Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ТЯГОВЫМ ПРИВОДОМ 9
1.1. Технические характеристики асинхронных электродвигателей 9
1.2. Применение асинхронного тягового электродвигателя на подвижном составе 17
1.3. Критерии эффективности использования тягового электродвигателя в энергетической цепи 27
2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АСИНХРОННОГО ТЯГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ КАК
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА 31
2.1. Методы расчета характеристик асинхронного двигателя 32
2.2. Математическая модель асинхронного электродвигателя 35
2.3. Анализ адекватности модели асинхронного тягового электродвигателя реальному объекту 51
3. ПРЕДЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧЕ ТЕПЛОВОЗА 64
3.1. Параметры номинального режима асинхронного тягового электродвигателя при работе в энергетической цепи тепловоза 64
3.2. Обоснование критериев эффективности тягового электродвигателя при работе в энергетической цепи тепловоза 70
3.3. Определение возможной эффективности работы тягового электродвигателя в энергетической цепи тепловоза 81
3.3.1. Эффективность асинхронного привода на режимах ограничения силы тяги номинальным
моментом тягового электродвигателя 82
3.3.2. Эффективность асинхронного привода на режимах ограничения силы тяги по условию
устойчивого сцепления колеса с рельсом 90
3.3.2. Эффективность асинхронного привода на режимах ограничения силы тяги мощностью энергетической установки 97
ПОВЫШЕНИЕ ЭКОНОМИЧНОСТИ РАБОТЫ АСИНХРОННОГО ТЯГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЦЕПИ ТЕПЛОВОЗА С УЧЕТОМ ЕГО ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ 102
4.1. Влияние температуры обмоток двигателя на параметры рациональных режимов работы 102
4.2. Определение параметров рациональных режимов работы асинхронного тягового двигателя с учетом температур обмоток 114
4.2.1. Управление двигателем при ограничении силы 115 тяги по условию устойчивого сцепления колеса с рельсом 120
4.2.2.Управление двигателем при ограничении силы тяги по мощности энергетической установки
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ АСИНХРОННОГО ТЯГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ РАБОТЕ В ЭКСПЛУАТАЦИИ 132
5.1. Целевая функция для расчета эффективности работы асинхронного двигателя при работе в
эксплуатации 132
5.2. Алгоритм определения эффективности работы асинхронного двигателя в эксплуатации 134
5.3. Результаты расчета эффективности работы асинхронного двигателя в эксплуатации 144
5.4. Экономическая эффективность учета теплового состояния обмоток при работе асинхронных тяговых двигателей в эксплуатации 155
5.4.1. Методика определения экономической эффективности работы тяговых электродвигателей по интегральным показателям экономичности 155
5,4.2.. Результаты расчета экономического эффекта учета теплового состояния обмоток при работе асинхронного тягового двигателя в эксплуатации 156
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 162
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 165
ПРИЛОЖЕНИЕ
Введение к работе
В настоящее время электропривод абсолютного большинства систем может быть выполнен на основе асинхронного короткозамкнутого двигателя с тиристорным преобразователем частоты. Развитие силовой полупроводниковой техники, в частности, разработки технологий изготовления силовых запираемых тиристоров (GTO - тиристоров) и биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT - транзисторов), сделало возможным создание мощных энергетических систем с асинхронным приводом и управлением практически любой степени сложности. По сравнению с электроприводом постоянного тока достоинствами системы преобразователь частоты - асинхронный двигатель являются простота в эксплуатации и относительно низкая стоимость электродвигателя; недостатками - сложность и высокая стоимость силовой части преобразователя частоты /1,2,3/.
Одной из основных областей применения мощного управляемого электропривода является подвижной состав железных дорог.
Состояние экономики страны во многом зависят от функционирования железнодорожного транспорта. Уровень транспортного обеспечения отраслей определяется качеством железных дорог и подвижного состава.
В Программе обновления эксплуатационного парка, принятой в 2001г. на заседании локомотивной секции Научно-технического совета МПС, указано на необходимость создания нового подвижного состава на основе модульного принципа и унификации с электрической передачей переменного тока и асинхронным тяговым приводом. Поэтому повышение технических характеристик силового электрооборудования локомотивов является важным этапом развития железнодорожного транспорта.
Перспективным на настоящий момент считается и поэтапно возрастающая модернизация локомотивов с заменой, в том числе, и их энергетического оборудования.
Для решения задач модернизации существующего парка локомотивов с 1995 г. ХК ОАО «Привод» приступила к выпуску электрооборудования новых серий /4,5,6,7,8/. В основном, это электрооборудование для автономных локомотивов, которые, несмотря на широкую электрификацию, на железных дорогах мира остаются преобладающим видом тяги. Общее количество тепловозов (ПО тыс. единиц) более чем в два раза превосходит количество электровозов (42 тыс. единиц). Доля тепловозов с электрической передачей составляет около 80 % от общего парка, что соответствует приблизительно 90 тыс. находящихся в эксплуатации локомотивов 191.
До последнего времени основным элементом энергетической цепи локомотива являлся тяговый электродвигатель постоянного тока, электромеханическая характеристика которого в наилучшей степени удовлетворяет условиям тяги. Однако, коллекторные тяговые электродвигатели являются узлами с относительно низкими показателями надежности, т,к. относятся к числу наиболее напряженных машин по нагреву, механической прочности и коммутации среди электрических машин. В настоящее время во всем мире широко внедряется подвижной состав с бесколлекторными тяговыми электродвигателями, преимущественно асинхронными тяговыми электродвигателями (ТАД). Такой тяговый электропривод позволяет заметно улучшить эксплуатационные качества силового электрооборудования локомотивов: в 2...4 раза снижаются затраты на ремонт и обслуживание электродвигателей; уменьшаются их весо-габаритные показатели; за счет регулирования момента можно более эффективно использовать сцепление колес с рельсами; на номинальном режиме работы асинхронный тяговый электродвигатель по сравнению с коллекторным имеет более высокое значение кпд /10,11/.
В 1999 г. ХК ОАО «ПРИВОД» освоено производство электродвигателей для тепловозов с электрической передачей переменного тока /12/.
Первым был разработан асинхронный тяговый электродвигатель ДАТ-305, предназначенный для работы в электрической передаче модернизированного тепловоза ТЭМ 18 (ОАО «БМЗ»). К настоящему времени создана серия асинхронных тяговых электродвигателей ДАТ-510 - для модернизации тепловозов 2ТЭ10 и разрабатывается тяговый двигатель ДТА-470 - для вновь создаваемых перспективных магистральных тепловозов - ТЭА25 и ТЭА35.
Эффективное использование асинхронных ТАД в энергетических цепях локомотивов требует разработки сложных алгоритмов управления, реализуемых с использованием бортовых компьютеров. Известные методы управления двигателями, разработанные академиком М.П. Костенко, не обеспечивают приемлемых значений показателей эффективности работы ТАД в широких диапазонах изменения механического момента и частоты вращения ротора.
На современных локомотивах используются частотно-токовые системы управления ТАД, которые позволяют получить высокую экономичность его работы в эксплуатации. Однако, до настоящего времени не исследован вопрос о влиянии условий эксплуатации на алгоритм рационального управления ТАД, в частности, в какой степени тепловое состояние электродвигателя влияет на параметры рациональных режимов и показателей эффективности его работы в энергетической цепи локомотива.
В связи с этим, целью настоящей работы является повышение эффективности использования асинхронных тяговых электродвигателей в энергетических цепях локомотивов за счет учета теплового состояния обмоток при выборе рациональных режимов управления.
