Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 3
АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК АСИНХРОННЫХ 6
ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ И МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР ИХ ОБМОТОК
Обзор характеристик асинхронных тяговых 6 электродвигателей
Методы экспериментального определения температур 11 обмоток электродвигателей
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АСИНХРОННОГО 16 ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ КАК ТЕПЛОВОГО ОБЪЕКТА
Существующие методы расчета температур 16 электродвигателей
Модель асинхронного электродвигателя как 21 нестационарного теплового объекта
2.2.1 Тепловая модель электродвигателя 21
Расчет тепловыделений в узлах электродвигателя 32
Расчет теплопередачи узлов электродвигателя к 36 теплоносителю
Расчет теплопроводностей между узлами 41 электродвигателя
Модель электродвигателя как аэродинамической 43 системы
Анализ адекватности математической модели 54 асинхронного электродвигателя реальному объекту
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ 61
ПАРАМЕТРОВ АСИНХРОННОГО ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ НА НАГРЕВ ОБМОТОК
Особенности конструктивных параметров ротора 61 электродвигателя
Тепловые характеристики стержней ротора 64 электродвигателя
3.3. Распределение температур в обмотках 66
электродвигателя на номинальном режиме работы
РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО 16
СОСТОЯНИЯ АСИНХРОННОГО ТЯГОВОГО
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ В ЭКСПЛУАТАЦИИ
4.1. Динамическая модель энергетической цепи 76
локомотива
Влияние режима работы электровоза на тепловое 83 состояние обмоток электродвигателя
Влияния режима работы тепловоза на тепловое 90 состояние обмоток электродвигателя
4.4. Анализ влияния формы стержня ротора на нагревание 95
обмоток электродвигателя в эксплуатации
ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА КОНСТРУКТИВНЫХ 105 ПАРАМЕТРОВ РОТОРА АСИНХРОННОГО ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
5.1. Критерий влияния температуры обмотки 105
электродвигателя на изменение ее характеристик в
эксплуатации
5.2. Анализ влияния конструкции стержней ротора на 108
характеристики изоляции электродвигателя в эксплуатации
5.3. Расчет экономической эффективности от 115
модернизации ротора двигателя
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 121
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 124
ПРИЛОЖЕНИЕ 132
Введение к работе
На скоростном пассажирском подвижном составе зарубежных стран получил распространение асинхронный тяговый привод, основным преимуществом которого являются низкие весогабаритные показатели, невысокие затраты на обслуживание в эксплуатации, а также механическая устойчивость при плохих условиях сцепления колеса с рельсом /1,2,3/.
В Программе обновления эксплуатационного парка подвижного
состава в 2008-2012 годах, принятой в 2008 году на заседании Научно-технического совета ОАО «РЖД», указано на необходимость создания нового подвижного состава на основе модульного принципа и унификации, с электрической передачей переменного тока и асинхронным тяговым приводом /5, 6/. Новый подвижной состав должен соответствовать типажу локомотивов для железных дорог страны, утвержденному в 2002 году МПС РФ; основным требованием при этом было оснащение локомотивов асинхронным тяговым приводом /4/. Поэтому повышение технических характеристик силового электрооборудования локомотивов является важным этапом развития железнодорожного транспорта.
Одновременно с созданием новых локомотивов, перспективным направлением на настоящий момент является модернизация имеющихся локомотивов с заменой, в том числе, и их энергетического оборудования. Так на Воронежском ТРЗ производится модернизация магистральных тепловозов 2ТЭ116, в рамках которой наряду с оснащением локомотива микропроцессорной системой управления, новой кабиной с унифицированным пультом управления производится оборудование асинхронным тяговым приводом 111.
Для решения задач модернизации существующего парка локомотивов с 1995 г. заводом «Привод» (г.Лысьва), вошедшим в настоящее время в холдинг «Нефтегазовые системы», приступил к выпуску тяговых электрических машин новых серий /8,9,10,11,12/. В основном это электрооборудование для автономных локомотивов, которые, несмотря на
5 широкую электрификацию, на железных дорогах мира остаются преобладающим видом тяги. Общее количество тепловозов в мире (110 тыс. единиц) более чем в два раза превосходит общее 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 /13/.
С первых локомотивов основным элементом их энергетической цепи 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 коммутации, механической прочности и нагреванию среди электрических машин. В настоящее время во всем мире широко внедряется подвижной состав с бесколлекторными, преимущественно, асинхронными тяговыми электродвигателями (АТД). Такой тяговый электропривод позволяет заметно улучшить эксплуатационные качества силового электрооборудования локомотивов: в 2...4 раза снижаются затраты на ремонт и обслуживание электродвигателей; уменьшается его весо-габаритные показатели; за счет регулирования момента можно более эффективно использовать сцепление колес с рельсами; при хороших выходных характеристиках инвертора асинхронный тяговый электродвигатель по сравнению с коллекторным может иметь более высокое значение кпд /13,15,16/.
В 1999 г. заводом «Привод» освоено производство асинхронных тяговых двигателей для тепловозов с электрической передачей переменного тока/17/.
Первым был разработан асинхронный тяговый электродвигатель ДАТ-305, предназначенный для работы в электрической передаче модернизированного тепловоза ТЭМ18 (ОАО «БМЗ»). К настоящему времени создана серия асинхронных тяговых электродвигателей ДАТ-510 -
для модернизации тепловозов 2ТЭ10 и разрабатывается тяговый двигатель
ДАТ-470 перспективных магистральных тепловозов ТЭА25.
Опыт эксплуатации тяговых электродвигателей постоянного тока грузовых локомотивов показывает, что из-за больших нагрузок их обмотки часто перегреваются, увеличивая скорость старения изоляции. В результате наступает ее тепловой пробой и необходимость внеплановых ремонтов двигателей.
В настоящее время отсутствуют исследования, посвященные анализу теплового состояния обмоток тяговых асинхронных двигателей в эксплуатации, поскольку низкие нагрузки и высокая интенсивность охлаждения электродвигателей пассажирских локомотивов делают маловероятным их отказ по причине теплового пробоя изоляции. Асинхронный тяговый привод грузовых локомотивов работает на более тяжелых режимах при меньшей интенсивности охлаждения, чем электродвигатели пассажирских локомотивов, поэтому можно ожидать перегрева его обмоток, как и у электродвигателей постоянного тока. В связи с этим, актуальной является задача изучения тепловых режимов АТД в эксплуатации для поиска путей снижения интенсивности старения изоляции их обмоток.
В связи с этим целью настоящей работы является разработка методов прогнозирования температурных нагрузок АТД в эксплуатации и выбора рациональных конструктивных параметров их обмоток, обеспечивающих снижение интенсивности старения изоляции по тепловому фактору.
В ней решены следующие частные задачи:
разработана математическая модель асинхронного электродвигателя как нестационарного теплового и аэродинамического объекта;
проведены многофакторные исследования по определению влияния режимов работы АТД на распределение температур в его узлах;
проведены исследования по влиянию профиля стержня ротора АТД на распределение температур в его обмотках;
разработана динамическая модель движения локомотива с электрической передачей переменного тока для исследования температурных режимов и процессов старения изоляции обмоток АТД с учетом конкретных условий эксплуатации;
- выполнен прогноз по старению изоляции обмоток АТД локомотивов в
эксплуатации при различных профилях стержней ротора;
- даны рекомендации по выбору профиля стержней ротора АТД
локомотива, обеспечивающего в эксплуатации максимальный ресурс
изоляции обмотки статора по тепловому фактору.
Научные выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, обоснованы применением современных методов экспериментального исследования и математического моделирования с помощью средств вычислительной техники. Достоверность результатов расчетов подтверждена их сходимостью с результатами экспериментальных исследований АТД, выполненных в лаборатории кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» Московского государственного университета путей сообщения (г.Москва), п/я Г-4847, заводом "Электротяжмаш-Привод" (г.Лысьва), во Всесоюзном научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ, г.Москва).
Результаты работы внедрены на заводе «Электротяжмаш-Привод» ХК «Нефтегазовые системы» и используются при разработке тяговых электродвигателей тепловозов.
Основные положения диссертации обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях Московского государственного университета путей сообщения «Безопасность движения поездов» (Москва 2004г., 2007г.), «Неделя науки» (Москва 2004г.), «Trans-Mech-Art-Chem» (Москва 2008г.).
