Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы энергосбережения в цепях вспомогательных машин электровозов переменного тока
1.1. Основные направления экономии энергетических ресурсов в цепях вспомогательных машин электровозов переменного тока 12
1.2. Анализ состояния исследований по энергосбережению на основе управления производительностью вентиляторов электровозов переменного тока 15
1.3. Современные способы и технические средства управления производительностью вентиляторов электровозов переменного тока 30
2. Исследование случайных величин, определяющих режимы работы мотор-вентиляторов магистральных электровозов переменного тока
2.1 Статистические характеристики тока якоря тяговых электродвигателей электровозов пе ременного тока при вождении поездов различной массы 43
2.2Статистические характеристики превышения температуры обмотки якоря тяговых электродвигателей электровозов переменного тока над температурой окружающего воздуха 52
2.3. Статистические характеристики системы случайных величин, определяющих производительность вентиляторов электровозов 59
2.4.Зависимость производительности вентиляторов от функции совместной плотности распределения системы случайных величин 69
3. Расчет тепловых параметров тяговых электродвигателей электровозов при управлении производительностью вентиляторов
3.1. Тепловые параметры тягового электродвигателя НБ-514 72
3.2. Определение тепловых параметров тяговых электродвигателей при изменении количества охлаждающего воздуха 16
3.3. Уточнение тяговых расчетов с использованием статистических характеристик случайных величин при управлении производительностью вентиляторов электровозов переменного тока 86
4. Разработка системы управления производительностью вентиляторов электровозов переменного тока
4.1. Энергетические характеристики электропривода с полупроводниковым преобразователем 91
4.2. Математическая модель энергетических процессов в системе: полупроводниковый преобразователь частоты - асинхронный электродвигатель 103
4.3. Преобразователь частоты для управления производительностью вентиляторов электровозов переменного тока 111
4.4. Схемы электровоза ВЛ85 с преобразователем частоты 50/25 Гц 117
4.5. Размещение оборудования силовых цепей, цепей управления и преобразователя частоты ПЧ 50/25 в кузове электровоза ВЛ85 124
5. Технико-экономическая эффективностьпреобразователя частоты
5.1. Определение сметной стоимости оборудования системы управления производительностью вентиляторов 127
5.2. Определение дополнительных эксплуатационных расходов 130
5.3. Определение экономической эффективности внедрения 132
Выводы 136
Библиографический список 138
приложения 150
- Современные способы и технические средства управления производительностью вентиляторов электровозов переменного тока
- Статистические характеристики системы случайных величин, определяющих производительность вентиляторов электровозов
- Определение тепловых параметров тяговых электродвигателей при изменении количества охлаждающего воздуха
- Преобразователь частоты для управления производительностью вентиляторов электровозов переменного тока
Введение к работе
Работа железнодорожного транспорта и электроподвижного состава в частности в современных условиях имеет ряд особенностей, связанных с новыми экономическими отношениями в стране, с изменяющимися объемами перевозок, особенно грузовых. Резко обострилась проблема снижения эксплуатационных расходов, в том числе уменьшения затрат на неплановые ремонты электровозов, экономии электроэнергии. На первый план выдвигаются задачи по внедрению ресурсосберегающих технологий и технических средств, которые получили отражение в следующих документах: в отраслевой «Программе энергосбережения на железнодорожном транспорте в 1998 — 2000 г. и на период до 2005 года», утвержденной МПС России в 1998 году; в указании МПС от 4 марта 1999 г. № 88у «О реализации программы ресурсосбережения на 1999 г.»; в Постановлении Коллегии МПС от 24-25 декабря 1999 г. № 23. В локомотивном хозяйстве и, в частности, при эксплуатации электроподвижного состава (ЭПС) имеются значительные резервы в ресурсосбережении.
Одним из решений указанной проблемы является разработка системы управления мощностью мотор-вентиляторов (MB) электровозов переменного тока на основе исследования случайных величин, определяющих режимы работы MB. Для этого необходима разработка математической модели энергетических процессов в электрических цепях вспомогательных машин и разработка технических решений, обеспечивающих энергосбережение и позволяющих снизить отказы оборудования тягового привода.
Электропривод, являясь энергосиловой основой современного производства, потребляет около 60 % всей вырабатываемой электроэнергии. Среди промышленных электроприводов преобладают трёхфазные асинхронные ко-роткозамкнутые электроприводы [1]. Асинхронный короткозамкнутый двигатель (АД), как известно, по сравнению с двигателем постоянного тока при одной и той же мощности и номинальной частоте вращения в 1,5-2 раза легче,
момент инерции его ротора более чем в 2 раза меньше и стоимость его существенно ниже - примерно в 3 раза [2]. АД, будучи бесконтактной машиной, является более надёжным в сравнении с машиной постоянного тока, имеющей коллектор, который осложняет эксплуатацию и ограничивает по условиям коммутации динамические нагрузки. По прогнозам к 2010 году на Европейском рынке из общего числа продаваемых регулируемых приводов, электроприводы переменного тока составят 70 - 75 %, а электроприводы постоянного тока составят только 10 - 12 %, остальная доля придётся на механические и гидравлические приводы.
Центробежные вентиляторы, насосы и компрессоры объединяются в один класс нагрузочных механизмов для электропривода - турбомеханизмы, так как их характеристики с точки зрения требований и условий работы электропривода имеют много общего. Около 25 % всей вырабатываемой электроэнергии расходуется на электропривод турбомеханизмов [1]. Большая часть электроприводов указанных механизмов является нерегулируемыми. С помощью регулирования частоты вращения для изменения расхода по сравнению с дросселиванием достигается значительный потенциал сбережения энергии. Если момент вращения - квадратическая функция частоты вращения, то мощность на валу двигателя уменьшается в кубической зависимости при снижении частоты вращения. Экономическая выгода частотного управления асинхронными двигателями особенно существенна для приводов повторно-кратковременного режима, приводов с длительной нагрузкой и высокоскоростных механизмов. В настоящее время это широко используется для привода насосов, вентиляторов и турбокомпрессоров с асинхронными двигателями [3].
С начала 70-х годов не возникает сомнений в возможности и целесообразности создания и серийного выпуска статических преобразователей частоты на тиристорах, которые отличаются высокими энергетическими показателями, повышенной надёжностью, большим быстродействием, бесшумностью, и обеспечивают на выходе требуемое соотношение между частотой и амплитудой на-
7 пряжения как в статических, так и в динамических режимах [4, 5].
В настоящее время в мировой практике для этой цели широко используется частотно-управляемый асинхронный электропривод со стандартными АД общего применения. Это обусловлено появлением на западном рынке большого количества совершенных и относительно недорогих преобразователей частоты, построенных на современной элементной базе.
Эффект внедрения регулируемого электропривода для турбомеханизмов можно легко представить из сопоставления потребляемой мощности при различных способах регулирования производительности, которое показывает, что при расходе воздуха в объёме 50 % расчётного максимума требуемая мощность при дросселировании составляет 73 %; при использовании запорно-регулирующей арматуры — 50 %; а при регулировании частоты вращения — всего 14 % от номинальной мощности [1]. Таким образом, применение регулируемого электропривода турбомеханизмов позволяет создать новую технологию энергосбережения, в которой экономится не только электроэнергия, но и сберегается тепловая энергия и сокращается расход воды за счёт утечек её при превышении давления в магистрали, когда расход мал.
Проблемам улучшения показателей качества электрической энергии в цепях вспомогательных машин электровозов, разработке преобразователей электрической энергии, исследованию условий работы трехфазных асинхронных электродвигателей на электроподвижном составе посвятили свои труды многие видные отечественные ученые и специалисты. Следует отметить работы современных ученых: О.А. Некрасова, В.Е. Розенфельда, Л.М. Трахтмана, Б.Н. Тих-менева, В.Н. Лису нова, В.П. Феоктистова, А.В. Плакса, Д. Д. Захарченко, Н.А. Ротанова, А.Л. Лисицина, А.С. Курбасова, Л.А. Мугинштейна, В.И. Бочарова, В.В. Кравчука, Л.В. Маханькова, М.А. Козорезова, О.А. Маевского, A.M. Рутштейна, В.П. Янова и других. Большое количество научных разработок и технических средств по созданию систем преобразования числа фаз и частоты для вспомогательных машин на уровне изобретений выполнено кол-
8 лективами ученых и специалистов ВЭлНИИ, ВНИИЖТа, МГУПСа (МИИТа),
ПГУПСа (ЛИИЖТа), ОмГУПСа (ОмИИТа), ИрГУПСа (ИрИИТа), ДВГУПСа
(ХабИИЖТа) и др.
Данная работа посвящена одному из возможных направлений экономии электроэнергии в локомотивном хозяйстве, а именно - энергосбережению в цепях вспомогательных машин электровозов переменного тока на основе управления производительностью вентиляторов.
В первой главе работы проанализированы условия эксплуатации вспомогательных машин и электрооборудования электровозов переменного тока в штатном режиме работы MB и при управлении производительностью вентиляторов. Изучены вопросы преимущества использования пониженной частоты напряжения MB электровозов переменного тока при вождении поездов. Рассмотрены принципы, на которых целесообразно строить систему переключения электродвигателей вентиляторов с одной частоты тока на другую. Выполнен анализ современных способов и технических средств управления производительностью вентиляторов электровозов переменного тока. Сформулированы цель работы и задачи исследования.
Во второй главе рассмотрены факторы, определяющие режимы работы MB электровозов переменного тока. Выполнен статистический анализ случайных величин, влияющих на режим работы электрооборудования электровозов переменного тока. Получены статистические характеристики тока якоря и превышения температуры его обмотки. Определены статистические характеристики системы случайных величин и зависимость производительности вентиляторов от функции совместной плотности распределения системы случайных величин.
В третьей главе разработана методика оценки нагревания обмоток тяговых электродвигателей (ТЭД), которая позволяет выполнять новые и уточнять существующие тяговые расчеты (ТР) в разделе проверки электродвигателей на нагревание для случаев вождения поездов электровозами переменного тока,
9 оборудованными устройствами управления производительностью вентиляторов; а также оптимизировать алгоритм управления производительностью вентиляторов для предотвращения нагрева обмоток ТЭД свыше предельного значения и обеспечить максимальную экономию электроэнергии.
В четвертой главе описаны разработанные технические средства для стабилизации температурного режима электрооборудования тягового привода электровозов переменного тока - преобразователь частоты 50/25 Гц и система управления производительностью вентиляторов; модернизированные схемы электровоза ВЛ85 с преобразователем частоты 50/25 Гц, приведены математическая модель энергетических процессов в системе «полупроводниковый преобразователь частоты — асинхронный электродвигатель»; решение задачи по размещению преобразователя, оборудования цепей управления и силовых цепей системы управления производительностью вентиляторов в кузове электровоза ВЛ85, разработанные энергетические характеристики электропривода с полупроводниковым преобразователем.
В пятой главе выполнен расчет технико-экономических показателей, доказывающий эффективность технических решений по экономии электроэнергии в цепях вспомогательных машин электровозов переменного тока.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
обоснован алгоритм управления производительностью вентиляторов для обеспечения экономии электроэнергии и предотвращения нагревания обмоток тяговых электродвигателей свыше предельного значения на основе оценки факторов, влияющих на нагревание тяговых электродвигателей магистральных электровозов переменного тока;
определены пороговые значения изменения частоты напряжения на обмотках статоров электродвигателей вентиляторов при ступенчатом управлении производительностью вентиляторов с использованием статистических характеристик случайных величин;
разработана методика, позволяющая уточнять тяговые расчеты в разделе проверки тяговых электродвигателей на нагревание для случаев вождения поездов электровозами переменного тока, оборудованными устройствами управления производительностью вентиляторов;
разработаны преобразователь частоты напряжения на обмотках статоров асинхронных двигателей и система управления производительностью вентиляторов электровоза ВЛ85.
Практическая ценность работы заключается в том, что полученные статистические характеристики системы случайных величин, позволяют определить режимы работы MB электровозов переменного тока для экономии электроэнергии. Разработана методика оценки нагревания обмоток ТЭД для уточнения существующих и выполняемых вновь ТР в разделе проверки тяговых электродвигателей на нагревание при вождении поездов электровозами переменного тока, оборудованными устройствами управления производительностью вентиляторов; обоснован алгоритм управления производительностью вентиляторов для экономии электроэнергии, не допускающий нагрева обмоток ТЭД свыше предельного значения. Преобразователь частоты напряжения на обмотках статоров асинхронных двигателей вентиляторов с 50 на 25 Гц обеспечивает энергосбережение в цепях вспомогательных машин и повышает ресурс электрооборудования тягового привода, что, в итоге, приводит к сокращению эксплуатационных расходов.
Реализация результатов:
- разработанная методика оценки нагревания обмоток ТЭД, уточняющая
ТР в разделе проверки тяговых электродвигателей на нагревание для случаев
вождения поездов электровозами переменного тока, оборудованными устрой
ствами управления производительностью вентиляторов используется для со
вершенствования учебного процесса на кафедре «Электроподвижной состав»
ИрГУПСа;
- опытный образец преобразователя частоты 50/25 Гц испытан на электровозе ВЛ85 № 085 приписки локомотивного депо ст. Нижнеудинск ВСЖД. Продолжаются работы по совершенствованию конструкции системы управления и силовой части электрической схемы управления MB;
- система управления тиристорным преобразователем частоты 50/25 Гц используется в учебном процессе на кафедре «Электроподвижной состав» ИрГУПСа.
Достоверность результатов исследований, разработашіьіх методик расчета и эффективность технических решений обоснована теоретически и подтверждена оценкой адекватности теоретических и экспериментальных исследований. Погрешность расчетных значений, не превышающая 10 %, определена на основании F-критерия Фишера.
Апробация работы: основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались и обсуждались на кафедре «Электроподвижной состав» ИрГУПСа (2000 и 2004 гг.), на кафедре «Подвижной состав электрических железных дорог» ОмГУПСа (2004 г.), на выставке Сибэкспоцентра «Энергосбережение: технологии, приборы, оборудование» (Иркутск, 2002 и 2004 гг.), на 33-м Уральском семинаре «Механика и процессы управления» (Миасс,
г.), на 7-й всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2003 г.), на международной конференции «Энергосберегающие технологии и окружающая среда» (ИрГУПС,
г.), на второй международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (Тобольск, 2004 г.).
Публикации: по результатам выполненных исследований опубликовано 6 статей в сборниках научных трудов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка из 112 наименований, четырех приложений. Содержит 149 страниц основного текста, 19 таблиц и 38 рисунков.
Современные способы и технические средства управления производительностью вентиляторов электровозов переменного тока
За рубежом различные системы регулирования производительности вентиляторов разработаны, изготовлены и успешно эксплуатируются на электровозах постоянного и переменного тока уже давно (электровозы типов ВВІ6920, 59Е, ВВ342, ЧС7, ЧС8, ВВ1500, СС 14003, Е120 и др.). Экономическая целесообразность применения таких систем на отечественных магистральных электровозах, как показано выше, также давно доказана и неоднократно подтверждалась результатами теоретических и экспериментальных исследований, про 31 веденных во ВНИИЖТе, ВЭлНИИ и других организациях. Однако, практической реализации на электроподвижном составе до недавнего времени не находил ни один из известных способов, позволяющих привести в соответствие нагрев и интенсивность охлаждения тягового электрооборудования. Связано это в основном с тем, что до последнего времени не удавалась их реализация без снижения надёжности электровоза в целом.
Каждый из вариантов тиристорных преобразователей обладает теми или иными достоинствами и недостатками. В частности, применение автономного инвертора напряжения позволяет осуществить плавное регулирование частоты вращения вентиляторов и соответственно получить наибольшую экономию электроэнергии. В то же время такой преобразователь имеет ряд недостатков: высокую мощность (она должна соответствовать номинальной мощности системы привода); двукратное преобразование энергии — выпрямление тока и последующее инвертирование, как следствие - большие дополнительные потери; сложность схем силовых цепей и цепей управления.
В качестве одного из вариантов для получения пониженной частоты был использован однофазно-трёхфазный преобразователь частоты на базе разработанного ВЭИ им. В. И. Ленина преобразователя типа АОТР [43]. Этот преобразователь позволяет осуществлять питание трехфазЕШХ потребителей при наличии однофазной питающей сети. При питании преобразователя напряжением промышленной частоты на выходе формируется трехфазное, практически сим 2 метричное напряжение частотой 16— Гц. Силовая схема преобразователя показана на рис. 1.4. Она состоит из трех одинаковых тиристорных ячеек, выполненных по схеме однофазных мостов. Со стороны переменного тока мосты подключены к источнику однофазного питающего напряжения, а на выходе каждого поста включено по два реактора. Тиристоры ТІ, Т2, Т5, Т6, Т9, Т10 образуют катодные пары и формируют положительные полуволны выходного напряжения, а тиристоры ТЗ, Т4, Т7, Т8, Т11/П2 образуют анодные пары и формируют отрицательные полуволны. Ре Выходные напряжения и токи формируются при совместной работе всех трех ячеек преобразователя. Как видно из представленных на рис. 1.4 осциллограмм выходных фазных напряжений, каждая кривая состоит из отрезков синусоид, имеющих частоту 50 Гц и амплитуды, равные 1/3 и 2/3 входных; при этом угол сдвига между фазами составляет 120.
В отличие от преобразователей с плавным регулированием частоты и напряжения описываемый преобразователь чрезвычайно прост, так как коммутация тока тиристоров происходит за счет напряжения сети, т. е. естественным образом. По принципу работы он близок выпрямительной установке. Расположение тиристорного преобразователя частоты и числа фаз в схеме силовых цепей системы вспомогательных машин электровоза BJ180 показано на рис. 1.5.
Основным недостатком схемы является относительная сложность привода и склонность к опрокидыванию преобразователя при низких значениях cos ф, а также наличие дополнительного трансформатора и большое количество силовых полупроводниковых приборов. Система обеспечивает благоприятные режимы работы приводных электродвигателей, как при нормальной, так и при пониженной частоте вращения, не требует увеличения емкости симметрирующих конденсаторов.
Чтобы установить работоспособность и определить основные параметры системы управления производительностью вентиляторов, осенью 1969 г. были проведены испытания совместной работы преобразователя типа АОТР с асинхронными электродвигателями АЭ92-4 в условиях экспериментального кольца ЦНИИ МПС на электровозе ВЛ80К № 595. Так как испытания проводились непосредственно на электровозе, т. е. при реальных аэродинамических сопротивлениях воздуховодов, то моменты сопротивления на валах мотор-вентиляторов были близки к тем, которые наблюдаются в эксплуатации [64]. После определения основных параметров системы регулирования производительности вентиляторов исследователями были изготовлены понижающий трансформатор и макетный образец преобразователя, состоящим из 12 тиристоров типа ТЛ2-150/6 и шести однообмоточных реакторов. Стационарные испытания в 1971 г. [64] в условиях экспериментального кольца ЦНИИ МПС показали, что при питании мотор-вентиляторов одной секции электровоза ВЛ80К от преобразователя АОТР потребляемая ими суммарная мощность с учетом потерь в понижающем трансформатор и преобразователе составляет 6 — 7 кВт, т. е. снижается более чем в 16 раз по сравнению с режимом питания от источника напряжения 380 В, 50 Гц. При питании электродвигателей вентиляторов номинальным напряжением частотой 50 Гц количество охлаждающего воздуха по ТЭД составило 125 - 140 м3 /мин. В режиме питания MB от преобразователя производительность их снизилась в 3 раза - на каждый ТЭД приходи-лось соответственно по 41 - 43 м /мин.
Позже, в 1972 году на ВСЖД проводились испытания электровоза ВЛ80К № 588 с графиковыми грузовыми поездами. Испытания показали, что система управления производительностью вентиляторов обеспечивает заметную экономию электроэнергии. Даже при вождении полновесных поездов доля сэкономленной энергии от расходуемой на тягу находится в пределах 1,31-3,87%.
Статистические характеристики системы случайных величин, определяющих производительность вентиляторов электровозов
Рассматриваемая система случайных величин содержит непрерывно изменяющиеся уровни тока якоря ТЭД и превышения температуры обмоток. Распределение системы непрерывных величин характеризуется плотностью распределения, а свойства системы случайных величин определяются свойствами отдельных величин, входящих в систему. Кроме того, свойства системы случайных величин в значительной мере определяются зависимостями между случайными величинами. Нормальный закон на плоскости полностью определяется пятью параметрами: двумя координатами рассеивания тх, ту, двумя сред-неквадратическими отклонениями ох, о\ и одним коэффициентом корреляции гху [69].
Плотность распределения уровня т преобразована к нормальному распределению с помощью выражения (2.26). Плотность распределения уровня I преобразована к нормальному распределению с помощью выражения (2.1).
Центр эллипса рассеивания (эллипса равной плотности) системы случайных величин Y и X определяется координатами центров рассеивания каждой из случайных величин mY и nix Вероятность P(X,Y) нахождения системы случайных величин в интервалах Хт[П Х Хтах и Ymin Y Ymax молено найти, воспользовавшись нормированной функцией Лапласа O(Z) [76] и вычислив объем фигуры (рис. 2.9), заключенный между поверхностью f(X, Y), плоскостью XOY и пределами X, Y:
Уравнение (2.45) является уравнением одной из главных осей эллипса рассеивания (рис. 2.10), который получается сечением поверхности нормального распределения системы случайных величин f(X, Y) плоскостью, параллельной плоскости XOY.
Определение тепловых параметров тяговых электродвигателей при изменении количества охлаждающего воздуха
Внедрение новых технологий и техники на ЭПС предполагают обеспечение их прикладными программами для проведения предварительных расчётов и составления прогноза результатов использования. При разработке программного обеспечения опираются на нормативы и правила, которые не всегда своевременно корректируются. Так, действующими «Правилами тяговых расчетов для поездной работы» (ПТР-85), предусматривается проверка тяговых электродвигателей на нагревание. При этом исходят из того, что тепловые параметры ТЭД принимают при номинальном количестве охлаждающего воздуха.
В последние годы на электровозах переменного тока устанавливаются системы управления производительностью вентиляторов с целью экономии электроэнергии на их привод за счет уменьшения потребляемой мощности.
Управление осуществляется ступенчатым снижением частоты питающего на 2 пряжения с 50 до 16—Гц, исходя из условия, что превышения температур охлаждаемого электрооборудования не превышают значений, регламентируемых стандартом. НЭВЗом выпущен в эксплуатацию пассажирский электровоз ЭП-1 с преобразователем частоты и числа фаз ПЧФ-136. На электровозах ВЛ85 и ВЛ80Т, С, Р внедряется система автоматизированного управления вентиляторами - САУВ. Также существуют разработки плавного управления производительностью вентиляторов на ЭПС [19]. Всё это определяет необходимость корректировки ПТР-85 в разделе проверки тяговых электродвигателей на нагревание с учётом изменения количества охлаждающего их воздуха. Кроме того, при управлении производительностью вентиляторов, возникает необходимость оптимизации алгоритма этого процесса в пути следования для предотвращения нагрева обмоток ТЭД свыше предельного значения и, одновременно, максимальной экономии электроэнергии.
Проверка тяговых электродвигателей на нагревание выполняется с использованием тепловых параметров ТЭД, которыми являются установившееся превышение температуры т» и постоянная времени нагрева Т [77, 87, 88]. Превышения температуры обмоток тяговых электрических машин определяют по графикам, показывающим зависимость превышения температуры т от времени t при определённых значениях тока и номинальном количестве охлаждающего воздуха. Эти графики строят по результатам тепловых испытаний тяговых электрических машин на стенде [85]. При постоянной нагрузке измеряют температуры обмоток через определённые промежутки времени и наносят на график. Затем подобные графики строят при других токах.
Такие испытания были проведены в ВЭлНИИ, их объектом стал тяговый электродвигатель НБ-514 № 624 [86]. Целью испытаний являлось снятие и построение сеток кривых нагревания и охлаждения тягового электродвигателя НБ-514 на пульсирующем токе при различном количестве охлаждающего воздуха и без вентиляции.
Тяговый электродвигатель НБ-514 предназначен для установки на электровозы переменного тока и представляет собой шестиполюсную компенсированную электрическую машину пульсирующего тока с опорно-осевой подвеской. Возбуждение двигателя - последовательное, вентиляция - независимая. Крепление обмотки якоря и компенсационной обмотки - клиновое. Катушка добавочного полюса помещена в алюминиевую обойму из профильного проката и крепится алюминиевым клином. Сердечники якоря главных и добавочных полюсов шихтованные из листов электротехнической стали марки 2212 толщиной 0,5 мм. Нагревостойкость изоляции всех обмоток двигателя по классу изоляции F. Тяговый электродвигатель НБ-514 имеет технические данные, представленные в таблице 3.1.
Измерение сопротивления обмоток производилось методом вольтметра и амперметра приборами класса точности 0,5. Значения сопротивлений, приведённых к температуре 20 С, представлены в таблице 3.2.
Режимы нагревания и охлаждения проводились при р = 98 % на пульсирующем токе по схеме взаимной нагрузки с линейным генератором. Испытания заключались в определении превышения температур обмоток двигателя над охлаждающим воздухом и величины нагрева коллектора. Превышение температур определялись при различных токах якоря и различном количестве охлаж 75 дающего воздуха методом сопротивления в соответствии с [89]. Температура коллектора, охлаждающего и окружающего воздуха измерялась ртутными термометрами. Количество продуваемого через двигатель воздуха контролировалось с помощью водяного манометра по величине статического давления в коллекторной камере в соответствии с кривой Нет (Q).
Преобразователь частоты для управления производительностью вентиляторов электровозов переменного тока
Принципиальная электрическая схема преобразователя частоты 50/25 Гц (рис. 4.6) разработана на основе системного анализа нескольких факторов. Результаты анализа статистических характеристик случайных величин, позволили определить производительность вентиляторов и частоту напряжения на обмотках статора асинхронных электродвигателей. Тяговые расчеты позволили находить продолжительность работы мотор-вентиляторов с определенной производительностью при вождении поездов. Рекомендации по преобразованию частоты и действующего напряжения получены с помощью разработанной математической модели энергетических процессов частотно-управляемого асинхронного электропривода с полупроводниковым преобразователем.
В первый полупериод напряжения на входе преобразователя UBX тиристоры VS и VS2 находятся в проводящем состоянии, а на выходе преобразователя частоты формируется положительный полупериод напряжения UBUXi, которое прикладывается к обмоткам статора асинхронных электродвигателей первой группы мотор-вентиляторов. Когда напряжение UBX в конце первого полупериода снизится до нуля тиристоры VS) и VS2, после снижения в них тока до величины удержания, перейдут в непроводящее состояние, а на обмотках статора электродвигателей первой группы мотор-вентиляторов напряжение равно нулю в течение второго полупериода напряжения UBX. В третий полупериод напряжения UI!X в проводящее состояние переводятся тиристоры VS5 и VS6, а на выходе преобразователя частоты формируется отрицательный полупериод напряжения UDMX, которое прикладывается к обмоткам статора асин 112 хронных электродвигателей первой группы мотор-вентиляторов. В концетретьего полупериода напряжение Unx снизится до нуля и, затем, тиристоры VS5, VSe перейдут в непроводящее состояние. В течение четвертого полупериода напряжения на входе преобразователя UBX напряжение на обмотках статора электродвигателей первой группы мотор-вентиляторов равно нулю. Таким образом, за два периода напряжения на входе преобразователя UBX на обмотках статора электродвигателей первой группы мотор-вентиляторов формируется один период напряжения UBljlxl, а его действующее значение в 2 раза меньше действующего напряжения UBX (рис. 4.7).
Во второй полупериод напряжения UBX тиристоры VS3 и VS4 переходят в проводящее состояние и на выходе преобразователя формируется положительный полупериод напряжения UBblX2, которое прикладывается к обмоткам статора электродвигателей второй группы мотор-вентиляторов. В конце второго полупериода UBX напряжение снижается до нуля и тиристоры VS3, VS4 переходят в непроводящее состояние. В течение третьего полупериода UBX напряжение ивых2 ЕШ обмотках статора электродвигателей второй группы мотор-веЕїтиляторов равно Еіулю. В четвертый полупериод напряжения на входе преобразователя UBX тиристоры VSy и VSs переводятся в проводящее состояние, и формируется отрицательный полупериод Еіапряжения UBblX2 на обмотках статора электродвигателей второй группы мотор-веїЕТиляторов. В конце четвертого полупериода Еіапряжения на входе преобразователя создаются потенциальные условия для запирания тиристоров VS7, VS». В течение следующего полупериода напряжения на входе преобразователя, напряжение UBI,1X2 на обмотках статора электродвигателей второй группы мотор-вентиляторов равно нулю. Следова 114 тельно, за два периода напряжения на входе преобразователя UBX формируетсяодин период переменного напряжения 1ЛЫХ2. По фазе переменное напряжение UBI [X смещено относительно напряжения UBbfX2 на половину периода напряжения на входе преобразователя.
Преобразователь частоты (рис. 4.6) с ранее изложенным алгоритмом работы позволяет обеспечивать достаточно высокую энергетическую эффективность Кп « 1, форма тока на входе преобразователя близка к синусоидальной. Повышение надежности разработанного преобразователя частоты по сравнению с аналогами достигается за счет естественной коммутации тиристоров. В штатном режиме на обмотки статоров всех электродвигателей мотор-вентиляторов прикладывается напряжение UBX с частотой 50 Гц и номинальным действующим значением. При этом обмотки статора электродвигателей включены параллельно. При снижении температуры изоляции тягового электрооборудования до минимального заданного значения с помощью преобразователя частота и действующее значение напряжения на обмотках статора снижается в 2 раза. Обмотки статора электродвигателей одной группы мотор-вентиляторов соединяются последовательно во времени с обмотками статора электродвигателей другой группы мотор-вентиляторов к источнику напряжения UBX. Эквивалентное электрическое сопротивление при последовательном соединении электродвигателей, подключенных к источнику энергии с напряжением UBX, увеличивается и, наоборот, при параллельной работе всех электродвигателей их общее эквивалентное электрическое сопротивление снижается. Таким образом, устройством выполняется изменение частоты и действующего значения напряжения и входного электрического сопротивления электропривода, а разработанный полупроводниковый преобразователь можно назвать преобразователем напряжения, частоты и электрического сопротивления, что является существенным его отличием от отечественных и зарубежных аналогов.
