическая модель, позволяющая исследовать работу системы питания вспомогательных электроприводов электровозов переменного тока. С использованием математической модели возможно оценивать степень влияния на работу вспомогательных машин параметров контактной сети, расстояния удаления электровоза от тяговой подстанции, тяговой нагрузки рассматриваемого электровоза и электровозов на соседних фидерных зонах.
- Показано, что полупроводниковый преобразователь для расщепления однофазного напряжения в трехфазное должен быть реверсивным и обеспечивать двухсторонний обмен энергией между источником питания и нагрузкой.
Достоверность полученных результатов, сформулированных в диссертации обусловлена:
- методами получения данных, в которых все выводы базируются на использовании фундаментальных законов электротехники и корректностью выбранных допущений.
- удовлетворительным совпадением результатов расчета с осциллограммами фазных токов и напряжений, полученных при испытаниях электровоза серии ВЛ85 на Восточно-Сибирской и Забайкальской ж.д.
- сходимостью расчетных данных с результатами эксперимента, полученными на макетном образце.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на девятой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов-2008» в 2008 году в МИИТе, одиннадцатой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов-2010» в 2010 году в МИИТе, научно-практических конференциях «Неделя науки-2008»,«Неделя науки-2009», проходящих соответственно в 2008 и 2009 годах в МИИТе и на научных семинарах кафедры «Электрическая тяга».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 статьи, 3 из которых в журналах, рекомендованных списком ВАК и сделано 4 доклада на научно-практических конференциях. Получены патент на полезную модель и положительное решение на выдачу патента на полезную модель устройства расщепления фаз.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка литературы, включающего 75 наименований. Работа содержит 178 стр. основного текста, проиллюстрированного 151 рис. и 27 табл.
Анализ технических решений вспомогательных приводов зарубежного подвижного состава
На электропоездах постоянного тока ЭР1 и ЭР2 компрессор питается от напряжения 1500 В. Для получения такого напряжения используется машинный делитель напряжения - динамотор [б].
Динамотор представляет собой две вращающихся электрических машины: - делитель напряжения, в пазах якоря которого уложены две обмотки - на напряжение 1500 В. Каждая обмотка выведена на свой коллектор. Два коллектора соединены последовательно и подключены к напряжению контактной сети, а с одного снимается напряжение для питания собственных нужд. Эта электрическая машина имеет одну общую магнитную систему, и, соответственно, одну общую систему смешанного возбуждения. - Генератор питания цепей управления. Это коллекторная электрическая машина, приводимая во вращение делителем напряжения.
Такая система питания собственных нужд решает проблему чрезмерного потребления электроэнергии в цепи питания собственных нужд, так как отсутствуют активные сопротивления в цепи главного тока, однако не избавляет от применения коллекторных двигателей постоянного тока.
Для установки вместо двигателей постоянного тока асинхронных двигателей переменного тока на электропоезде необходимо иметь трехфазную сеть. Было принято решение получать трехфазную сеть путем машинного преобразования. Для этой цели динамотор был заменен двухмашинным преобразователем, который представляет собой двигатель постоянного тока и синхронный генератор, вырабатывающий трехфазное напряжение.
Такая система применяется на всех отечественных электропоездах постоянного тока, начиная с ЭР22 и заканчивая ЭД4М и ЭТ2М.
На электровозах серий ЧС вспомогательные машины получает питание от обмотки собственных нужд тягового трансформатора. Затем напряжение выпрямляется при помощи выпрямительных установок и подается на двигатели постоянного тока [7].
Недостатком системы является то, что двигатели должны иметь запас по мощности, так как при уменьшении напряжения в контактной сети до минимального значения они должны обеспечивать устойчивую работу вспомогательных агрегатов.
На электровозе установлена выпрямительная установка собственных нужд для питания вспомогательных машин выпрямленным током. После модернизации электровозов на них устанавливаются регулируемые выпрямители. Наличие дополнительного полупроводникового устройства удорожает систему и снижает общую надежность.
Асинхронные двигатели выбраны в качестве привода вспомогательных агрегатов из-за их надежности, простого устройства и менее высокой цены из-за отсутствия щеточно-коллекторного узла.
Разработка электровозов переменного тока началось в СССР в 30-е годы, а массовое внедрение - в 50-е годы 20 века. Применение асинхронных двигателей в качестве приводов вспомогательных агрегатов на этих электровозах планировалось с самого начала. Одновременно, для питания вспомогательных двигателей начались работы по разработке преобразователя «Арно» (вращающийся расщепитель фаз - РФ). Разрабатывались, изготавливались и испытывались самые различные варианты такого агрегата. Работы велись под руководством к.т.н. Н.Х.Ситника. Наиболее удачным вариантом оказалась электрическая машина НБ-450 с базовой мощностью около 100 кВт. Такой двигатель мог осуществлять питание цепей нагрузки около 40-50 кВА. Однако известные в то время конденсаторные схемы для пуска такого двигателя были непригодны из-за чрезмерно высоких пусковых токов и превышения допустимого времени пуска по термоустойчивости. [8]
На европейском тяговом подвижном составе того времени тоже использовались асинхронные двигатели в качестве вспомогательных. Для получения трехфазного напряжения использовали двигатели постоянного тока, которые во время пуска раскручивали вращающиеся РФ. Такой вариант решения проблемы рассматривался и отечественными инженерами в ВЦЗЛ НЭВЗ (ныне ВЭлНИИ). В 19,57 году к.т.н. A.M. Рутштейном было предложено техническое решение по реализации схемы однофазного асинхронного пуска такого РФ. Модификация этой схемы была применена на всех электровозах серий ВЛ60 и ВЛ80.
Изготовление таких преобразователей было дорогим, а применение такой схемы не позволяло осуществлять питание комплекса вспомогательных машин, имеющих большую суммарную мощность. Для решения этой проблемы к.т.н. Р.И. Аликиным и А.А. Суровиковым было предложено для увеличения выходной мощности преобразователя включать между выходом генераторной фазы и одним из выводов питающей сети (в зависимости от чередования фаз) конденсаторы. Таким образом, удалось увеличить суммарную мощность двигателей привода агрегатов собственных нужд до требуемой величины.
Организация таких преобразователей требовала высоких капитальных затрат и была дорогостоящей, поэтому, было принято решение об изготовлении вращающихся ФР на базе стандартных асинхронных вспомогательных двигателей. Основным отличием такого ФР от стандартного двигателя являлось то, что он имел несимметричные обмотки (рисунок 1). Чередование фаз принято следующее 1-3-2-1. Питающее напряжение подается на фазы СТ и С2 (двигательная фаза), а фаза СЗ - генераторная. вх Рисунок 1 - Схема обмоток ФР Еще одним недостатком такой системы питания является наличие самого фазорасщепителя, не выполняющего полезной механической работы.
Фазорасщепители получили название НБ-453 и НБ-455. На их валу монтировался генератор постоянного напряжения для цепей управления.
Находясь в непрерывном вращении, фазорасщепитель обеспечивал уверенный запуск мотор-компрессора, мотор-вентилятора и мотор-насоса. Однако при установившихся режимах работы системы роль ФР оказывалась незначительной.
В целях более полной унификации, позже, в качестве фазорасщепителя стали использовать обыкновенный асинхронный двигатель, такой же, как для привода компрессоров и вентиляторов.
Такая схема была принята на электровозах ВЛ85 (рисунок 2) однофазное напряжение вторичной обмотки трансформатора преобразуют в трехфазное при помощи конденсаторов С86-С88, С101, С111-С116 и фазорасщепителя М10, в качестве которого используется асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором. Конденсаторы С87, С88 используются только при запуске асинхронных машин [9].
Основным недостатком такой системы является то, что расщепление фаз с использованием вращающихся и конденсаторных фазорасщепителей обеспечивает расчетные показатели качества питающей электрической энергии лишь при напряжении, близком к синусоидальному. На практике напряжение в контактной сети имеет высшие гармоники, зачастую с достаточно большими амплитудами. При таком качестве электроэнергии конденсаторное подключение не обеспечивает нормальную работу асинхронных машин.
Наличие высших гармоник вызывает нагрев двигателей, вследствие чего происходит увеличение потерь во вспомогательном приводе и преждевременное старение изоляции из-за нагрева. Наличие токов обратной последовательности вызывает снижение момента, реализуемого вспомогательными двигателями, которое иногда приводит к тому, что двигатели не могут запуститься. Одагред выключателя
Анализ отказов электрических машин в эксплуатации
Современный подвижной состав, эксплуатируемый на железных дорогах, отвечает структуре, представленной на рисунке 9. Основные положения по представленной структуре изложены в [25].
Данная структура состоит из семи функциональных частей. Первая часть — это источник первичного питания, то есть тот источник электрической энергии, от которого получает питание все силовое оборудование локомотива или моторвагонного поезда. У электроподвижного состава это контактная сеть. Электровозы и электропоезда могут получать электроэнергию от контактной сети переменного тока 25 кВ 50 Гц, 15 кВ 16 2/3 Гц и от контактной сети постоянного тока напряжением 3 кВ, 1,5 кВ или 750 В (последнее для поездов метрополитена).
Вторая часть включает в себя функциональные элементы, преобразующие напряжение первичного источника питания. Такое преобразование требуется только при питании от контактной сети переменного тока, так как на переменном токе напряжение значительно выше, чем на постоянном. В любом случае, напряжение понижается на тяговом трансформаторе. ПСН может получать питание от обмотки собственных нужд тягового трансформатора (2.1) или питаться от промежуточного звена тягового преобразователя (2.2). Во втором случае тяговый трансформатор не имеет дополнительных обмоток и энергия, потребляемая бортовым электрооборудованием, передается через тяговые обмотки. Напряжение тяговых обмоток выпрямляется и стабилизируется при помощи входного 4-QS преобразователя тяговой цепи электровоза. Таким образом, элемент (2.2) присутствует на любых электровозах переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями, однако не при всех реализациях является функциональным элементом системы бортового электроснабжения.
Звенья 3.1, 3.2, 3.3 выполняют первичное преобразование электроэнергии для питания системы бортового электроснабжения. Третья часть может быть выполнена двумя способами: с организацией гальванической развязки токов контактной сети (3.1 - 4.1 - 5.1) и токов системы собственных нужд и без организации развязки (ветвь 3.2). Ветвь с организацией гальванической развязки более безопасна, однако более сложна, так как в ней происходит преобразование постоянного напряжения в переменное (преобразователь 3.1), затем понижение этого напряжения на разделительном трансформаторе (4.1) до необходимого напряжения, а после этого обратное преобразование в постоянное напряжение (выпрямитель 5.1). В случае применения гальванически незащищенной схемы три блока (3.1), (4.1) и (5.1) заменяются одним прерывателем напряжения (3.2).
В гальванически развязанном варианте стабилизация может выполняться либо блоком (3.1), либо блоком (5.1). Блок (5.1) так же используется, если выбрана топология с питанием собственных нужд от отдельной обмотки тягового трансформатора (2.1).
Так как геометрические размеры трансформатора, и соответственно, стоимость обратно пропорциональны частоте основной гармоники напряжения, стремятся применять напряжение повышенной частоты в несколько сотен герц, таким образом, блок (3.1) может испонять роль повышения частоты.
На некотором подвижном составе трехфазное напряжение может вырабатываться автономным инвертором напряжения (АИН) (3.3), подключенным к промежуточному звену тягового трансформатора (2.2) или контактной сети постоянного тока (1.2). АИН (3.3) как правило, выполняется блоком, стандартизированным по элементной базе и компоновочным решением с АИН, которые питают тяговые двигатели.
При формировании трехфазной сети на этапе (3.3) для понижения трехфазного напряжения применяется трехфазный трансформатор (4.2). Причем, вторичная обмотка, как правило, соединяется в треугольник для исключения токов нулевой последовательности. Трансформатор, (4.2) помимо понижения напряжения, еще исполняет роль гальванической развязки (аналогично трансформатору (4.1).
Пятая и шестая части отвечает за оконечное преобразование электроэнергии. Они присутствуют у всего тягового подвижного состава с асинхронными вспомогательными двигателями, независимо от организации предыдущих частей. Элементы (6.1) и (6.2) являются промежуточными контурами постоянного или трехфазного переменного напряжения (в зависимости от выбранной топологии схемы на каждой конкретной серии подвижного состава). Элементы (6.1) и (6.2), как правило, имеют сглаживающие устройства. Например, промежуточное звено постоянного напряжения (6.1) помимо конденсатора может иметь резонансные цепи для фильтрации сетевых гармоник (резонансный фильтр). Как правило, резонансный фильтр настраивается на частоту первой гармоники питающего напряжения, однако, могут отфильтровываться и другие гальванические составляющие. Промежуточное звено трехфазного переменного напряжения (6.2) может иметь индуктивные и активные элементы для формирования синусоидального напряжения (так называемые синус-фильтры).
От промежуточных звеньев получают питание выходные звенья преобразователей. Каждое выходное звено формирует напряжение для своей группы потребителей. АИН выполняет разделение однофазного напряжения на 3 фазы с возможностью регулирования частоты и амплитуды напряжения. На подвижном составе установлено несколько АИН. Это сделано исходя из требований по резервированию, а также потому, что некоторые АИН могут формировать напряжение постоянной частоты и амплитуды, в то время как другие - переменной.
На любом тяговом подвижном составе присутствует два вида потребителей: двигательные (8.1) и недвигательные (8.2 и 8.3). При этом недвигательные потребители разделяются на потребители постоянного (8.2) и переменного (8.3) тока.
Асинхронные двигатели (8.1) могут получать питание постоянной или изменяемой частоты в зависимости от назначения и условий работы приводимых ими агрегатов. Таким образом, при питании от промежуточного звена постоянного напряжения (6.1) модулей [7.1(1)] может быть несколько - для двигателей постоянной и переменной частоты. При питании вспомогательных двигателей от трехфазного промежуточного звена (6.2) те двигатели, которые требуют постоянной частоты, питаются напрямую, а те, которым нужна переменная частота - через трехфазный преобразователь [7.1 (2)].
Следует также отметить, что выходные звенья [7.1(1)] и [7.1(2)], формирующие переменное напряжение из промежуточного звена трехфазного напряжения (6.2) выполняют преобразование энергии в два этапа (сначала выпрямление, а затем инвертирование). Эта особенность отмечена на схеме двойной диагональной линией, а отличие от остальных преобразователей, где преобразование осуществляется в один этап (на схеме они имеют одігу диагональную линию).
Разработка математической модели трансформатора
Компрессоры не сильно меняют свой момент сопротивления в зависимости от частоты вращения. Основным фактором, которым обусловлен момент сопротивления компрессора, является противодавление. Компрессор нагнетает воздух в напорную магистраль электровоза, в которой максимальное давление может быть 0,9 МПа. При таком режиме компрессор потребляет максимальную мощность.
Однако необходимо учесть, что пуск происходит при давлении в напорной магистрали 0,6 МПа. Более того, для облегчения пуска компрессора из участка тормозной магистрали между компрессором и обратным клапаном выпускается воздух, тем самым первые несколько оборотов момент сопротивления компрессора обусловлен механическими потерями трения и нарастающим противодавлением, т.е. при пуске на противодавление 0,6 МПА компрессор начинает работать в режиме, близком к холостому. Этот режим является штатным для пуска компрессора, и он будет являться расчетным при оценке параметров пусковых процессов. Однако, согласно экспериментальным данным [37] исследования различных компрессоров, потребляемая мощность на валу коленчатого вала изменяется в пределах 10% - 15% при изменении противодавления с 0,6 МПа по 0,9 МПа. Т.е. КПД при низком противодавлении существенно снижается.
Поршневые компрессоры создают пульсирующий момент сопротивления. Также, пусковой момент сопротивления при пуске зависит от положения поршней. Однако, для упрощения расчета, будем считать, что момент сопротивления постоянен во всем диапазоне скоростей и не зависит от угла поворота вала [37].
Результаты испытаний компрессоров унифицированной серии ПК. Зная механическую мощность и частоту вращения можно найти момент сопротивления компрессора:
Количество цилиндров второй ступени сжатия 1 Как видно из таблицы 6, отличие состоит в количестве цилиндров у компрессоров ВУ 35/10 и ПК-3,5. Примем зависимость компрессора ПК-3,5 (рисунок 13) в качестве расчетной.
Произведем аппроксимацию зависимости момента двигателя от частоты вращения по линейному закону: М-а-р + Ь, (4) где М- момент сопротивления на валу двигателя Нм; р - давление на выходе компрессора, МПа; а, Ъ - коэффициенты, полученные путем линейной аппроксимации кривой на рисунке 13-рисунок 14.
Следует отметить, что согласно испытаниям ВНИИЖТа [38], пусковой момент поршневого компрессора с загустевшим маслом может превышать номинальный в 2,9-3 раза (5) составлять:
Компрессорная нагрузка при пуске компрессора с облегченным пуском. Облегченный пуск заключается в плавном увеличении противодавлении с 0 до 0,6 мПа. Момент сопротивления описывается выражением 5, при этом изменение противодавления компрессора описывается формулой:
Так как двигатели НВА-55 и АНЭ-255 имеют практически одинаковые параметры, то для исследования процессов, происходящих в двигателях, применялись рабочая (рисунок 16) характеристика и характеристика короткого замыкания АНЭ-225 (рисунок 17) [38]. Сначала выбираются рекомендуемые в [39] параметры Т-образной схемы замещения, исходя из базового сопротивления асинхронного двигателя, приблизительно определяются параметры схемы замещения, скорректированные методом последовательных приближений до соответствия рабочей характеристики двигателя. Г\
Электромеханические процессы в асинхронном двигателе привода вспомогательных агрегатов описываются системой дифференциальных уравнений, которая при общепринятых допущениях в неподвижных координатных осях, имеет вид [40]:
Однако в рассматриваемых случаях работы асинхронного двигателя питание двигателя не является симметричным, поэтому, необходимо выразить уравнения статорных цепей (первые два уравнения в системе уравнений (8) не через напряжения по действительной и мнимой оси ща и мір через линейные напряжения и ъ, иск и иве- [41] Представим схему замещения электрической и механической частей асинхронного двигателя на рисунке 18.
Целесообразность использования именно этих показателей объясняется тем, что в переходных режимах необходимо оценить пиковую токовую и механическую нагрузки, а также время нахождения двигателя в переходном режиме. Поэтому в качестве показателей качества работы в переходных режимах выбраны ударные значения момента и результирующего вектора тока. Греющий фактор определяет перегрев обмотки во время пуска.
В установившемся режиме нет смысла определять абсолютные максимальные величины, поэтому все показатели качества показывают механические или электрические величины, определенные за период питающего напряжения. В качестве показателей выбраны величины, определяющие эксплуатационные качества двигателя: механическая мощность, электрическая активная и полная мощности, пульсация электримагнитного момента; показатели определяющие качество электрической энергии пофазно: коэффициенты несинусоидальности тока и напряжения; показатели, определяющие качество питания трехфазной сети: коэффициенты несимметрии.
Получение высокого коэффициента мощности на входном преобразователе
Допустим, вектор UQA имеет такое положение, как показано на рисунке 76. Необходимо сформировать вектор UQA таким, что бы вектор U совпадал по длине и направлению с заданным вектором U . Так как конец вектора UBA совпадает к концом вектора UQA, а его начало может быть отложено только на оси Ь, то окончание результирующего вектора U определено линией, сформированной суммой векторов UQA И возможными вариантами векторов UBA (построены пунктирными линиями). Это значит, что вектор U в общем случае может быть либо сонаправлен с заданным U (как показано на рисунке 76), либо иметь с ним одинаковую длину. Таким образом, сформировать результирующий вектор напряжения U заданного направления и модуля при использовании схемы, изображенной на рисунке 69 невозможно. Данное ограничение является принципиальным недостатком данной схемы, однако для его преодаления необходимо строить систему собственных нужд с использование полной трехзвенной структуры (см. главу 1).
Исходя из пункта 4.3 можно сделать вывод, что при помощи такой топологии схемы невозможно получить равномерно вращающийся вектор результирующего напряжения с постоянным модулем. Однако, возможно выполнить лишь формирование одного синусоидального линейного напряжения Щ Если это напряжение сдвинуть относительно первой гармоники напряжения UАС на угол —, то возможно избавиться от напряжений и, соответственно, токов обратной последовательно двигателя. Способ формирования напряжения на конденсаторе С{ поясняет рисунок 77.
При таком алгоритме известен угол смещения между первой гармоникой напряжения /сн и напряжение UC{, однако необходимо определить частоту, амплитуду и фазу первой гармоники напряжения UCH.
Будем считать, что на вторичной обмотке трансформатора напряжение имеет вид, как на рисунке 39, а нагрузка на валу двигателя соответствовать расчетной.. Тогда при формировании напряжения Ucf на конденсаторе С{ описанным способом фазные токи будут иметь следующий вид:
Фазные токи двигателя при искаженном напряжении на обмотке СН тягового трансформатора и формировании синусоидального напряжения на конденсаторе d, равного первой гармонике питаюшего напряжения и сдвинутого относительно нее на 60 При этом двигатель работает со следующими показателями качества электрической энергии:
Сопоставляя таблицу 19 с таблицами 13 и 14, а рисунок 79 с рисунком 44 можно сделать вывод о том, что статический фазорасщепитель убирает токи обратной последовательности, выравнивая токи первой гармоники по всем трем фазам.
Расщепитель фаз представляет собой реверсивный преобразователь переменного тока в переменный.
Реверсивный преобразователь обладает двухсторонней проводимостью - он может передавать энергию в двух направлениях: от обмотки СН к генераторной фазе вспомогательньк двигателей и от генераторной фазы вспомогательных машин к обмотке СН. Преобразователь может быть выполнен при помощи двух вариантов инверторов двухуровневого и трехуровневого [63]. Двунаправленный инвертор функционально представляет собой 4-квадрантный преобразователь, преобразующий переменное напряжение в переменное. Двунаправленный инвертор должен формировать на входе синусоидальный ток, при прямом направлении активной энергии, совпадающей по фазе с первой гармоникой напряжения обмотки СН трансформатора, а при обратном направлении - сдвинутый на ж. [64] Структурная схема, обеспечивающее регулирование, удовлетворяющее этому условию, представлена на рисунке 81.
Блок синхронизации и задания (БСЗ) формирует задающий сигнал напряжения на конденсаторах Сі и СЇ. и с\+с2, синусоидальные сигналы с единичной амплитудой и амплитудой первой гармоники напряжения обмотки собственных нужд.
Определение фазы первой гармоники осуществляется с использованием фильтра нижних частот (ФНЧ). В качестве фильтра может быть использована LC цепь. где T=RC - постоянная времени фильтра. Необходимо, что бы фильтр не пропускал сигналы вышсих гармоник, начиная с третьей. Для этого выбирается частота среза шср фильтра. В работе частота среза принимается равной 50 Гц. Частота среза определяется как: »ср = Определение амплитуды первой гармоники напряжения Определение амплитуды и фазы первой гармоники определяется при помощи ряда Фурье, который в общем виде записывается как: м
Входной преобразователь имеет два регулятора напряжения: один из них (РН2) формирует синусоидальную составляющую тока, необходимую для поддержания заданного суммарного напряжения на конденсаторах С; и Ci . U с\(2) , регулятор напряжения РНЗ необходим для поддержания одинаково напряжения на конденсаторах: Uc\=Uci Регулятор тока выходного преобразователя (РН2) выполнен токовым коридором, имеющим структуру, представленную на рисунке 84 для двухуровневого инвертора, и на рисунке 85 - для трехуровневого. Причем токовой коридор двухуровнего инвертора имеет более простую структуру, чем трехуровневого, так как каждое плечо двухуровневого инвертора имеет только два положения и 2 ключа, против 3 положений и 4 ключей у трехуровневого инвертора.
