Оценка энергетической эффективности применения метода взаимной нагрузки при испытании асинхронных тяговых двигателей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.333:621.314.26:621.313.33:621.317

В. Д. Авилов, Д. И. Попов, А. В. Литвинов

ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА ВЗАИМНОЙ НАГРУЗКИ ПРИ ИСПЫТАНИИ АСИНХРОННЫХ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Приведены сведения о политике ОАО «РЖД» в области энергосбережения и энергоэффективности. Проведена оценка энергетической эффективности применения метода взаимной нагрузки при испытании асинхронных машин на примере тяговых двигателей НТА-1200.

В настоящее время руководство страны уделяет значительное внимание вопросам повышения энергетической эффективности и энергосбережения. Данные понятия расшифрованы в Федеральном законе № 261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности».

Энергосбережение и повышение энергетической эффективности рассматривается как один из основных источников будущего экономического роста. Государственная программа РФ «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года», состоящая из ряда подпрограмм, одной из которых является «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на транспорте», задает основные пути развития в этом направлении и подчеркивает его приоритетность как для транспорта в целом, так и для железнодорожного транспорта в частности.

На железнодорожном транспорте разработаны две стратегии развития, период действия первой стратегии заканчивается в 2015 г., а второй - в 2030 г. Обе стратегии не противоречат работе [1], а лишь дополняют государственную программу. Так, одной из задач в рамках «Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года» является внедрение инновационных материалов, технических средств и технологий в области эксплуатации и ремонта инфраструктуры и подвижного состава, обеспечивающих снижение стоимости жизненного цикла подвижного состава и повышение надежности его эксплуатации.

Обновление и замена локомотивного парка на локомотивы с повышенной энергоэффективностью, улучшенными тяговыми свойствами и рекуперацией энергии возможны при использовании асинхронного тягового привода. Этот тип привода имеет ряд известных преимуществ перед тяговым приводом постоянного тока. Его широкое внедрение в настоящее время стало возможным в связи с высоким уровнем развития силовой преобразовательной техники. В настоящее время в России эксплуатируется следующий подвижной состав с асинхронным тяговым приводом: электровозы НПМ2, ЭП20, 2ЭС10, 2ЭС5; тепловозы 2ТЭ25А, ТЭМ9Н; электропоезда «Аллегро», «Ласточка», ЭТ4А.

В связи с большим интересом ОАО «РЖД» к применению бесколлекторного тягового привода на базе асинхронных двигателей и удовлетворительными результатами его эксплуатации на новом подвижном составе вполне оправданно ожидать дальнейший рост его внедрения. Однако вся отрасль железнодорожных перевозок должна быть готова к проведению обслуживания и ремонта новой техники. Это требует в первую очередь разработки соответствующих стандартов, норм и правил, отвечающих современным условиям развития техники и технологии, а также обеспечения требуемым оборудованием для проведения ремонта и обслуживания основных узлов подвижного состава. Причем оборудование должно быть не только работоспособным и надежным, но и должно характеризоваться повышенной энергетической эффективностью по сравнению с аналогами.

Метод взаимной нагрузки успешно применяется при испытании тяговых двигателей постоянного тока. Суть этого метода заключается в том, что испытуемый двигатель нагружают при помощи однотипной нагрузочной электрической машины, работающей в режиме генера-

2 ИЗВЕСТИЯ Транссиба _№ 3(15) 2013

= _

тора. Электрическая энергия, вырабатываемая нагрузочной машиной, используется для питания испытуемого двигателя. Из сети потребляется электрическая энергия, необходимая только для компенсации потерь в обеих машинах. По окончании испытаний обе машины меняются ролями: испытуемая машина становится нагрузочной, а нагрузочная проходит процесс испытаний. При этом не требуется никаких дополнительных операций по переустановке машин на испытательной станции.

Существует несколько различных методик, позволяющих испытать асинхронные двигатели методом взаимной нагрузки [1 - 3].

Одна из наиболее перспективных методик [1] состоит в следующем. Асинхронные двигатели подключены к электрической сети переменного тока посредством преобразователей частоты, которые осуществляют двойное преобразование энергии. Сначала подведенное из сети напряжение выпрямляется, сглаживается, а затем инвертируется для питания двигателей. Выпрямители выполнены неуправляемыми (диодный мост), а инверторы - управляемыми (ЮБТ-транзисторы). Между выпрямителями и инверторами находятся звенья постоянного тока, которые электрически объединены в одну систему. Реализация режима взаимной нагрузки осуществляется за счет установки разных частот питающего напряжения, подаваемого на электрические машины, и, соответственно, разных частот вращения их магнитных полей. При этом одна из электрических машин, магнитное поле которой вращается быстрее ротора, работает в двигательном режиме, а другая, магнитное поле которой отстает от ротора, - в генераторном. Вырабатываемая генератором электрическая энергия передается по звену постоянного тока двигателю, а энергия, необходимая для компенсации потерь в обеих машинах, потребляется из сети. Схема, поясняющая изложенное выше, приведена на рисунке 1.

~и

А В С

ООО

~Т

УТпУ—/

Рисунок 1 - Схема взаимной нагрузки асинхронных тяговых двигателей: АД1, АД2 - первый и второй асинхронные двигатели; ШПТ - общая шина постоянного тока

№ 3(15) ЛЛИ О ИЗВЕСТИЯ Транссиба 3

=2013 ■

В отличие от существующих схем испытаний асинхронных двигателей [2, 3] схема, предлагаемая в источнике [1], имеет следующие преимущества:

нет необходимости в применении дополнительных электрических машин, которые служили бы для регулирования нагрузки, эту функцию выполняют преобразователи частоты;

применение двухзвенных преобразователей частоты, входными звеньями которых являются неуправляемые выпрямители, по сравнению с аналогичными, имеющими управляемые выпрямители на входе, существенно снижает их стоимость;

передача электрической энергии по общей шине постоянного тока снижает загрузку выпрямителя, общие потери в схеме и влияние на сеть высших гармоник;

использование преобразователей частоты позволяет повысить информативность процесса испытаний.

Для оценки энергетической эффективности процесса испытания асинхронных тяговых двигателей проведена апробация данного метода на физической модели, позволяющей реализовать метод взаимной нагрузки при испытании асинхронных двигателей малой мощности.

Испытания на физической модели показали, что эффект от применения данного метода может достигать 60 % экономии электрической энергии (рисунок 2).

1,6 о. е.

1,2.

1,0 0,8. 0,6 0,4 0,2 0' -0,2 -0,4 -0,6. -0,8

1300

1350

1400

об / мин

1500

Рисунок 2 - Сравнение результатов моделирования и эксперимента: электрическая мощность, потребляемая первой и вырабатываемая второй машиной

На рисунке 2 введены следующие обозначения:

Р1мод - мощность, потребляемая испытуемым двигателем, полученная в результате математического моделирования;

Р2мод - мощность, вырабатываемая нагрузочным генератором, полученная в результате математического моделирования;

Р1эксп - мощность, потребляемая испытуемым двигателем, полученная в результате измерений при эксперименте на физической модели;

Р2эксп - мощность, вырабатываемая нагрузочным генератором, полученная в результате измерений при эксперименте на физической модели.

Для последующей оценки эффективности применения метода взаимной нагрузки при испытании асинхронных двигателей разработана математическая модель в виде системы дифференциальных уравнений (1), которая для отдельного асинхронного двигателя приведена в работе [4]. Система дифференциальных уравнений состоит из 13 уравнений:

уравнения с первого по шестое описывают электромагнитные процессы, происходящие в первой электрической машине;

п

4 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 3(15) 2013

1

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.

Проверка адекватности математической модели выполнена сопоставлением результатов моделирования и экспериментов на физической модели. Входными параметрами модели приняты характеристики асинхронных двигателей, использованных при физическом моделировании, АДМ71В4У2: Я1 = 14,5 Ом; Я2 = 13,8 Ом; р = 2; = 1,75 А; 3 = 2-0,00143 кгм2; /1а = 0,04 Гн; /2а = 0,036 Гн; Рн = 750 Вт; Пн = 1350 об/мин; Мн = 5,3 Нм; Щф = 220 В. Закон управления частотными преобразователями - скалярный. Решение системы дифференциальных уравнений выполнено при помощи программного продукта МаШСАО 14.0.

В математической модели приняты следующие допущения: не учитываются

- влияние высших гармоник напряжения, возникающих в результате широтно-импульсной модуляции (ШИМ-модуляции) - сигналы напряжений приняты идеальными синусоидами;

- частота коммутации транзисторов и потери в частотных преобразователях;

- насыщение магнитной системы двигателей;

- эффект вытеснения тока;

- изменение активных сопротивлений с изменением температуры нагрева обмоток машин;

- двигатель работает в диапазоне от холостого хода до номинального режима.

Сопоставление результатов моделирования и эксперимента по потребляемой и генерируемой мощностям показывает, что максимальное расхождение результатов моделирования и эксперимента не превышает 5 % (см. рисунок 2: график построен в относительных единицах от номинальной мощности двигателя). Данные по режиму работы при номинальной нагрузке испытуемого двигателя приведены на рисунке 3, где указано распределение мощностей по элементам схемы испытаний, полученное в результате измерений на физической модели и в результате расчетов (приведено в скобках).

-и

А В С

Частотный преобразователь 2

Рисунок 3 - Распределение мощностей по результатам эксперимента на физической модели и по расчету математической модели (номинальный режим нагрузки испытуемого двигателя АД1)

№.?!15) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 5

йг <1 • Ь11

й/11ъ 1

йг <1 • А

й/11с 1

йг <1 • А

йИ' 2а 1

г 1 <1 • Ь12

й/12ъ 1

йг <1 • Ь12

сИ2с 1

<1 • И„

и1а(1) - Я1а • К + к1 и1ъ(г) - '\ъ • К + к1 Щс(*) - Я1с • К + Д

Ы, • («1а(0 - ¡\а • К ) +

к1, • (и

1ъ (г) - п 1ъ К ) + к1, • (и1с(г) -/11с • К) +

/12а • К + -Г; а(1120\ь -/110)+¿1//12ъ - /12с)

73

/12ъ • К2+-Р "(^12 (/11с - /11а ) + ^12(/12с -/12а )

л/3

/12с • Кю(ь\г(/\а -/11Ь)+(/12а -/12ь;

73

/12а • К +-Р "(^12 (/\ъ -/11с ) + ^12(/12ъ -/12с )

73

/12ъ • К +-Р: "(П12(/\с - /11а ) + П2 (/12с - /12а )

73

/12с • ^2+^ "(Ы^а -/11Ь ) + ^Ка -/12ь )

73

йг

= ^[/11а • (/12ъ -/12с ) + /1!ъ • (/12с - /12а ) + /11с ' (/12а - ^Ь )]' ^12 + [/21а ' О^ - /22с ) +

+/2\ъ-(/22с -/22а) + /21с • (/22а -/22ь]-^•

й/2.

1

йг <2 • Ь21

й/21ъ 1

йг <2 • Ь21

й/11с 1

йг а2 • Ь21 й/2' 1

йг

г 1 <2 • Ь22

й/22ъ 1

йг <2 • Ь22

й/2'2с 1

<2 • Ь2.

и2а(г) - /21 а ^ К1 + к2

и2ъ(г) -/21ъ ^ К1 + к2,

и2с(г) - /21с • К1 + к2

к2,(Ща(г) - /21а • К ) +

к 2/и

2ъ (г) -/2 1ъ К ) +

к 2/Щс(г) - / 21с • К ) +

/22а • К +-Р:"(^(/2,ъ -/21с) + Ь22(/2^ -/2'2с)

73

/22ъ • К +-Рг "(¿212(/21с - /21а ) + Ь2г(/22с - /22а )

73

/22сК2 +^ "(Ь2Х2(/2Ха -/21Ь) + Ь22(/22а -/22ь)

/22а • К+^^^Кг (/ 21ъ - / 21с) + Ь22 (/22ъ - / 22с)

/22ъ • К2 "(Ь2,2(/21с -/21а) + Ь22(/2'2с -/2'2л)

/22с • К + ^"(Ь2хг(/21а -/21ь) + Ь2г(/22а -/22ь)

(1)

Для оценки применения метода взаимной нагрузки при испытании асинхронных тяговых двигателей в качестве исследуемого выбран двигатель НТА-1200, имеющий номинальную мощность 1200 кВт. Номинальные и основные параметры двигателя, необходимые для использования в качестве входных данных в математической модели, приведены в источнике [5].

В результате математического моделирования работы двух тяговых двигателей НТА-1200 в режиме взаимной нагрузки получены кривые, приведенные на рисунке 4, которые показывают, что применение метода взаимной нагрузки при испытаниях машин большей мощности дает значительно большую экономию электроэнергии. Так, если при работе в номинальном режиме при взаимной нагрузке маломощных двигателей АДМ71В4У2 на питание двигателей расходовалось 40 % от номинальной мощности, то для двигателей НТА-1200 эта величина, полученная при моделировании, составила 10 %.

Полученные результаты математического моделирования указывают на возможность реализации метода взаимной нагрузки при испытании асинхронных тяговых двигателей с высокой степенью энергетической эффективности и могут быть использованы при проектировании новых испытательных станций для тяговых асинхронных двигателей.

1

6 ИЗВЕСТИЯ Транссиба _№ 3(15) 2013

= _

р

1,2 о. е.

0,8 0,6 0,4 0,2 0

-0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1,0

-1,2 "-И

0 1298

1299

1300

1301

1302

1303

1304

1305

1306

1307 об / мин 1309

Рисунок 4 - Результаты математического моделирования по суммарной мощности потребляемой и вырабатываемой первым и вторым тяговыми двигателями

п

Список литературы

1. Пат. 2433419 Российская Федерация, МПК О 01 Я 31/34. Способ испытаний асинхронных электродвигателей методом их взаимной нагрузки [Текст] / Авилов В. Д., Володин А. И., Данковцев В. Т., Лукьянченко В. В., Панькин Е. В.; заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей собщения. - № 2010124307/28; заявл. 15.06.10; опубл. 10.11.11, Бюл. № 31 (II ч.). - 5 с.

2. Пат. 80018 Российская Федерация, МПК О 01 Я 31/04. Устройство для испытания тяговых электродвигателей [Текст] / Бейерлейн Е. В., Раппопорт О. Л., Цукублин А. Б.; заявитель и патентообладатель Томский политехн. ун-т. - № 2008115647/22; заявл. 21.04.08; опубл. 20.01. 09, Бюл. № 2. - 6 с.

3. Жерве, Г. К. Промышленные испытания электрических машин [Текст] / Г. К. Жерве. -Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1984. - 408 с.

4. Фираго, Б. И. Регулируемые электроприводы переменного тока [Текст] / Б. И. Фираго, Л. Б. Павлячик. - Минск: Техноперспектива, 2006. - 363 с.

5. Динамические процессы в асинхронном тяговом приводе магистральных электровозов: Монография [Текст] / Ю. А. Бахвалов, Г. А. Булазо и др. - М.: Маршрут, 2006. -374 с.

УДК 629.4.03.004 + 06

З. Г. Гиоев, В. М. Бондаренко, А. К. Белухин, А. В. Зубарев

ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЕ ДИАГНОСТИРОВАНИЕ И МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАРОЖДАЮЩИХСЯ ДЕФЕКТОВ В ТЯГОВОЙ ЗУБЧАТОЙ ПЕРЕДАЧЕ

ЛОКОМОТИВОВ

В настоящей работе рассматривается физическая природа возникновения возмущающих сил в тяговых зубчатых передачах в процессе пересопряжения зубьев и определение амплитудно-частотного состава спектра. Экспериментально определены дефекты, возникающие в элементах тяговой зубчатой передаче локомотивов.

Тяговая зубчатая передача (рисунки 1, 2) локомотива согласует частоту вращения вала

высокооборотного электродвигателя и низкооборотной оси колесной пары. Конструкция тя-высокооборотного электродвигателя и низкооборотной оси колесной пары. Конструкция тя-

№.?!15) ИЗВЕСТИЯ Транссиба