CC BY
80
УДК 621.333
АНАЛИЗ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗОВ
С УЧЕТОМ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
В.В. Харламов, П.К. Шкодун, Д.И. Попов, А.В. Проненко
Омский государственный университет путей сообщения E-mail: [email protected]
Предложено проводить приемо-сдаточные испытания тяговых электродвигателей электровозов не только в стационарных, ноив переходных режимах. На основе математического моделирования переходных процессов в цепи обмотки якоря предложен подход, позволяющий определить требования к силовому оборудованию испытательной станции, необходимые для обеспечения испытания тяговых электродвигателей сучетом параметров перегона, а также провести оценку возможности реализации необходимых режимов с использованием существующих испытательных станций.
Ключевые слова:
Тяговый электродвигатель, диагностирование, математическое моделирование, реальные условия эксплуатации.
Key words:
Traction electric motor, diagnostics, mathematical modeling, actual environment of operations.
Повышение качества технического обслуживания электровозов в условиях локомотивного депо, несомненно, является актуальным. Одним из путей достижения указанной цели является решение задачи совершенствования методики проведения приемо-сдаточных испытаний тяговых электродвигателей (ТЭД), в том числе при их испытаниях на коммутационную устойчивость.
В настоящее время оценку коммутационной устойчивости работы ТЭД при проведении приемо-сдаточных испытаний производят в соответствии с ГОСТ 2582-81 и разработанными технологическими картами в стационарном режиме нагрузки [1]. Вместе с тем, уровень искрения под щетками ТЭД зависит не только от постоянной составляющей тока якоря, но и от его производной по времени, которая воздействует на магнитный поток в зоне коммутации [2], что приводит к усилению неидентичности коммутационных циклов в секциях обмотки якоря и, следовательно, к значительному усложнению настройки коммутации. Возникновение искрения щеток и появление круговых огней при эксплуатации ТЭД в большей степени проявляется в нестационарных (переходных) режимах работы электродвигателей, например, при трогании электровоза, боксовании.
Следовательно, необходимо проводить испытания ТЭД не только в стационарных, но и в переходных режимах работы с учетом условий эксплуатации. Для этого необходимо сформировать методику получения информации об особенностях работы ТЭД электровоза на участке железной дороги с целью определения параметров переходных режимов в силовой цепи ТЭД. С другой стороны, полученная информация может служить основой для уточнения условий проведения приемо-сдаточных испытаний и формирования требований к силовому оборудованию испытательной станции ТЭД.
Для возможности детального анализа данного вопроса необходимо провести математическое моделирование переходных процессов в цепи обмот-
ки якоря ТЭД, которое позволит получить необходимые данные для определения режимов, устанавливаемых при проведении испытаний. В качестве исходных данных для математического моделирования переходных режимов возможно использование результатов измерений, выполненных на перегоне Ишим-Московка Западно-Сибирской железной дороги, и параметров эксплуатируемых на данном перегоне электровозов ВЛ-10 с тяговыми двигателями ТЛ-2К1. На данном перегоне рассмотрены переходные режимы при начале движения электровоза с места, осуществлении ослабления возбуждения ТЭД и др. Данные измерений параметров по одному из участков выбранного перегона приведены на рис. 1. Помимо напряжения контактной сети, схемы соединения силовых цепей ТЭД и скорости движения электровоза также регистрировалась степень ослабления возбуждения.
На основании электрической схемы соединений электровоза ВЛ-10 [3] и соответствующей схемы замещения (рис. 2) сформирована система дифференциальных уравнений, описывающая переходные процессы в якорной цепи ТЭД:
'dL = 1 х
dt 24 + 4P(t)
x[Ua(t) -n(t)• Ce .ф(IJ-la -2Ra];
~(Ua (t) - n(t) • Ce хФ( IJ) x
d1,
dt
L + L
x-
24 + 4P(t)
... - /,(*, + Rm(t)) +
+1
RJt) -ZR
24 + 4p(t)
(*)
где І, Ів - ток якоря и возбуждения, А; Ї - время, с; иа(і) - напряжение, приходящееся на один ТЭД, равное отношению напряжения сети к коэффициенту, учитывающему схему соединения двигателей
ЄР
ю
о
2000
1000
104
и 1500
к
750
104
130
156
182
208 Ї, мин.
а
130
156
182
208
мин.
б
Рис. 1. Фрагмент результатов измерений, выполненных на участке перегона Ишим~Московка Западно-Сибирской железной дороги: а) напряжение, приходящееся на один ТЭД, сучетом схемы соединения (сериесное, сериес-параллельное, параллельное); б) частота вращения якоря ТЭД
(сериесное, сериес-параллельное, параллельное), В; п^) - частота вращения якоря, об/мин; Се-Ф(11)=Еа/п - отношение ЭДС обмотки якоря к частоте вращения, В-мин/об; Яш(/) - суммарное сопротивление в цепи, шунтирующей обмотку возбуждения, задающее степень ослабления возбуждения, Ом; 2Яа - сумма сопротивлений обмоток якоря Яя, добавочных полюсов Яд.п, компенсационной Як.о и возбуждения Яв, Ом; 2Ьа - сумма индуктивностей обмоток якоря Ь„, добавочных полюсов Хд.п, компенсационной Хк.о и возбуждения Х„, Гн; Ьъ, Хиш, Хдр(/) - индуктивности обмотки возбуждения, индуктивного шунта и дросселя, Гн.
При этом следует учитывать, что индуктивность Хиш является функцией, зависящей от тока, проте-
кающего по индуктивному шунту /и.ш=/„-/в, т. е.
Ат=/ (1а-К).
В случае переключения схемы соединения ТЭД (сериесное, сериес-параллельное, параллельное), которое происходит при полном возбуждении, необходимо решить только одно (первое) дифференциальное уравнение из системы (*). При этом в сумму сопротивлений 2Яа необходимо включить сопротивление добавочных резисторов Яд (/), вводимых в цепь якоря в пусковых позициях главного вала контроллера машиниста.
При решении представленной системы дифференциальных уравнений с нелинейными коэффициентами (*) использована программа ИМксай и реализованный в ней численный метод решения
ь
и.ш
я
ш
Рис. 2. Схема замещения силовой цепи электровоза ВЛ-10
0
0
систем дифференциальных уравнений Рунге-Кут-та четвертого порядка, позволяющий с необходимой точностью найти численные решения и визуализировать их в виде графиков зависимости тока якоря от времени
В результате решения системы уравнений получены графики изменения тока якоря ТЭД в переходных режимах. Одна из характерных кривых изменения тока якоря при переключении с полного на ослабленное возбуждение представлена на рис. 3. По расчетным кривым определен ряд значений производной тока якоря по времени dIJdt, как тангенс угла tga между осью абсцисс и касательной к кривой тока якоря в начале переходного процесса.
Рис. 3. Расчетная кривая тока якоря в переходном процессе при переключении с режима полного на первый режим ослабления возбуждения
Статистическая обработка результатов, полученных на расчетном перегоне для переходных процессов при переключениях в силовой цепи, позволила получить гистограммы распределения скорости изменения тока якоря. Одна из характерных гистограмм, соответствующих переходу с полного на ослабленное возбуждение для рассматриваемого участка железной дороги, приведена на рис. 4. Количество интервалов группирования на гистограмме выбрано в соответствии с формулой Стер-джеса [4].
Полученная гистограмма наглядно отображает распределение значений производной тока якоря для рассмотренного перегона и может быть ис-
пользована в качестве исходной информации для уточнения условий приемо-сдаточных испытаний, необходимых для решения задачи обеспечения возможности испытательной станции моделировать переходные процессы, соответствующие тем, что ТЭД испытывает в эксплуатации. В частности, из гистограммы видно, что производная тока якоря ТЭД на рассмотренном перегоне наиболее часто имеет значение от 100 до 200 А/с, а максимальное значение не превышает 800 А/с.
0
^ 32-------------------------------------------------------------------------
28----------------------------------------------------------------------
24----------------------------------------------------------------------
20----------------------------------------------------------------------
16----------------------------------------------------------------------
12----------------------------------------------------------------------
8-----------------------------------------------------------------------
4-----------------------------------------------------------------------
0 ___________________________1^=^=!___________________
0 100 200 300 400 500 600 700 800
dIJdt, А/с
Рис. 4. Гистограмма распределения скорости изменения тока dI/dt
Выводы
1. В связи со значительным ухудшением условий коммутации в нестационарных режимах предложено при приемо-сдаточных испытаниях проводить оценку коммутационной устойчивости ТЭД не только в стационарных, но и в переходных режимах.
2. На основании численного решения системы дифференциальных уравнений, описывающих переходные процессы в якорной цепи ТЭД, предложена методика получения информации необходимой для формирования требований к силовому оборудованию испытательной станции тяговых электродвигателей.
3. Результаты математического моделирования переходных процессов в якорной цепи ТЭД позволяют провести оценку возможности реализации необходимых переходных режимов на существующих испытательных станциях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 2582-81. Машины электрические вращающиеся тяговые. Общие технические условия.
2. Авилов В.Д. Методы анализа и настройки коммутации машин постоянного тока. - М.: Энергоатомиздат, 1995. - 237 с.
3. Кикнадзе О.А. и др. Электровозы ВЛ-10 и ВЛ-10У. Руководство по эксплуатации. - М.: Транспорт, 1981. - 519 с.
4. Абенгауз Г.Г. Справочник по вероятностным расчетам. - М.: Воениздат, 1970. - 536 с.
Поступила 24.01.2012 г.
