Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ методов и средств для испытаний асинхронных тяговых двигателей 11
1.1 Основные задачи ОАО «РЖД» по обновлению парка локомотивов 11
1.2 Внедрение подвижного состава с асинхронным тяговым приводом 12
1.2.1 Развитие полупроводниковой техники 13
1.2.2 Полупроводниковые силовые электронные устройства (преобразователи частоты) 14
1.2.3 Основные схемные решения в применяемых преобразователях частоты 17
1.2.4 Создание первых локомотивов с асинхронным тяговым приводом 19
1.2.5 Современное состояние подвижного состава с асинхронным тяговым приводом 20
1.3 Технологическая оснащенность локомотивных ремонтных депо
и заводов 23
1.4 Выбор способа и схемы испытаний асинхронных тяговых двигателей 25
1.4.1 Виды испытаний электрических машин 25
1.4.2 Периодичность проведения испытаний тяговых асинхронных двигателей 29
1.4.3 Анализ существующих методов испытаний асинхронных тяговых двигателей локомотивов 31
1.4.4 Анализ применяемых схем испытаний асинхронных двигателей 34
Выводы по главе 1 41
2 Математическое моделирование процесса испытаний асинхронных тяговых двигателейлокомотивов методом взаимной нагрузки
2.1 Математическое описание работы основных элементов схемы 43
2.1.1 Выбор математической модели, описывающей процессы в трехфазном асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором 44
2.1.2 Математическое описание преобразователей частоты для выбранного закона управления 48
2.2 Система уравнений для описания работы асинхронных двигателей при их испытании методом взаимной нагрузки 55
2.3 Анализ влияния высших гармоник напряжения на выходе преобразователей на мощность испытуемых асинхронных двигателей 58
2.4 Проверка адекватности разработанной математической модели 64
2.5 Математическое моделирование процесса испытаний асинхронных тяговых двигателей НТА-1200 методом взаимной нагрузки 70
Выводы по главе 2 75
3 Физическое моделирование процесса испытаний асинхронных тяговых двигателей локомотивов при использовании метода взаимной нагрузки 76
3.1 Определение критериев подобия процессов в асинхронных двигателях физической модели и тяговых асинхронных тяговых двигателях при их испытании методом взаимной нагрузки 76
3.2 Предварительная оценка эффективности метода взаимной нагрузки при испытании асинхронных двигателей 80
3.3 Расширение функциональных возможностей физической модели стенда для испытаний асинхронных тяговых двигателей методом их взаимной нагрузки 84
3.4 Экспериментальные исследования метода взаимной нагрузки на физической модели процесса испытаний асинхронных тяговых двигателей 90
Выводы по главе 3 95
Разработка схем для испытании асинхронных тяговых двигателей локомотивов с применением метода взаимной нагрузки и методик определения потерь в основных элементах этих схем 97
4.1 Предлагаемые схемы испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки 97
4.2 Выбор схемы для испытаний тяговых асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки 104
4.3 Разработка методики определения мощности, потребляемой схемой, и потерь в её основных элементах при испытании асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки 105
4.4 Применение разработанных методик определения мощности для уточнения математической модели процесса испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки т формирования алгоритмов выбора коммутационного оборудования и схемы испытаний 125
Выводы по главе 4 132
5 Алгоритм проведения испытаний асинхронных тяговых двигателей локомотивов методом их взаимной нагрузки 134
5.1 Измерение сопротивления изоляции обмоток относительно корпуса.. 134
5.2 Измерение сопротивления обмоток постоянному току 137
5.3 Прокрутка двигателей 140
5.4 Испытание электрической прочности междувитковой изоляции 142
5.5 Определение тока и потерь холостого хода 144
5.6 Определение тока и потерь короткого замыкания 145
5.7 Испытание на нагревание 147
5.8 Испытание при повышенной частоте вращения 150
5.9 Испытание электрической прочности изоляции обмоток относительно корпуса 151
Выводы по главе 5 155
Технико-экономическое обоснование выбора схемы для испытаний асинхронных тяговых двигателей локомотивов с применением метода взаимной нагрузки 156
6.1 Расчет затрат на выполнение НИОКР 157
6.2 Расчет затрат на материалы и комплектующие изделий для создания схемы испытаний асинхронных тяговых двигателей 165
6.3 Расчет амортизационных отчислений 171
6.4 Расчеты по оплате труда основных работников для изготовления схемы испытаний 173
6.5 Расчет затрат на энергетические ресурсы 175
6.6 Сводная таблица расходов на изготовление, проектирование схем испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки 178
6.7 Расчет экономической эффективности, срока окупаемости и чистого дисконтированного дохода схем испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки 180
Выводы по главе 6 186
Заключение 187
Список литературы
- Полупроводниковые силовые электронные устройства (преобразователи частоты)
- Выбор математической модели, описывающей процессы в трехфазном асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором
- Предварительная оценка эффективности метода взаимной нагрузки при испытании асинхронных двигателей
- Измерение сопротивления обмоток постоянному току
Полупроводниковые силовые электронные устройства (преобразователи частоты)
В России первые попытки использования асинхронного привода на подвижном составе железных дорог были предприняты более полувека назад. Одной из главных проблем, которая препятствовала внедрению тягового асинхронного привода на железнодорожном транспорте можно назвать слабый уровень развития управляемой полупроводниковой техники [86]. Выделим основные эта 13 пы, которые способствовали внедрению асинхронного привода в качестве тягового на подвижном составе: - развитие полупроводниковой техники; - создание силовых электронных устройств на базе полупроводниковой техники (преобразователей частоты); - создание первых локомотивов с асинхронным тяговым приводом; - развитие подвижного состава с асинхронным тяговым приводом на современном этапе.
В 1955 г. был впервые создан полупроводниковый управляемый прибор, имеющий четырёхслойную структуру и получивший название «тиристор» [32,61,62,65,97]. Он включается подачей импульса на электрод управления при положительном напряжении между анодом и катодом. Выключение тиристора обеспечивается снижением протекающего через него прямого тока до нуля, для чего разработано множество схем индуктивно-ёмкостных контуров коммутации. Они не только увеличивают стоимость преобразователя, но и ухудшают его массогабаритные показатели, снижают надёжность. Одновременно с созданием тиристора начались исследования, направленные на обеспечение его выключения по управляющему электроду.
Первые подобные тиристоры появились в 1960 г. в США. Они получили название Gate Turn Off (GTO) [59, 85,104]. В нашей стране они больше известны как запираемые или выключаемые тиристоры. Основной недостаток GTO заключается в больших потерях энергии в защитных цепях прибора при его коммутации. Повышение частоты увеличивает потери, поэтому на практике тиристоры GTO коммутируются с частотой не более 250-300 Гц.
В середине 90-х годов фирмами «ABB» и «Mitsubishi» был разработан новый вид тиристоров Gate Commutated Thynstor (GCT) [59, 85, 104]. Собственно, GCT является дальнейшим усовершенствованием GTO, или его модернизацией. Основной особенностью тиристоров GCT, по сравнению с приборами GTO, является быстрое выключение, которое достигается как изменением принципа управления, так и совершенствованием конструкции прибора.
В настоящее время практически все виды силовых полупроводниковых приборов освоены на российском предприятии ОАО «Электровьшрямитель» (г. Саранск) [59].
В 1985 г., был разработан биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) с полностью плоской структурой и более высокими рабочими напряжениями [59,85,104,123]. Это устройство имеет: - малые потери в открытом состоянии при больших токах и высоких напряжениях; - характеристики переключения и проводимость биполярного транзистора; - управление производится подачей напряжения. На сегодняшний день IGBT как класс приборов силовой электроники занимает и будет занимать доминирующее положение для диапазона мощностей от единиц киловатт до единиц мегаватт. Особую роль IGBT-модули играют в развитии железнодорожного транспорта. Применение этих перспективных приборов в тяговом преобразователе позволило повысить частоту переключения, упростить схему управления, минимизировать загрузку сети гармониками и обеспечить снижение потерь в обмотках трансформатора и дросселей [59,85,104,123].
Полупроводниковые силовые электронные устройства (преобразователи частоты) Преобразователи частоты, применяемые в регулируемом электроприводе переменного тока, в зависимости от структуры и принципа работы силовой части разделяются на два класса [49, 98]: - преобразователи частоты с явно выраженным промежуточным звеном по стоянного тока; - преобразователи частоты с непосредственной связью (без промежуточного звена постоянного тока). Исторически первыми появились преобразователи с непосредственной связью (рисунок 1.1), в которых силовая часть представляет собой управляемый выпрямитель и выполнена на незапираемых тиристорах [126]. Система управления поочередно отпирает группы тиристоров и подключает статорные обмотки двигателя к питающей сети.
В таких преобразователях частота выходного напряжения не может быть равна или выше частоты питающей сети. Она находится в диапазоне от 0 до 30 Гц [126]. Как следствие малый диапазон регулирования частоты вращения двигателя (не более 1 : 10). Это ограничение не позволяет применять такие преобразователи в современных частотно регулируемых приводах с широким диапазоном регулирования технологических параметров. Подобные схемы преобразователей используются в старых приводах. Их новые конструкции практически не разрабатываются.
Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых приводах находят преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока (рисунок 1.2) [19, 34, 113,125].
В преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется элементом В, фильтруется элементом Ф, сглаживается, а затем преобразуется инвертором И в переменное напряжение требуемой частоты и амплитуды.
В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные модификации GCT, IGCT, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.
Главным достоинством тиристорных преобразователей частоты, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия.
Применение IGBT с более высокой частотой переключения в совокупности с микропроцессорной системой управления в преобразователях частоты снижает уровень высших гармоник, характерных для тиристорных преобразователей [59, 85, 104, 122]. При одинаковой выходной мощности они отличаются меньшими габаритами, массой, повышенной надежностью в силу модульного исполнения электронных ключей, лучшего теплоотвода с поверхности модуля и меньшего количества конструктивных элементов.
Выбор математической модели, описывающей процессы в трехфазном асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором
Алгоритм, представленный на рисунке 2.7, представляет собой задание пилообразного напряжения в виде отдельных линейных функций. На начальном этапе задаются величина амплитуды сигнала пилообразного напряжения Uu, период формирования сигналов пилообразного напряжения Т, начальный период фронт нарастания импульса (от нуля до амплитудного значения сигнала пилообразного напряжения) Т4. В приведенном фрагменте алгоритма результирующий сигнал пилообразного напряжения задается функцией и(х) (далее по тексту umu ).
После этого происходит определение момента времени t в зависимости от которого и формируется требуемый уровень сигнала.
Порядок формирования сигналов напряжения по фазам а, Ъ, с на выходе частотного преобразователя определен уравнениями (2.23), (2.24), (2.25). Формирование сигналов основано на сравнении задающих сигналов с опорным (сигналом ГЛИН). Величина амплитуды сигнала напряжения и ее знак формируется в зависимости от соотношения знаков задающих сигналов (и а, и ь, и с) и сигнала ГЛИН
Система уравнений для описания работы асинхронных двигателей при их испытании методом взаимной нагрузки Система уравнений для описания процессов испытаний асинхронных двигателей должна учитывать работу ее основных элементов с учетом механических и электрических связей. Разработанная математическая модель представляет собой систему из 13 дифференциальных уравнений [3, 6]: - уравнения с первого по шестое описывают электромагнитные процессы, происходящие в первой электрической машине; - уравнения с восьмого по тринадцатое описывают электромагнитные процессы, происходящие во второй электрической машине; - седьмое уравнение системы определяет общую частоту вращения механически сопряженных электрических машин, связывая электромагнитные моменты, моменты сопротивления и моменты инерции этих машин.
Уравнения с первого по шестое и с восьмого по тринадцатое составлено из значений подведенных напряжений к обмоткам статора ща, ща, ща, активных сопротивлений обмотки статора Rb приведенных сопротивлений обмотки ротора R2 , числа пар полюсов р, частоты вращения ротора со, индуктивностей обмоток статора и ротора Lli и Ы2, взаимных индуктивностей Ll12. А также как отмечалось выше, дифференциальные уравнения составлены через токи обмоток статора и ротора.
Седьмое уравнение системы составлено из электромагнитных моментов первого и второго двигателя, момента инерции J (как суммы моментов инерции каждого электродвигателя), взаимных индуктивностей обмоток статора и ротора первой и второй машины Ы12 и L212 соответственно, момента потерь Мпот (как суммы моментов потерь в обеих машинах).
При моделировании работы инвертора в спектре гармоник напряжения, как было отмечено ранее, присутствуют гармоники высших порядков. Выделение этих гармоник и их последующий учет делают уравнения напряжений громоздкими, увеличивая трудоемкость расчета математической модели. Поэтому была поставлена задача, оценить влияние высших гармоник в составе напряжения на одну из основных выходных величин математической модели, например, электрической активной мощности, потребляемой (генерируемой) асинхронными двигателями.
Были рассмотрены следующие моделируемые сигналы напряжения 50 Гц, 45 Гц, 40 Гц при частоте коммутации транзисторов (опорном пилообразном сигнале напряжения), равной 4 кГц. Сформированные сигналы напряжения на примере фазы а представим на рисунке 2.8. Выполнив разложение сформированных сигналов напряжения в ряд Фурье, получили ряд гармоник для рассмотренных частот напряжения. Результаты математической моделирования по активным мощностям двигателя Pi и генератора Рц с учетом высших гармоник в уравнениях напряжений по фазам и без их учета представлены в таблицах 2.2-2.4.
В таблице 2.2 задан режим работы испытуемых машин на холостом ходу при номинальной частоте питающего напряжения 50 Гц. Рассчитаны значения потребляемой мощности первой и второй электрической машиной Pi И РЦ С учетом влияния высших гармоник в составе подведенного напряжения и без их учета. Подсчитано отклонение полученных значений относительно номинальной мощности двигателя. 13,3
Порядковыйномер гармоники Амплитуда, В Значение мощности, Вт,без учета высших гармоник Значение мощности, Вт, с учетом высших гармоник Относительное отклонение значений мощности, %
В таблицах 2.3 и 2.4 задан режим работы испытуемых машин под нагрузкой при номинальной частоте питающего напряжения 50 Гц одной из машин и питающего напряжения частотой 45 Гц на другой машине в первом случае, во втором случае - 40 Гц. Рассчитаны значения потребляемой мощности первой и второй электрической машиной Р: и Рп с учетом влияния высших гармоник в составе подведенного напряжения и без их учета. Подсчитано отклонение полученных значений относительно номинальной мощности двигателя. Отрицательные значения мощности Рп при работе второй электрической машины под нагрузкой соответствуют изменению направления передачи мощности, т.е. переход электрической машины в генераторный режим.
Предварительная оценка эффективности метода взаимной нагрузки при испытании асинхронных двигателей
Помимо научных исследований, стенд предполагается использовать в учебном процессе. Для чего принято решение о дополнительной комплектации стенда следующим оборудованием [5]: - ноутбук для приема сигналов с преобразователей интерфейсов и дальнейшей обработки этих сигналов с применением разработанного программного обеспечения; - принтер для распечатки протокола испытаний; - преобразователь интерфейсов для приема сигналов от цифровых электроизмерительных приборов и преобразователей частоты; - цифровой осциллограф для измерения формы сигналов на всех участках цепи; - мегаомметр для измерения сопротивления изоляции обмоток; - измеритель сопротивления обмоток для проведения измерения сопротивления изоляции обмоток постоянному току; - измеритель температуры и термопары для измерения температуры основных частей электродвигателей.
Автоматизация стенда и его комплектация в соответствии с ГОСТ 7217-87 [54] позволит использовать полученные результаты при проектировании испытательной станции для двигателей подвижного состава с асинхронным тяговым приводом
Экспериментальные исследования метода взаимной нагрузки на физической модели процесса испытаний асинхронных тяговых двигателей
Одним из способов испытаний электрических машин является проведение опыта холостого хода. Используя функциональные возможности стенда: включение или отключение части электрической цепи с помощью контакторов КМ1 -КМ4 возможно осуществление питания испытуемого двигателя от неуправляемого выпрямителя и управляемого выпрямителя-инвертора - другого. В дальнейшем указанная особенность стенда будет использована при составлении методики определения потерь в основных элементах схемы.
Эксперименты при выполнении опыта холостого хода были выполнены с использованием анализатора качества электрической энергии AR-5, который подключался к испытуемому двигателю. При этом на управляемом выпрямитель-инверторе изменяли частоту коммутации транзисторов - 4 кГц, 8 кГц и 16 кГц с помощью преобразователей частоты. Результаты проведенного опыта холостого хода для номинальной частоты питающего напряжения приведены в таблице 3.2. Таблица 3.2 - Измерение основные параметров электрической цепи при выполнении опыта холостого хода
При выполнении опыта холостого хода фиксировались следующие значения: - параметры, потребляемые из сети: ток сети 1с, фазное напряжение в сети Uc; активную мощность сети Рс, реактивную мощность Rc, полную мощность , - ток и напряжение в общей шине постоянного тока, в таблице приведено расчетное значение мощности Рщпт, передаваемой по общей шине постоянного тока, определяемой как произведение, измеренных значений тока и напряжения; - параметры, потребляемые испытуемым двигателем: фазные напряжения UR (приведено среднее значение по фазам); активная мощность Рд; реактивная мощность RR; ток /д. Частота коммутации транзисторов задавалась с помощью частотного преобразователя.
В таблице 3.2 приведены так же расчетные значения потерь мощности в выпрямителе первого частотного преобразователя АРъътр, к которому подводится питание из сети, и потерь в инверторе второго частотного преобразователя АРшт, который обеспечивает питание испытуемого двигателя. Расчет и порядок сборки схемы для определения потерь в выпрямителе и инверторе приведены в главе 4.
По проведенным экспериментам можно сделать следующие выводы: - частота коммутации транзисторов не влияет на потери в неуправляемом выпрямителе частотного преобразователя; - минимальные потери в управляемом выпрямитель-инверторе были получены при частоте коммутации транзисторов 8 кГц. Эксперименты под нагрузкой проводились в двух вариантах: 1) обеспечив питание стенда через выпрямитель одного преобразователя частоты, а задание режима нагрузки обеспечивалось изменением частоты питающего напряжения, формируемого инверторами; 2) обеспечив питание стенда через выпрямители обоих частотных преобразователей, при этом задание режима нагрузки обеспечивалось, так же как и по первому варианту.
Измерение сопротивления обмоток постоянному току
Прокрутка асинхронных двигателей, в том числе тяговых, выполняется для достижения рабочей температуры основных частей испытуемого двигателя, в частности, подшипниковых узлов, которую необходимо измерить с помощью пирометра. Испытание проводиться на холостом ходу, продолжительность зависит от мощности машины и вида испытания. Например, для асинхронных тяговых двигателей мощностью от 100 до 1000 кВ при приемосдаточных испытаниях продолжительность прокрутку - 60 минут [54].
Для выполнения прокрутки асинхронных тяговых двигателей (пункт 3 последовательности испытаний) необходимо следующее оборудование: - преобразователи частоты; - таймер; - пирометр. Данное испытание проводиться с использованием преобразователей частоты, каждый из которых осуществляет питание своего асинхронного тягового двигателя. Схема для проведения прокрутки асинхронных тяговых двигателей приведена на рисунке 5.3.
Испытание проводится на холостом ходу при номинальной частоте питающего напряжения, формируемого с помощью преобразователей частоты. Двигатели испытывают повышенным напряжением на 30 %, которое превышает номинальное напряжение. Испытание проводится в течение трех минут [46].
Повышение напряжения возможно как на входе преобразователя, так и на выходе (со стороны питания двигателя). Однако экономически целесообразным является первый вариант, т.к. для этого потребуется один трансформатор, тогда как при использовании второго варианта - два, по одному на каждый испытуемый двигатель при испытании методом взаимной нагрузки.
Кроме того установка трансформатора до преобразователей частоты требует согласования с предельным значением входного напряжения этих преобразователей. Выпускаемые промышленностью преобразователи рассчитаны на широкий диапазон входного напряжения и выполняются в следующих вариантах: - преобразователи с входным напряжением 380 - 480 В; - преобразователи с входным напряжением 500 - 690 В. После повышения напряжения на входе преобразователя частоты, требуется задать величину напряжения на выходе преобразователя частоты, повысив величину номинального напряжения двигателя на 30 %.
Схема для выполнения испытания электрической прочности междувитковой изоляции показана на рисунке 5.4.
Электрическая схема остается той же, как на рисунке 5.4. Однако при выполнении данного испытания требуется подключение комплекта электроизмерительных приборов (амперметры, вольтметры и ваттметры) электроэнергии как средства измерения токов, напряжений и активной мощности испытуемой машины.
При приемосдаточных испытаниях выполняется только одно измерение при номинальном подведенном напряжении и частоте питания [54].
Испытание проводится при неподвижном состоянии валов испытуемых двигателей. При этом устанавливается механическая связь валов и обеспечивается их вращение в разных направлениях, что реализуется с помощью преобразователей частоты. При испытании требуется пониженное напряжение, которое определяется по таблице 2 [54], либо путем деления номинального напряжения двигателя на коэффициент 3,8 [54].
Для подачи пониженного напряжения можно использовать возможности преобразователей частоты, изменив настройки номинальных параметров испытуемой машины. При этом исключается необходимость в применении понижающих трансформаторов, а также устройств для реверсирования испытуемых двигателей.
При проведении опыта короткого замыкания должны быть выполнены измерения токов, напряжений и активной мощности при проведении опыта короткого замыкания. Схема испытаний приведена на рисунке 5.5
