Содержание к диссертации
Введение
Анализ технических характеристик тяговых электродвигателей локомотивов 9
1.1. Технические характеристики тяговых электродвигателей постоянного тока 9
1.2. Технические характеристики асинхронных тяговых электродвигателей 14
1.3. Критерии оценки эффективности работы тяговых электродвигателей постоянного и переменного тока в эксплуатации 20
Модель выбора параметров тягового электропривода постоянного тока для тепловозов в различных условиях эксплуатации 28
2.1. Математическая модель тягового электродвигателя постоянного тока 28
2.2. Анализ адекватности модели тягового электродвигателя реальному объекту 33
2.3. Расчет параметров тяговых электродвигателей
постоянного тока различной мощности 35
2.4. Анализ параметров тяговых электродвигателей постоянного тока различной мощности 47
2.5. Анализ возможных показателей эффективности тяговых электродвигателей постоянного тока
2.5.1. Эффективность электродвигателей на продолжительном режиме работы 54
2.5.2. Интегральные показатели эффективности работы
тяговых электродвигателей в эксплуатации
Модель выбора параметров асинхронного тягового электропривода для тепловозов в различных условиях эксплуатации 69
3.1. Математическая модель тягового асинхронного электродвигателя 69
3.2. Анализ адекватности модели тягового асинхронного электродвигателя реальному объекту 83
3.3. Расчет параметров асинхронных тяговых двигателей различной мощности 86
3.4. Анализ параметров асинхронных тяговых двигателей различной мощности 92
3.5. Анализ возможных показателей эффективности асинхронных тяговых электродвигателей 3.5.1. Эффективность тяговых асинхронных двигателей на продолжительном режиме работы 97
3.5.2. Интегральные показатели эффективности работы асинхронных тяговых двигателей в эксплуатации 98
Сравнение тяговых, энергетических характеристик и конструктивных параметров тягового привода различного типа и мощности магистральных тепловозов при их работе в эксплуатации 107
4.1. Анализ тяговых характеристик тепловозов с тяговым приводом постоянного тока и с асинхронным тяговым приводом 107
4.2. Анализ энергетических характеристик асинхронного тягового электропривода и тягового электропривода постоянного тока 113
4.3. Эффективность использования конструкционных материалов в асинхронном тяговом двигателе и в тяговом
двигателе постоянного тока 122
Экономическая эффективность применения тягового привода различного типа на локомотивах в эксплуатации 129
5.1. Анализ удельного стоимостного показателя использования конструкционных материалов в тяговом двигателе постоянного тока и в асинхронном тяговом электродвигателе 129
5.2. Целевая функция для определения эффективности использования тягового привода постоянного тока и тягового асинхронного электропривода 131
5.3. Экономический эффект от применения рационального типа тягового электропривода на локомотивах в
эксплуатации 134
Заключение 143
Список использованных источников
- Технические характеристики асинхронных тяговых электродвигателей
- Анализ возможных показателей эффективности тяговых электродвигателей постоянного тока
- Анализ возможных показателей эффективности асинхронных тяговых электродвигателей
- Целевая функция для определения эффективности использования тягового привода постоянного тока и тягового асинхронного электропривода
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в парке автономных локомотивов преобладают тепловозы с коллекторными тяговыми двигателями. Высокие весогабаритные показатели этих двигателей затрудняют их использование в энергетических цепях мощных тепловозов, в которых нуждается железнодорожный транспорт.
В конце 1990-х годов на новых, преимущественно пассажирских, тепловозах начала внедряться электрическая передача переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями (ТАД), обладающими меньшими весогабаритными показателями, и требующие меньших затрат на техническое обслуживание и ремонт в эксплуатации.
Однако, как ожидается, основной эффект от использования асинхронных тяговых двигателей на локомотивах может быть достигнут при оборудовании электрической передачей переменного тока грузовых тепловозов секционной мощностью 4000-4500кВт, так как на ряду с низкими весогабаритными показателями тяговый привод с асинхронным тяговым двигателем обладает высокой механической устойчивостью.
Разработка и внедрение на локомотивах двух типов тяговых приводов – с коллекторным тяговым двигателем и асинхронным тяговым двигателем – требует разграничения областей их рационального применения. Поэтому актуальность диссертационной работы определяется необходимостью создания методики выбора тягового привода для грузовых тепловозов различной мощности по критериям эффективности его применения.
Целью работы является решение научно-технической задачи определения областей рационального применения на грузовых тепловозах тяговых электродвигателей переменного и постоянного тока по критериям технико-экономической эффективности.
Использование рационального типа электродвигателя в тяговом приводе тепловоза позволит повысить показатели эффективности его работы в эксплуатации, что необходимо для реализации планов, предусмотренных «Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года», утвержденной распоряжением правительства РФ №877-р, подписанным главой правительства В.В. Путиным 17 июня 2008г.
В процессе решения задачи:
- определены значения параметров коллекторных и асинхронных тяговых двигателей для возможного диапазона мощностей грузовых тепловозов;
- разработаны методы прогнозирования среднеэксплуатационных значений коэффициентов полезного действия коллекторных и асинхронных тяговых двигателей;
- определены области рационального применения в тяговом приводе тепловозов коллекторных и асинхронных тяговых двигателей по принятым критериям эффективности.
Методика исследований Научные выводы и рекомендации работы получены с использованием результатов экспериментальных исследований и методов математического моделирования.
Научная новизна работы определяется разработкой методов выбора типа и параметров электродвигателя для тягового привода грузового тепловоза по критериям его технико-экономической эффективности.
Практическая значимость работы заключается в определении областей применения коллекторных и асинхронных двигателей для тягового привода тепловозов мощностью 15004500 кВт.
Реализация результатов работы Результаты работы внедрены на заводе «Электротяжмаш-Привод» (г. Лысьва) и используются в учебном процессе кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» Московского государственного университета путей сообщения.
Апробация работы Основные положения диссертации обсуждены на научно-практической конференции «Наука – транспорту-2004» (МИИТ, 2004г.); на 5-ой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (МИИТ, 2004г.); на 7-ой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (МИИТ, 2006г.); на 8-ой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (МИИТ, 2007г.); на 5-ой международной научно-практической конференции «Trans-Mech-Art-Chem» (МИИТ, 2008г.)
Публикации Основные положения диссертации изложены в 6-ти статьях научных периодических журналов, 4 из которых - в изданиях, рекомендованных ВАК по специальности 05.22.07, и 11-ти тезисах научных и научно-практических конференций.
Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, пяти глав текста, заключения, приложения и списка использованных источников, включающего 129 наименований. Общий объем диссертации – 162 стр., в том числе 11таблиц и 51 рисунок.
Технические характеристики асинхронных тяговых электродвигателей
Основные технические данные электродвигателей постоянного тока приведены в табл. 1.1.
Наряду с сопоставлением абсолютных показателей коллекторных тяговых двигателей представляет интерес оценка степени использования конструкционных материалов в ТЭД. С этой целью в табл. 1.1 приведены расходы конструкционных и изоляционных материалов для изготовления двигателей.
Из приведенных данных видно, что при изготовлении коллекторных ТЭД расходуется значительное количество меди (445+-586 кг на один тяговый двигатель), которая на сегодня является наиболее дорогостоящим материалом. Степень использования конструкционных материалов обмоток и электротехнической стали может быть оценена по удельному их расходу на единицу полезной мощности. Удельный расход меди для коллекторных ТЭД постоянного и пульсирующего тока при переходе от 4-х полюсного к 6-ти полюсному исполнению сокращается почти в 2 раза. Удельный расход электротехнической стали, с ростом мощности коллекторных ТЭД, снижается с 5,226 кг/кВт до 1,41 кг/кВт, что говорит о наиболее эффективном использовании активных материалов в мощных тяговых двигателях. Это подтверждается и значениями относительной массы тяговых двигателей, которая при мощности ТЭД 30(Н400 кВт составляет 7+ТО кг/кВт, а для двигателей мощностью 700+800 кВт - 5+7 кг/кВт.
Расход изоляционных материалов в мощных коллекторных ТЭД может достигать до 39 кг на один двигатель.
В результате теоретических исследований, в основу которых были положены допустимые электромагнитные, тепловые и механические нагрузки, ограничения по коммутации и окружная скорость якоря, предельные при существующих габаритных ограничениях номинальные мощности коллекторных ТЭД определены равными: для двигателя однофазного тока 1320 кВт (при 12 полюсах, длине активной части 0,35-Ю,4 м, диаметре якоря 0,8-Ю,9 м, межламельном напряжении 30-К35.5), для двигателя пульсирующего тока 2400 кВт (при длине активной части 0,3-Ю,35 м, диаметре якоря 0,7-Ю,8 м, пульсации тока З-М-%) [19]. Однако указанные мощности не могут быть реализованы на локомотивах из-за ограничений по массе и объему на дополнительное тяговое оборудование.
Анализ мирового тягового электромашиностроения показал, что за последние годы в эксплуатации номинальная длительная мощность коллекторных тяговых двигателей электровозов постоянного тока увеличилась до 855 кВт у грузопассажирских и до 1000 кВт у пассажирских электровозов [19, 23, 25, 26]. Мощность коллекторных ТЭД пульсирующего тока электровозов переменного тока с выпрямителями достигла 920 кВт у грузовых и 1200 кВт у грузопассажирских электровозов. Значительно повысилась номинальная мощность однофазных коллекторных тяговых 2 двигателей пониженной (16 — Гц) частоты, составив у самого мощного двигателя 1239 кВт.
Рост номинальной мощности ТЭД сопровождался увеличением вращающего момента и частоты вращения. Совершенствование конструкции тяговых двигателей позволило, несмотря на значительное увеличение мощности и вращающего момента, сохранить практически неизменной массу двигателя. Например, однофазный коллекторный двигатель типа ELM 981 St (Швейцария) имел мощность в продолжительном режиме 660 кВт и массу 3830 кг, а двигатель типа 12FHW 7659 (Швейцария) - 1239 кВт и 3880 кг. Несмотря на то, что двигатель 12FHW 7659 развивает в номинальном режиме на 30% больший вращающий момент, объем активной части его якоря больше на 20%, максимальная частота вращения выше на 17%, чем у двигателя ELM 981 St, их общая масса практически одинакова; массы якорей также почти равны: 1550 и 1580 кг. Поскольку при увеличении мощности масса двигателей заметно не увеличилась, относительная масса, благодаря совершенствованию конструкции, значительно снизилась - в 1,5- 2 раза: у двигателей постоянного тока, имеющих корпусную изоляцию рассчитанную на напряжение 3 кВ, с 8- -9 до 4,5—5,0 кг/кВт, у двигателей пульсирующего тока с 4,5-6,0 до 3 кг/кВт [19].
С целью уменьшения массы и габаритов тяговых двигателей исследуются методы интенсивного охлаждения с помощью тепловых трубок, которые могут передавать тепловой поток большой плотности (до 400 Вт/см") на расстояние от 0,2 до 1м, что обеспечивает практически одинаковую температуру поверхности трубки по всей ее длине. Исследовалась также водяная система охлаждения обмоток двигателей. Этот вид охлаждения позволяет уменьшить массу двигателя еще на 25% по сравнению с ТЭД, имеющим тепловые трубки.
Применяемые в настоящее время коллекторные тяговые двигатели наряду с хорошими тяговыми -характеристиками и высокими технико-экономическими показателями имеют и серьезные недостатки, связанные с наличием коллектора. Современные тяговые двигатели являются также весьма напряженными машинами в отношении тепловых и особенно коммутационных условий на коллекторе. Наличие щеточно-коллекторного аппарата снижает эксплуатационную надежность, усложняет ремонт тягового двигателя и увеличивает расходы на содержание локомотивов.
Устранение указанных недостатков, снятие ограничений по мощности, обеспечение предельно высокого использования сцепления между колесом и рельсом может быть достигнуто переходом на бесколлекторные, в частности, асинхронные тяговые двигатели. Поэтому не случайно во всех развитых странах ведутся интенсивные работы по созданию локомотивов, электропоездов и других подвижных единиц с асинхронным тяговым приводом.
Анализ возможных показателей эффективности тяговых электродвигателей постоянного тока
Получаемый при этом номинальный момент на валу электродвигателя нелинейно увеличивается с ростом мощности. С достаточной степенью точности, для тепловозных двигателей рассматриваемого диапазона мощностей, номинальное значение момента на валу ТЭД от его мощности на валу для принятого значения VP может быть представлено аппроксимирующей зависимостью:
М2 =7,0-КГ6 -Р2 + 0,03-Р22 + 1,5 -Р2 +1864,0. Представленные на графике зависимости показывают, что для каждого значения диаметра якоря максимальная величина момента, реализуемого двигателем на продолжительном режиме работы, и значение тока якоря ограничиваются допустимой линейной нагрузкой. В том случае, когда параметры ТЭД обеспечивают А лин)Аттшх - требуется переход на большее значение диаметра якоря. Из рис. 2.5 видно, что максимальное значение номинального момента которое можно реализовать в ТЭД с диаметром якоря Da=493MM составляет М2=6445Нм (при Ашн=650А/см).
Для реализации на продолжительном режиме работы тепловоза требуемого момента М2=5368Нм требуется также диаметр якоря D0=493MM (рис. 2.5). В этом случае снижается значение линейной нагрузки до 555А/см. Это позволяет применять изоляционные материалы с более низким классом нагревостойкости.
По результатам расчета параметров ТЭД постоянного тока установлено, что при Р2 450/с «7 двигатели должны иметь 6-ти полюсное исполнение, а диаметр их якоря составляет Д, 660лш (рис. 2.6).
Кроме того, расчеты двигателей мощностью Р2 450кВт в 4-ех полюсном исполнении показали, что в этом случае при петлевой обмотке (2р=2а=4) значение тока в параллельной ветви превышает максимально допустимую величину (220 -225 4).
Расчет также показывает, что для обеспечения допустимых значений межламельного напряжения двигателей мощностью Р2 450кВт в 6-ти полюсном исполнении число коллекторных пластин должно быть не менее 266 при диаметре коллектора не менее 528лш. С учетом того что Дг=(0,8-К),9)-А, [58], выполнение условия (2.7) приводит к тому, что диаметр якоря должен быть не менее 660мм, что подтверждается конструкцией серийных тепловозных ТЭД.
Расчетом также установлено, что в соответствии с условием (2.13) 6-ти полюсные ТЭД могут быть размещены в габарите тепловозной тележки с диаметром колесной пары \250мм (рис. 2.6). Da, M 3,5
Изменение числа пар полюсов ТЭД, диаметра якоря и диаметра колеса локомотива при различной мощности на валу тягового двигателя Da, ОКОЛЕСО - соответственно значения диаметра якоря и требуемого диаметра колеса локомотива; р - число пар полюсов двигателя. Подтверждается это тем, что тепловозы серии 2ТЭ121 с 6-ти полюсными тяговыми двигателями типа ЭД-126 мощностью 450кВт имеют колесные пары диаметром 1250мм. Изменения параметров якоря и коллектора, главных и добавочных полюсов тяговых электродвигателей в зависимости от их мощности на валу проиллюстрированы на рис. 2.7, 2.8, 2.9 и 2.10. Линии тренда, представляющие изменение числа пазов якоря и число коллекторных пластин ТЭД (рис. 2.7) показывают изменение параметров обмотки якоря с увеличением мощности двигателя (рис. 2.10). При этом за счет увеличения диаметра двигателя и номинального значения тока уменьшается требуемое число витков обмотки возбуждения и число витков обмотки Изменение диаметра якоря ТЭД, числа пазов якоря и числа коллекторных пластин при различной мощности на валу тягового двигателя Da - значения диаметра якоря двигателя; Z, Kz ТР - соответственно значения чисел пазов якоря и коллекторных пластин. Очевидно, что уменьшение значений Wv и WD при одновременном увеличении тока двигателя и, как следствие, сечения добавочных полюсов. 400
проводников обмоток полюсов, приведет к снижению сопротивлений цепи обмоток возбуждения и добавочных полюсов (рис. 2.9 и 2.10).
Так, для двигателей 1 &0кВт Р2 420кВт в 4-ех полюсном исполнении с увеличением мощности необходимо увеличивать сечение меди проводников (за счет увеличения тока продолжительного режима работы с 60CL4 - для двигателя мощностью Р2=\80кВт до 900А - для двигателя мощностью Р2—420кВт).
Несмотря на увеличение длины проводника витка (за счет удлинения лобовых частей обмотки) активное сопротивление якорной обмотки снижается в 1,5 раза. p-100 1300
Изменение параметров ТЭД и параметров обмотки возбуждения в зависимости от мощности на валу тягового двигателя р, Wv, rm - соответственно значения числа пар полюсов двигателя, числа витков обмотки возбуждения и сопротивления ее цепи; Da и Ігір - соответственно значения диаметра и тока якоря тягового двигателя.
Изменение параметров ТЭД и параметров обмотки дополнительных полюсов в зависимости от мощности на валу тягового двигателя р, WQ, id - соответственно значения числа пар полюсов двигателя, числа витков обмотки добавочных полюсов и сопротивления ее цепи; Da и 1а - соответственно значения диаметра и тока якоря тягового двигателя. При переходе на 6-ти полюсное исполнение в двигателях мощностью Р2 420кВт возрастает число параллельных ветвей в обмотке якоря, что приводит к еще большему снижению активного сопротивления (рис. 2.10).
Таким образом, с помощью разработанного программного блока были определены конструктивные параметры тяговых электродвигателей постоянного тока в диапазоне мощностей от 180 до 550кВт, а также массы их основных узлов и параметры номинальных режимов работы. Полученные данные позволят предварительно оценивать эффективность конструктивного исполнения электродвигателей постоянного тока различной мощности. 2.5. Анализ возможных показателей эффективности тяговых электродвигателей постоянного тока
Общей практикой тягового электромашиностроения принято оценивать эффективность использования двигателей по значениям их КПД на номинальном режиме работы. Однако тяговый двигатель в эксплуатации работает в широком диапазоне изменения нагрузок с различными значениями КПД. С учетом того, что большую часть времени двигатель работает на режимах отличных от номинального, более правильной является оценка его эффективности работы на тепловозе по значению интегрального КПД. В связи с этим ниже приведены результаты расчета эффективности тяговых двигателей мощностью 18(Н550/ -#т по значениям номинального и интегрального КПД.
В соответствии с полученными параметрами электродвигателей различной мощности выполнен прогноз эффективности их применения в эксплуатации. В качестве критерия эффективности использования электродвигателей на тепловозе принят КПД. Расчет коэффициента полезного действия осуществлялся исходя из значений мощности двигателя и его потерь.
Результаты расчетов показали, что для двигателя, параметры которого соответствуют максимальному напряжению иМА 800В, в диапазоне мощностей 180кВт Р2 420кВт значения КПД на продолжительном режиме работы составляют соответственно 89,5% / 91%; при этом значения ці электродвигателей мощностью Р2 420кВт не превышает 90,5- -90,8% (рис. 2.11).
Анализ возможных показателей эффективности асинхронных тяговых электродвигателей
Сопоставление параметров ДАТ-305 и ДАТ-470 с параметрами асинхронных двигателей той же мощности рассчитанных с помощью программного блока представлено в табл. 3.2, откуда следует, что их параметры практически идентичны. Перечень и значения основных параметров двигателя ДАТ-305 приведены в Приложении.
Таким образом, разработанный программный блок позволяет рассчитывать конструктивные параметры (массу, габариты, сопротивление и т.п.) тяговых асинхронных двигателей различной мощности и определять параметры режимов их работы.
Для принятого мощностного диапазона с помощью разработанного программного блока были определены рациональные конструктивные параметры тяговых асинхронных электродвигателей (табл. 3.3). Реализуемый номинальный тяговый момент на валу определялся при частоте вращения вала ротора ТАД на продолжительном режиме его работы, который соответствует расчетному режиму работы магистрального тепловоза со скоростью 24 км/ч.
Таблица 3.3. Значения мощностей асинхронных двигателей в зависимости от мощности силовой установки тепловоза Мощность силовой установки тепловоза, кВт 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Мощность на валу одного ТАД, кВт 180 240 305 365 425 485 550 Расчет выполнялся для электродвигателей с комбинированной обмоткой и грушевидными пазами ротора (типа ДАТ-305) и с петлевой обмоткой и прямоугольными пазами ротора (типа ДАТ-470). Изоляция катушек соответствовала классу нагревостойкости Н. До мощности Р2=430кВт асинхронный двигатель в 6-ти полюсном и 8-ми полюсном исполнении может быть размещен в одном габарите. При Р2 Л30кВт полюсность оказывает влияние на габарит двигателей.
Зависимости диаметра ротора, линейной нагрузки, тока статора и момента на валу ТАД при номинальном режиме работы от мощности на валу электродвигателя 1 - ТАД с комбинированной обмоткой; 2 - ТАД с петлевой обмоткой. D2 и М2 - соответственно значения диаметра ротора и момента на валу асинхронного двигателя; її и Алин - соответственно значения тока статора и линейной нагрузки. Поскольку расчеты выполнялись для одного значения номинальной частоты вращения ротора двигателя, то увеличение его числа пар полюсов при мощности более 430кВт приводит к возрастанию частоты питающего напряжения на номинальном режиме, так как fj—р П. Поэтому габарит 8-ми полюсного двигателя будет меньше, чем габарит двигателя с 2р=6 из-за насыщения магнитной цепи последнего. Так, например, если двигатель Р2=450кВт выполнить с диаметром статора D;-495мм и 2р=6 значение его коэффициента мощности снижается до 65%.
Изменение числа пар полюсов ТАД, диаметра ротора и диаметра колеса локомотива в зависимости от мощности на валу тягового двигателя 1 - ТАД с комбинированной обмоткой; 2 - ТАД с петлевой обмоткой. D2 и ОКОЛЕСО - соответственно значения диаметра ротора и диаметра колесной пары тепловоза; р - значения числа пар полюсов. Ступенчатое изменение габаритов диаметра статора неизбежно вызывает изменение его линейной нагрузки и тока в обмотках (рис. 3.8).
Возможный диапазон числа пазов статора для исследуемых двигателей составляет 60 Z, 96 , а для ротора 64 Z2 110 (рис. 3.10).
В тяговом двигателе с комбинированной обмоткой статора за счет большей длины лобовых частей, а соответственно и полувитка катушки сопротивление Rj 20 выше, чем в двигателях с петлевой обмоткой (рис. 3.11). Кроме того, двигатели мощностью 300 Р2, 5№кВт с числом полюсов 2/?=6 и 2р=% и диаметром ротора D2=495 520MM могут быть размещены в габарите тепловозной тележки с диаметром колеса \050мм (рис. 3.9). Wi и R120 - соответственно значения числа витков в фазе статора и значения активного сопротивления статорной обмотки; Ьп - ширина паза статора. При мощности асинхронного тягового двигателя более 550кВт потребуется переход на диаметр колесной пары [250мм. Результаты расчетов показали, что с ростом мощности двигателя Р2 реализуемый на валу номинальный момент для принятого значения VP с точностью до 3% может быть представлен аппроксимирующей зависимостью: М2 =0,02- Р22 +10,7- Р2 +415,0. Таким образом, с помощью разработанной модели и программного модуля были определены возможные геометрические параметры асинхронных тяговых электродвигателей заданного диапазона мощностей. Полученные методами математического моделирования результаты позволят прогнозировать эффективность работы тяговых асинхронных двигателей в эксплуатации.
Целевая функция для определения эффективности использования тягового привода постоянного тока и тягового асинхронного электропривода
Анализ удельного стоимостного показателя использования конструкционных материалов в тяговом двигателе постоянного тока и в асинхронном тяговом электродвигателе
Косвенную оценку себестоимости двигателя можно выполнять по удельной стоимости его основных конструкционных материалов. Такими материалами являются: электротехническая сталь, медь, а также электротехнический алюминий для стержней «беличьей» клетки в ТАД. Следовательно, коэффициент удельной стоимости конструкционных материалов тягового двигателя определится как:
Расчет коэффициентов Кус для тяговых двигателей выполнялся с учетом марок применяемых в них сталей, меди и алюминия в ценах 2007 года.
Анализ полученных результатов показал, что во всем диапазоне исследуемых мощностей тяговых двигателей наиболее экономичным двигателем, с точки зрения затрат на использование в нем конструкционных материалов, является тяговый асинхронный электродвигатель (рис. 5.1).
Наибольшее значение имеет коэффициент удельной стоимости материалов асинхронного двигателя при мощности Р2=\? ? кВт и составляет Удельная стоимость материалов в двигателе постоянного тока мощностью 183 кВт составляет 605,9 руб/кВт, что почти в 3 раза выше, чем значение КуС для асинхронного двигателя аналогичной мощности. При мощности коллекторного тягового двигателя 550 кВт показатель удельной стоимости составляет 367,5 руб/кВт, что в 2 раза выше, чем для асинхронного двигателя.
Сопоставление коэффициентов удельной стоимости конструкционных материалов коллекторного и асинхронного тягового двигателя в зависимости от мощности на валу КусТЭД - коэффициент удельной стоимости конструкционных материалов в тяговом двигателе постоянного тока; КусТАД - коэффициент удельной стоимости конструкционных материалов в тяговом асинхронном электродвигателе.
Анализ показал, что с ростом мощности двигателей постоянного и переменного тока снижаются не только значения их удельных стоимостных показателей, но и абсолютная разность между коэффициентами KyJDM и КуС . Это означает, что в мощных двигателях имеет место наиболее эффективный расход активных материалов на электрическую машину. Однако тяговый двигатель постоянного тока в любом случае дороже асинхронного тяговго двигателя из-за наличия в конструкции большого количества электротехнической меди.
При решении вопроса о выборе типа тягового электродвигателя для работы на локомотиве необходимо сопоставлять критерии, характеризующие стоимость двигателей и эффективность их работы в эксплуатации. В качестве таких критериев предлагается использовать значения коэффициентов удельной стоимости материалов двигателей постоянного и переменного тока, а также значения КПД двигателей в эксплуатации.
Принятые критерии оценки эффективности работы ТАД и ТЭД в энергетической цепи тепловоза по значениям г/ и Кус принадлежат пространству, которые представляют собой множество Парето, т.к. не имеют прямой функциональной зависимости [124].
В задачах многокритериальной оптимизации наиболее строгое решение задачи определения параметров системы получается при использовании целевой функции, представляющей собой свертку из выбранных критериев оценки эффективности, в основу которой положено минимаксное (чебышевское) приближение множества критериев к утопической точке [125, 126]. Для использования данного приближения необходимо иметь непротиворечивые критерии, т.е. такие критерии, которые стремятся либо к максимуму, либо к минимуму.
Применительно к решаемой задаче в качестве целевой функции из принятых критериев оценки экономичности тяговых двигателей принята функция, представляющая собой радиус-вектор, начало которого расположено в утопической точке множества Парето [127] (рис. 5.2).
Утопическая точка множества имеет координату со значениями (0;1) поскольку КПД двигателей в относительных единицах (о.е.) не может быть больше единицы.
К определению целевой функции для оценки экономичности тяговых двигателей различной мощности
Оценку затрат на расход материалов в тяговых двигателях различной мощности предполагается выполнять по соотношению КуСТАД/КусТЭД-Очевидно, что во всем диапазоне исследуемых мощностей двигателей целевая функция может принимать значения 1 Ц Vo, а рациональному типу тягового электродвигателя для заданных условий эксплуатации соответствуют значения Ц — min. Анализ значений целевых функций показал, что самым экономичным двигателем является асинхронный тяговый двигатель в случае питания его от ИСН. Значение целевой функции для этого типа двигателя находится в диапазоне 1,36-4,4ае., что в 1,1-4,3 раза меньше, чем для ТЭД, поскольку асинхронный двигатель дешевле двигателя постоянного тока.
