Содержание к диссертации
Введение
1. Повышение тяговых свойств электровозов за счет увеличения жесткости тяговых характеристик 10
1.1. Экспериментальная оценка загруженности электровозов по сцеплению 10
1.2. Влияние жесткости тяговой характеристики на тяговые свойства электровозов 12
1.3. Электрические схемы электровозов с повышенной жесткостью тяговых характеристик 15
1.4. Повышение тяговых свойств электровозов при помощи накопителей энергии 32
1.5. Постановка цели и задач исследования 41
2. Электромеханические процессы в тяговом приводе с накопителем энергии 43
2.1. Уравнение механического переходного процесса при боксовании 43
2.2. Уравнения электрического переходного процесса при боксовании 48
2.3. Решение уравнений переходного процесса при боксовании 51
3. Исследование электромеханических процессов в тяговом приводе с накопителем энергии с использованием математической модели 56
3.1. Влияние накопителя энергии на процесс боксования при снижении коэффициента сцепления 56
3.2. Влияние накопителя энергии на процесс боксования при уменьшении мгновенного значения нагрузки на ось колесной пары 78
4. Экспериментальное исследование процессов боксования тягового привода с накопителями энергии 87
4.1. Исследование процессов боксования тягового привода с накопителями энергии на стенде 87
4.2. Исследование процессов боксования тягового привода с накопителями энергии на электровозе 2ЭС5К 96
4.3. Определение массо-габаритных характеристик накопителя энергии 109
Результаты и выводы по диссертации 112
Список литературы 115
Приложение А. Зависимости коэффициента использования потенциального сцепления от параметров накопителя энергии при различной периодичности подачи песка 128
Приложение Б. Выдержки из «Программы и методики эксплуатационных испытаний грузового электровоза 2ЭС5К на Восточно-Сибирской железной дороге» 131
Приложение В. Схема силовых цепей электровоза 2ЭС5К с накопителем энергии 133
Приложение Г. Акт об оборудовании электровоза 2ЭС5К накопителем энергии 134
Приложение Д. Осциллограммы опытов боксования электровоза 2ЭС5К 135
Приложение Е. Выдержки из «Отчета по эксплуатационным испытаниям электровоза 2ЭС5К» 139
- Электрические схемы электровозов с повышенной жесткостью тяговых характеристик
- Влияние накопителя энергии на процесс боксования при снижении коэффициента сцепления
- Исследование процессов боксования тягового привода с накопителями энергии на стенде
- Исследование процессов боксования тягового привода с накопителями энергии на электровозе 2ЭС5К
Введение к работе
Актуальность работы
Одной из основных задач, предусмотренных «Стратегией развития железнодорожного транспорта в РФ до 2030 года», является создание достаточных провозных способностей и необходимых резервов для полного удовлетворения спроса на перевозки. Максимальная сила тяги современных локомотивов, как правило, ограничивается условиями сцепления колеса с рельсом, поэтому критическая масса поезда определяется исходя из зависимостей коэффициента сцепления, приведенных в «Правилах тяговых расчетов для поездной работы». Однако в эксплуатационных условиях значение коэффициента сцепления определяется множеством случайных факторов и может существенно отличаться от расчетного как в большую, так и в меньшую сторону.
На большинстве грузонапряженных направлений загруженность локомотивов по сцеплению приближается к предельной. Снижение коэффициента сцепления ниже расчетного значения на таких участках зачастую приводит к остановкам поездов на подъемах и, соответственно, нарушению графика движения поездов.
На реализацию потенциального коэффициента сцепления оказывают влияние такие конструктивные особенности локомотива, как разброс характеристик тяговых электродвигателей (ТЭД) и диаметров бандажей колесных пар (КП), схема соединения ТЭД жесткость тяговых характеристик, развеска локомотива и др. Поэтому большое значение для железнодорожного транспорта имеет улучшение конструкции локомотивов, направленное на возможно более полное использование их тяговых свойств, позволяющее повысить стабильность реализации силы тяги и за счет этого уменьшить число случаев остановок поездов на подъемах при неблагоприятных условиях сцепления.
Значительный вклад в теорию и практику решения рассматриваемых в диссертационной работе проблем тяги поездов, сцепления и повышения тяговых свойств электровозов внесли: Д.К.Минов, Б.Н. Тихменев, Н.Н. Меншутин, М.Р. Барский, И.Н. Сердинова, И.П. Исаев, Л.М. Трахтман, В.Е. Розенфельд,
Г.В. Фаминский, А.Л. Лисицын, Л.А. Муганштейн, В.Г.Иноземцев, Е.Г.Бою, С.В.Покровский, Ю.М.Лужнов, В.И.Рахманинов, А.Т.Головатый, О.А.Некрасов, В.Д. Мацнев, А.Г. Суворов, Б.Д. Никифоров, А.Н. Савосышн, А.С. Курбасов, Г.В. Самме, А.СМазнев, БЛХоменко, П.И. Гордиенко, В.Д. Тулупов, А.Е. Пыров, А.Л. Голубенко, А.П. Павленко, ПА. Коропец, а также зарубежные ученые Д. Калкер, Куртиус, Книфлер, Пуаре, Боше, Ф. Картер, Н. Зевенхофен, Г. Вербек, Б. Мейер и др.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение тяговых свойств электровозов с коллекторными ТЭД путем увеличения динамической жесткости тяговой характеристики. Предложенная схема должна быть применима как на вновь разрабатываемых, так и на эксплуатируемых электровозах. Изменение конструкции электровоза при этом не должно вызывать ухудшения его характеристик и показателей надежности. Поэтому предложенная схема должна быть как можно более простой.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
разработана математическая модель тягового привода с накопителем энергии (НЭ), позволяющая исследовать влияние НЭ на электромеханические переходные процессы при боксовании;
на основе полученной математической модели разработана компьютерная программа для расчета переходных процессов в тяговом приводе с НЭ и сравнения их с процессами в приводе с ТЭД последовательного возбуждения;
создан стенд для экспериментального исследования силовых схем электровозов с НЭ;
исследовано при помощи математической модели, на стенде и опытном электровозе влияние НЭ на процессы боксования;
проведен анализ влияния НЭ на тяговые свойства электровоза, определена взаимосвязь между параметрами НЭ и показателями, характеризующими использование тяговых свойств электровоза.
Методы исследования. В работе использованы положения теории тяги поездов, теории сцепления и теории линейных электрических цепей. В качестве метода исследования использовалось математическое моделирование электромеханических процессов в тяговом приводе электровоза при боксовании. При моделировании использован численный метод конечных разностей. Для реализации математической модели на ЭВМ и при обработке полученных результатов использованы программные пакеты MathCAD и Excel. Экспериментальное исследование проведено на стенде взаимной нагрузки электрических машин и опытном электровозе 2ЭС5К-085, оборудованном накопителем энергии.
Объеюг исследования - тяговый привод электровоза с коллекторными тяговыми электродвигателями, оборудованного накопителями энергии.
Предмет исследования - повышение тяговых свойств электровоза за счет использования накопителей энергии.
Научная новизна работы. В диссертации установлено, что:
величина динамической жесткости тяговой характеристики зависит от параметров накопителя: жесткость повышается при увеличении емкости накопителя и при уменьшении его внутреннего сопротивления. Эта зависимость является нелинейной: рост динамической жесткости происходит до значений емкости 300 - 400 Ф, дальнейшее увеличение жесткости не приводит к повышению эффективности схемы;
для достижения высоких, сравнимых с жесткостью при независимом возбуждении, значений динамической жесткости тяговой характеристики требуется накопитель с внутренним сопротивлением порядка 1 - 2 мОм;
применение накопителей энергии обеспечивает повышение коэффициента тяги электровоза на 10 - 13%.
Достоверность полученных результатов и выводов подтверждена строгостью теоретического обоснования, корректностью применения математического аппарата и результатами экспериментальных исследований на стенде и на участке Вихоревка - Тайшет Восточно-Сибирской железной дороги.
Практическая ценность работы. Результаты диссертации использованы при разработке устройства для повышения тяговых свойств электровозов. Получены зависимости, позволяющие подобрать параметры НЭ для использования в предложенной схеме. Использование НЭ позволило повысить стабильность реализации силы тяги сравнительно со штатным ТЭД последовательного возбуждения и уменьшить расход песка. За счет уменьшения продолжительности и глубины пробоксовок обеспечено снижение обобщенных показателей проскальзывания колесных пар электровоза. Благодаря этому снижается его загруженность по сцеплению, что уменьшает повреждаемость элементов тягового привода, износ бандажей КП и запесоченность балластной призмы.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались и обсуждались:
на научной конференции молодых учёных и аспирантов ВНИИЖТ в 2010 г.;
на конкурсах диссертационных работ аспирантов ВНИИЖТ в 2009,2010 гг.;
на VII Международной научно-практической конференции «TRANS-MECH-ART-CHEM», Москва, МИИТ, 2010 г.;
на научно-практических конференциях «Неделя науки. Наука МИИТа -транспорту», Москва, МИИТ, 2007,2009 и 2010 гг.;
на научно-технических советах отделения «Тяговый подвижной состав» ВНИИЖТ в 2008 - 2010 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК Минобр-науки России - 2, патентов на полезную модель - 1.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников и 6 приложений. Работа изложена на 144 страницах, в том числе 79 страниц основного текста, 46 рисунков, 4 таблицы и 17 страниц приложений.
Электрические схемы электровозов с повышенной жесткостью тяговых характеристик
Тяговые двигатели с мягкими тяговыми характеристиками обладают преимуществом по таким наиболее важным показателям, как равномерность распределения нагрузок между параллельно соединенными ТЭД, меньшее изменение тока при колебаниях напряжения в сети, меньшее изменение мощности при движении по различным элементам профиля пути, а также удобство управления режимом работы ТЭД при ступенчатом регулировании мощности [7]. Поэтому большинство электровозов, эксплуатируемых на железных дорогах России, имеют ТЭД последовательного возбуждения с мягкими характеристиками. Чтобы устранить недостатки мягких характеристик используются различные противобоксовочные системы, а для обеспечения электрического торможения ТЭД переводят на независимое возбуждение, хотя это и усложняет электрическую схему ЭПС.
Стремление улучшить тяговые свойства электровозов привело к появлению ряда схем с жесткими тяговыми характеристиками. Принцип действия большинства таких схем основан на увеличении тока возбуждения ТЭД относительно тока якоря, что приводит к повышению жесткости тяговой характеристики.
В схеме с независимым возбуждением (НВ) (рис. 1.2) обмотка возбуждения ОВ отделена от цепи якоря Я и питается от отдельного преобразователя Пр. Это позволяет придать характеристике практически любой вид, в зависимости от принятого закона регулирования, и получить высокие значения жесткости тяговой характеристики (свыше 7 кН-ч/км) [8].
Первая попытка применения НВ на отечественных железных дорогах относится к 50-м гг. прошлого века. Начиная с 1954 г. инженер СО. Григорян (ЛИИЖТ) выполнил ряд исследований по созданию схемы электровоза с улучшенной формой тяговых характеристик при помощи регулируемого НВ ТЭД от специального возбудителя [11, 12]. Для экспериментальной проверки эффективности данной схемы в 1958 г. была переоборудована на НВ одна секция электровоза В Л 8-009. Проведенные испытания показали, что система с регулируемыми характеристиками позволяет увеличить вес поезда примерно на 27 % при меньшем расходе песка по сравнению с аналогичным серийным электровозом. Схема работала устойчиво, переходные процессы протекали сравнительно легко, не вызывая больших бросков и колебаний тока [12, 13].
На Тбилисском электровозостроительном заводе в 1961 г. по этому же принципу был оборудован электровоз ВЛ8р-414 [14]. Опытные поездки наряду с улучшением тяговых свойств электровоза выявили и его недостатки: меньшее ослабление возбуждения, чем на серийных машинах, неустойчивый режим рекуперации на первых позициях, перегрев обмоток главных полюсов [15].
Аналогичные работы в 1960-1963 гг. проводили совместно МИИТ и ВЗИИТ на электровозе ВЛ22м-1809. На нем было осуществлено плавное изменение возбуждения ТЭД при независимом питании обмоток их главных полюсов от генератора переменного тока через магнитные усилители и кремниевые выпрямители. Схема электровоза при этом чрезмерно усложнилась, поэтому данный вариант дальнейшего развития не получил [15].
В 1973 - 1974 гг. на НЭВЗе были построены 2 опытных электровоза ВЛ12 с НВ [16]. Испытания показали, что для двигателей с НВ процесс развития боксования можно разделить на 2 этапа: на первом этапе происходит медленное развитие боксования, при этом изменение скорости боксующей колесной пары dvldt составляет 2,6 - 7,5 км/(ч-с), изменение тока якоря боксующего двигателя dljdt - 28 - 78 А/с, изменение напряжения на боксующем двигателе - dUJdt -52-120 В/с [17]. На втором этапе развития боксования происходит более быстрое изменение этих величин: dvldt — до 11,6 км/(ч-с), dljdt - до 96 А/с, dUJdt - до 266 В/с. В зависимости от величины начального тока боксования время медленного развития боксования составляет от 0,45 с при токе выше часового (535 А для данного электровоза) до 3 с при меньших токах. При боксовании двигателей последовательного возбуждения отсутствует этап медленного развития боксования и наблюдается резкое изменение указанных величин: dvldt - до 21,6 км/(ч-с), dljdt - до 130 А/с, dUJdt до 500 В/с. Кроме того, боксующие колесные пары при НВ имеют скорости проскальзывания колес по рельсам меньшие, чем при последовательном возбуждении. Вместе с тем, при последовательном соединении ТЭД и при включенном в цепь двигателей пусковом реостате эффективность НВ значительно ниже, а скорости проскальзывания колесных пар при независимом и последовательном возбуждении в этом случае могут быть соизмеримы.
Проведенные специалистами ВЭлНИИ теоретические исследования [18] показали, что при больших значениях пусковых сопротивлений применение НВ не только не улучшает противобоксовочные свойства, а даже ухудшает их. Это объясняется тем, что при применении НВ более интенсивное падение тока в начале боксования ведет к более резкому перераспределению мощности за счет уменьшения падения напряжения на пусковых сопротивлениях. В связи со сложностью электрической схемы электровоз В Л12 был признан не отвечающим требованиям эксплуатации и серийно не производился [15].
В отличие от электровозов постоянного тока, где достоинства НВ практически нивелировались последовательным соединением двигателей и реостатным пуском, на электровозах переменного тока НВ сулило значительный технический эффект. В связи с этим, группой инженеров Восточно-Сибирской дороги было принято решение оборудовать системой НВ электровоз ВЛ60Р. Задачу облегчало то, что на электровозах ВЛ60Р уже имелись преобразователи для независимого питания обмоток возбуждения ТЭД в режиме рекуперативного торможения. Разработка системы НВ для электровозов ВЛ60Р была начата в конструкторском бюро локомотивного депо Вихоревка Восточно-Сибирской дороги под руководством инженера Н.Л. Шамраева. В 1971 - 1972 гг. на НВ были переоборудованы электровозы сначала ВЛ60 , а затем ВЛ60 , на которых дополнительно устанавливался тиристорный преобразователь для питания обмоток возбуждения [8]. Испытания показали, что НВ повышает силу тяги локомотива по сцеплению на 14-20% [19, 20].
На основании результатов испытаний опытных электровозов было принято решение о переоборудовании большой партии электровозов ВЛ60К для эксплуатации их на Одесско-Кишиневской и Восточно-Сибирской дорогах. В 1974 - 1975 гг. системой НВ было оборудовано около 400 электровозов. Однако в ходе их эксплуатации было выявлено значительное расхождение токов якорей ТЭД, вызванное различием характеристик ТЭД и диаметров бандажей. Неравномерность токов при НВ была в 3,5-4 раза больше, чем при последовательном возбуждении [8]. Такое расхождение нагрузок двигателей ограничивало возможности практического применения независимого возбуждения по условиям нагревания обмоток ТЭД. Наибольшая разница температур двигателей, зафиксированная при испытаниях, составила 73 С. Кроме того, неравномерность нагрузок ТЭД приводила к недоиспользованию мощности. Коэффициенты тяги по осям электровоза различались на 30 - 40 %. Для нормальной работы электровозов с НВ необходимо было оснастить локомотив средствами выравнивания токов якорей параллельно соединенных ТЭД и автоматического регулирования тока возбуждения.
Такие устройства были разработаны ВНИИЖТом в 1975 г. и применены на опытном электровозе ВЛ60К-2143 [21]. Выравнивание нагрузок ТЭД осуществлялось за счет ослабления возбуждения недогруженных двигателей. Ослабление возбуждения осуществлялось шунтированием обмоток возбуждения резисторами с помощью тиристоров, отпираемых по сигналу датчиков тока якорных цепей двигателей. Наладочные испытания, проведенные на экспериментальном кольце ВНИИЖТа, показали работоспособность и эффективность данной системы. При часовом режиме отклонение якорных токов от среднего значения не превышало 10 %.
Аналогичные устройства выравнивания нагрузок двигателей были применены на опытных электровозах ВЛ80Т и ВЛ80РИ с НВ, переоборудованных ОМИИТом [22, 23]. Такая же схема использована на опытных электровозах ВЛ84 постройки 1979 г. [24].
Система автоматического выравнивания нагрузок параллельно включенных ТЭД позволила использовать схему НВ во всем диапазоне эксплуатационных скоростей. На электровозах ВЛ80РН и ВЛ84 она является основной схемой, а последовательное возбуждение оставлено как аварийная схема в случае выхода из строя возбудителя. Поэтому на этих электровозах отсутствуют резисторы ослабления возбуждения, а также индуктивные шунты. Применение системы выравнивания нагрузок в режиме рекуперативного торможения обеспечивает необходимое распределение токов по двигателям без стабилизирующих резисторов, что также ведет к упрощению схемы электровоза.
Влияние накопителя энергии на процесс боксования при снижении коэффициента сцепления
Из опыта эксплуатации локомотивов известно, что коэффициент сцепления существенно зависит от состояния контактирующих поверхностей бандажа и рельса [98]. При чистых и сухих поверхностях достигается наибольший коэффициент сцепления. Образование в месте контакта колеса и рельса масляных, глинистых, торфяных и им подобных пленок, а также наличие на поверхности рельса снега и льда приводит к резкому снижению коэффициента сцепления. Он имеет меньшее значение, если дождь только начался, при моросящем дожде или при росе, когда влага вместе с глинистой пылью, осевшей на рельсы, создает загрязненную пленку. Во время сильного дождя поверхности промываются, и коэффициент сцепления становится выше [7]. Также значительное снижение коэффициента сцепления вызывает образование на поверхности рельса при температурах воздуха -25.. .-40 С так называемого «черного налета» [99].
Численно оценить влияние тех или иных типов загрязнений и влажности на коэффициент сцепления можно только приблизительно из-за большого количества одновременно действующих факторов, определяющих условия сцепления колеса с рельсом. Так, в [100] приведены следующие значения коэффициентов сцепления в зависимости от загруженности локомотива по сцеплению и состояния рельсов (табл. 3.1).
Согласно таблице 3.1 коэффициент сцепления при замасленных или влажных рельсах снижается по сравнению с сухими рельсами в среднем на 40 -60%. Аналогичные данные приведены в [5,88]. Поэтому при расчете будем считать, что коэффициент сцепления при наезде на загрязненный участок рельса снижается на 50 %.
Общепринятым средством, повышающим коэффициент сцепления, является подача песка под колеса локомотива [5]. Согласно [6,101], коэффициент сцепления за счет применения песка повышается на 30 - 40 %.
Моделирование процессов боксования осуществлялось исходя из следующих условий. Электровоз следует с постоянной скоростью, равной расчетной (для электровоза 2ЭС5К - 50,5 км/ч) и силой тяги, близкой к границе сцепления. Напряжение на ТЭД соответствует полной 4 зоне регулирования. Изменение силы тяги при изменении скорости проскальзывания происходит по естественной характеристике. При моделировании варьировались параметры НЭ: его емкость и внутреннее сопротивление.
На рис. 3.1 приведены результаты математического моделирования процесса боксования тягового привода с накопителем энергии в виде качественных зависимостей токов возбуждения in и накопителя /к, скорости проскальзывания и, силы тяги Fm и динамической жесткости тяговой характеристики Хд от времени.
Переходной процесс, иллюстрируемый рис. 3.1, можно условно разделить на 2 периода. Первый период - нарастания тока подпитки от момента срыва сцепления to до момента t\ достижения током подпитки своего максимума -характеризуется высокой жесткостью тяговой характеристики ТЭД боксующей колесной пары и, соответственно, интенсивным снижением силы тяги. Во второй период переходного процесса происходит уменьшение тока подпитки, а снижение силы тяги практически прекращается. Таким образом, так как именно в первый период переходного процесса происходит интенсивное снижение силы тяги, то за время t3 эффективного действия НЭ можно принять длительность первого периода переходного процесса - от момента tQ до момента t\.
Влияние емкости НЭ на время его эффективного действия t3, а также на максимальное значение тока подпитки іктах, иллюстрируют зависимости тока НЭ ік от времени при различных емкостях НЭ, приведенные на рис. 3.2.
Из графиков рис. 3.2 видно, что повышение емкости НЭ приводит к увеличению тока подпитки и времени эффективного действия и, соответственно, к повышению эффективности схемы.
Влияние внутреннего сопротивления НЭ на время его эффективного действия и ток подпитки иллюстрируют зависимости тока НЭ ік от времени при различных внутренних сопротивлениях НЭ, приведенные на рис. 3.3.
Из графиков рис. 3.3 видно, что повышение внутреннего сопротивления НЭ при одной и той же его емкости ведет к увеличению времени эффективного действия, однако происходит это за счет снижения тока подпитки и, соответственно, эффективности схемы. Как видно из рис. 3.3, увеличение внутреннего сопротивления с 0,5 до ЮмОм ведет к снижению максимального тока подпитки вдвое. Потому в предложенной схеме целесообразно использовать НЭ с как можно более низким внутренним сопротивлением.
Для комплексной оценки влияния параметров НЭ на процессы боксования использовать зависимости тока от времени несколько неудобно. Более наглядно это влияние иллюстрируют обобщенные зависимости времени эффективного действия и максимального тока подпитки от емкости и внутреннего сопротивления НЭ, приведенные на рис. 3.4 и 3.5.
Зависимость времени эффективного действия НЭ, приведенная на рис. 3.4, позволяет подобрать параметры накопителя энергии исходя из статистических данных о длительности пробоксовок электровозов на участках, где предполагается использование предложенной схемы.
Зависимость максимального тока подпитки, приведенная на рис. 3.5, позволяет по известным параметрам накопителя оценить его токовую нагрузку и подобрать соответствующий тип НЭ.
Следует отметить, что современные отечественные образцы молекулярных накопителей энергии как правило рассчитаны на максимальный ток 1,5-3,0 кА, что заведомо больше тока подпитки в предложенной схеме. Поэтому выбор конкретного типа НЭ для использования в цепи возбуждения ТЭД определяется главным образом емкостью и внутренним сопротивлением накопителя энергии, а также его массо-габаритными и стоимостными показателями.
Как было показано в п. 1.1, устойчивость тягового привода к боксованию определяется жесткостью его тяговой характеристики. У тягового привода с ТЭД последовательного возбуждения жесткость характеристики при силе тяги, близкой к ограничению по сцеплению, составляет около 3-4 кН-ч/км. У привода с ТЭД независимого возбуждения жесткость характеристики выше и составляет 7 кН-ч/км и более, за счет чего такой привод менее склонен к разносному боксованию [8].
Следовательно, для улучшения тяговых свойств электровоза, динамическая жесткость тяговой характеристики при боксовании должна быть близка к жесткости при независимом возбуждении, то есть жесткость естественной характеристики ТЭД последовательного возбуждения необходимо увеличить приблизительно в два раза.
На рис. 3.1 приведена качественная зависимость динамической жесткости тяговой характеристики от времени. Из графика видно, что жесткость в течение переходного процесса не остается постоянной. В момент срыва сцепления динамическая жесткость характеристики максимальна. Далее по мере разряда НЭ она постепенно уменьшается и, по истечении времени эффективного действия НЭ, становится приблизительно равной жесткости характеристики при отсутствии НЭ.
Зависимости динамической жесткости тяговой характеристики от времени при боксовании при различных емкостях и внутренних сопротивлениях НЭ показаны на рис. 3.6 и 3.7. Также для сравнения показана зависимость жесткости от времени при боксовании в тяговом приводе с ТЭД последовательного возбуждения при отсутствии накопителя энергии.
Исследование процессов боксования тягового привода с накопителями энергии на стенде
Из рис. 4.2 видно, что при наличии НЭ ток возбуждения при боксовании снижается значительно медленнее тока якоря. За счет этого ЭДС двигателя уменьшается медленнее, чем при последовательном возбуждении, что способствует более быстрому снижению тока якоря. При данном типе накопителя скорость изменения тока якоря увеличивается с 21,7 до 78,9 А/с. За счет этого интенсивность развития боксования снижается на 27 %, что соответствует результатам математического моделирования.Для экспериментального исследования предложенной схемы и проверки результатов, полученных путем математического моделирования, было принято решение оборудовать на Экспериментальном кольце ВНИИЖТ стенд, имитирующий силовую схему электровоза переменного тока.
При разработке стенда ставились следующие задачи [60]. Схема стенда должна быть максимально приближена к силовой схеме электровоза. Стенд. должен обеспечить возможность проведения исследований как в режиме тяги, так и электрического торможения в широком диапазоне нагрузок. На нем должно быть расположено два тяговых двигателя, один из которых будет являться испытуемым, а другой будет выполнять роль нагрузки. При этом должна быть обеспечена возможность плавного регулирования нагрузки, а также мгновенного ее снятия для имитации срыва сцепления. Должна быть обеспечена возможность беспрепятственного подключения различных НЭ в требуемые точки схемы. Измерительный комплекс стенда должен обеспечивать измерение и запись токов, напряжений и скорости вращения ТЭД. При этом должна быть обеспечена погрешность измерений не более 3 %. Конструкция датчиков должна обеспечивать гальваническую развязку силовых и измерительных цепей.
Принципиальная схема стенда приведена на рис. 4.1.
На стенде использовано силовое электрооборудование электровоза ВЛ60: тяговый трансформатор {Тр) ОЦР-5600/25, диодная выпрямительная установка (В), групповой переключатель (ГП) ЭКГ-60 и тяговый двигатель (Де) НБ-412М. В качестве нагрузки используется однотипный двигатель (Гн), работающий в режиме реостатного торможения с независимым возбуждением. Компоновка стенда обеспечивает возможность подключения накопителей энергии к любым точкам схемы в зависимости от желаемого эффекта. Питание стенда осуществляется переменным напряжением 25 кВ 50 Гц от тяговой подстанции экспериментального кольца. Таким образом, условия проведения исследований максимально приближены к реальным. Также возможно питание от цепи переменного тока 380 В. При этом к питающей сети подключается не первичная обмотка трансформатора, а обмотка собственных нужд. Мощность стенда при этом ограничивается.
Измерение и регистрация опытных данных на стенде осуществляется при помощи штатного измерительно-вычислительного комплекса лаборатории. Для регистрации электрических параметров при испытаниях используются датчики тока ДТХ-1500Ж и напряжения ДНХ, работающие с использованием эффекта Холла. Такие датчики обеспечивают гальваническую развязку измерительных и силовых цепей. Для регистрации скорости вращения двигателя используется бесконтактный тахометр. Измерительные сигналы оцифровываются при помощи платы ввода-вывода JTA2USB-14, подключенной к портативному компьютеру. Запись осциллограмм производится при помощи программного обеспечения, входящего в комплект поставки платы. Измерительно-вычислительный комплекс поверен и сертифицирован. Погрешность измерения мгновенных значений тока и напряжения составляет 3,0 %, частоты вращения -2,0 %.
На стенде исследовались 5 видов отечественных конденсаторных НЭ различных производителей. Их основные технические характеристики были приведены выше, в таблице 1.2.
Для использования в предложенной схеме подходят не все НЭ, выпускаемые промышленностью. Проведенные опыты показали, что накопители серии ИКЭ1,5/300 и ИКЭ20/150, подключенные к обмотке возбуждения, практически не оказывают влияния на жесткость характеристики из-за большого их внутреннего сопротивления и относительно небольшой емкости, как и ожидалось по результатам математического моделирования. Также нельзя использовать в предложенной схеме накопитель серии 30ЭК404Н, так как конструкция данного НЭ не позволяет разряжать его до напряжения ниже 27 В.
Из представленных в таблице 1.2, наиболее пригодным для использования в предложенной схеме является накопитель серии 24ПП30/О,003. Он имеет низкое внутреннее сопротивление и емкость его достаточна для получения видимого эффекта. Кроме того, такой НЭ не имеет ограничения по минимальному напряжению и его полярности. Согласно результатам математического моделирования, такой накопитель должен обеспечить увеличение динамической жесткости тяговой характеристики в начале боксования до 4,5 - 5,0 кН-ч/км и снизить интенсивность развития боксования приблизительно на 25 %.
Процесс боксования колесной пары имитировался путем отключения питания возбуждения генератора, что приводило к резкому снижению нагрузки на валу испытуемого двигателя, как и при срыве сцепления колеса с рельсом. При этом осциллографировались токи якоря и возбуждения, напряжение на двигателе и скорость его вращения. Также записывались процессы пуска и отключения двигателя с накопителем и без него.
Опыты с НЭ и без него проводились при одинаковом токе возбуждения генератора и при одинаковом напряжении на двигателе. За счет этого ток якоря испытуемого ТЭД в начале боксования был один и тот же. Таким образом, различия в переходных процессах при проведении исследований определялись только наличием или отсутствием НЭ и его параметрами.
При боксовании колесной пары, ее ускорение определяется в основном моментом инерции вращающихся частей тягового привода — якоря ТЭД, зубчатых колес редуктора и колесной пары. Момент инерции тягового привода электровоза Jn0K, приведенный к валу ТЭД, можно определить по формуле (2.5).
На стенде отсутствуют колесная пара и редуктор, поэтому момент инерции вращающихся частей стенда /ст определяется только моментами инерции якорей ТЭД. Учитывая, что на стенде установлено три ТЭД, соединенных одним валом (третий двигатель в опытах не использовался), и может быть вычислен по формуле
Значения моментов инерции тягового привода электровоза В Л60 и якорей двигателей, установленных на стенде, составляют: ./лок= 128 кг-м2 и Уст = 240 кг-м2. Большее по сравнению с JnoK значение J„ компенсирует то, что при боксовании сила сцепления колеса с рельсом снижается не до нуля, а приблизительно на 40 - 60%, как было сказано в 3.1.
Учитывая вышеизложенное, можно утверждать, что общность процессов, протекающих в тяговом приводе электровоза, с результатами моделирования тех же процессов на стенде достаточно высока.
На рис. 4.2 приведены осциллограммы имитации процесса боксования тягового привода с НЭ и без него. На рис. 4.2, а показаны зависимости токов якоря ія и возбуждения ів при наличии НЭ и тока двигателя / при отсутствии накопителя, а на рис. 4.2, б - частоты вращения п от времени. Для удобства восприятия приведены кривые токов после фильтрации 100 Гц составляющей.
На основе полученных значений скорости и силы тяги были построены тяговые характеристики испытуемого двигателя при боксовании при наличии и отсутствии накопителя. По полученным тяговым характеристикам были определены значения динамической жесткости характеристики при боксовании. На рис. 4.3 приведен пример тяговой характеристики ТЭД с накопителем (кривая 1) и без него (кривая 2) при боксовании.
Исследование процессов боксования тягового привода с накопителями энергии на электровозе 2ЭС5К
По результатам проведенных на стенде исследований было принято решение опробовать предложенную схему на электровозе с целью проверки ее влияния на тяговые свойства локомотива в эксплуатационных условиях.
Испытания были проведены в соответствии на электровозе 2ЭС5К-085 локомотивного депо Вихоревка Восточно-Сибирской железной дороги. Опытные поездки проводились на тракционных путях депо и на участке Байкало-Амурской магистрали Вихоревка - Тайшет с использованием тягово-энергетической вагон-лаборатории ВНИИЖТ [111]. Выдержки из «Программы и методики эксплуатационных испытаний грузового электровоза 2ЭС5К на Восточно-Сибирской железной дороге» приведены в Приложении Б.
Конденсаторный накопитель энергии серии 24111130/0,003 емкостью 104 Ф был установлен в высоковольтной камере секции 1 электровоза (задняя по ходу движения) и подключен параллельно обмотке возбуждения тягового двигателя №3 (6-й по ходу движения), к проводам В309 и ВЗ10, как показано на рис. В1 (Приложение В).
При проведении опытов при помощи бортового измерительно-вычислительного комплекса вагона-лаборатории фиксировались токи якоря и возбуждения ТЭД, напряжения на якорях ТЭД, скорости вращения колесных пар электровоза и напряжение в контактной сети. Так как для определения скорости скольжения КП электровоза необходимы данные о его линейной скорости, то дополнительно регистрировалась скорость вращения одной из колесных пар вагона-лаборатории.
Предварительная проверка работы электровоза с накопителем энергии была проведена на тракционных путях локомотивного депо Вихоревка. При этом все тяговые двигатели электровоза, кроме ТЭД №3 (с накопителем энергии) и №4, были отключены.
Первоначально опыты проводились на стоянке, при заторможенном вспомогательном тормозе локомотива. При этом проверялось влияние накопителя энергии на токи тягового двигателя при изменении напряжения на двигателе и мгновенном его отключении.
На рис. 4.4 приведена осциллограмма токов якоря и возбуждения тягового двигателя с накопителем энергии при увеличении напряжения на нем в режиме автоматического пуска с максимальной возможной в этом режиме интенсивностью (около 110 А/с). На всех рисунках, приведенных ниже, для наглядности отфильтрована 100 Гц составляющая тока двигателей.
Из рис. 4.4 видно, что влияние накопителя энергии на процесс пуска заключается в задержке роста тока возбуждения, что незначительно увеличивает бросок тока якоря в первоначальный момент пуска (с 50 до 80 А). Длительность броска составляет примерно 0,5 с. Далее процесс нарастания тока протекает монотонно и практически не различается у двигателя с НЭ и без него.
Из рис. 4.4 видно, что в процессе пуска из-за влияния накопителя энергии ток возбуждения растет медленнее тока якоря, т.е. двигатель работает в режиме ослабления возбуждения. Зависимость степени ослабления возбуждения тягового двигателя с НЭ от тока якоря приведена на рис. 4.5.
Как видно из рис. 4.5, с ростом тока разница между током якоря и током возбуждения уменьшается. Глубокое ослабление возбуждения происходит только при малых токах (менее 100 А), поэтому отрицательного влияния на работу двигателя оно не оказывает. При токах более 150 А значения коэффициента ослабления возбуждения находятся в пределах рабочих значений (минимальный коэффициент ослабления возбуждения для тягового двигателя НБ-514Б составляет 0,43) [84].
Для проверки влияния НЭ на работу ТЭД при срабатывании защиты, при достижении значений тока около 800 А, производился резкий сброс напряжения на двигателе до нуля. Осциллограмма переходного процесса при резком отключении напряжения приведена на рис. 4.6.
Из графиков рис. 4.6 видно, что наличие накопителя энергии оказывает значительное влияние на переходной процесс в цепи возбуждения. Снижение тока возбуждения происходит значительно медленнее, чем тока якоря. Постоянные времени переходных процессов в цепи якоря и возбуждения при данном типе накопителя составляют 0,19 и 1,0 с соответственно. На переходной процесс в цепи якоря накопитель энергии значительного влияния не оказывает, постоянная времени переходного процесса в цепи якоря уменьшается незначительно (с 0,21 до 0,19 с). Общее время протекания переходного процесса при начальном токе около 800 А составляет: в цепи якоря - 1 с, в цепи возбуждения - 5 с.
Также проводились опыты при ручном пуске со значительными интенсивностями роста тока якоря. Наибольшая зафиксированная скорость нарастания тока якоря в данном режиме составила около 3500 А/с. При достижении тока уставки защиты (около 2000 А) происходило ее отключение. Какого-либо отрицательного влияния накопителя энергии на работу аппаратов защиты и на тяговый двигатель зафиксировано не было. Осциллограмма одного из опытов в режиме ручного пуска приведена на рис. 4.7.
Как видно из рис. 4.8 в режиме ручного пуска двигатель с накопителем энергии работал в режиме глубокого ослабления возбуждения. Коэффициент ослабления возбуждения во время пуска составлял 20 - 40 %. Это не приводило к нарушению работы электрооборудования локомотива. Однако в эксплуатации такой режим может привести к нарушению коммутации в тяговом двигателе, поэтому использовать ручной пуск с большой интенсивностью нарастания тока на электровозах с накопителями энергии нежелательно.
По итогам оборудования электровоза накопителем энергии и предварительной проверки его работоспособности был составлен соответствующий акт (Приложение Г).
Опыты боксования электровоза с НЭ проводились на путях депо со скоростью до 15 км/ч и токах двигателей около 600 А, требуемая нагрузка создавалась при помощи подтормаживания локомотива вспомогательным тормозом. Тормоза тележки, на которой располагались испытуемые двигатели, были отключены. Боксование инициировалось при помощи масла, подаваемого специальным устройством на поверхность рельса перед колесами электровоза.
На рис. 4.9 приведена осциллограмма токов и скоростей скольжения колесных пар при небольшом снижении коэффициента сцепления.
Из рис. 4.9 видно, что колесно-моторный блок (КМБ) без НЭ при проходе загрязненного участка рельса входит в режим прерывистого боксования с максимальной величиной проскальзывания 1,2 км/ч. КМБ, оснащенный накопителем, не входит в боксование, скорость проскальзывания его колесной пары остается практически неизменной - на уровне 0,4 км/ч. Осциллограммы аналогичных режимов приведены в Приложении Д.
При более глубоком и длительном снижении коэффициента сцепления, КМБ с НЭ также входит в боксование, однако скорость проскальзывания и общее время боксования оказывается при этом меньше, чем у КМБ без НЭ. Это видно на примере рис. 4.10. Здесь обе КП входят в боксование с интервалом в 1 с, при этом скорости скольжения КП с НЭ и без него достигают соответственно 2 и 3 км/ч. Боксование обеих КП прекращается одновременно. Осциллограммы аналогичных режимов приведены в Приложении Д.
