WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

СОЛДАТЕНКО Денис Александрович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ ТЯГОВЫХ ПРИВОДОВ ТЕПЛОВОЗОВ ПО УРОВНЮ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Специальность 05.22.07 – «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2008

Работа выполнена в государственном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Логинова Елена Юрьевна

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Тулупов Виктор Дмитриевич

кандидат технических наук, доцент

Чернов Евгений Тихонович

Ведущее предприятие:

Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (ОАО «ВНИИЖТ»)

Защита диссертации состоится __________2009г. в _______часов на заседании диссертационного совета Д218.005.01 в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, 15, ауд. 2505.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан _____________ 2009 года.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу совета университета.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д218.005.01,

доктор технических наук, доцент А.В. Саврухин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации.

В первой главе выполнен сравнительный анализ технических характеристик тяговых электродвигателей постоянного и переменного тока; проанализированы существующие критерии для оценки эффективности работы электродвигателей в тяговом приводе локомотивов.

Вопросы, относящиеся к разработке и исследованию тягового электропривода нашли отражения в работах М.П. Костенко, А.Б. Иоффе, М.Д. Находкина, О.А. Некрасова, В.Д. Тулупова, Н.А. Ротанова, А.С. Курбасова, В.А. Винокурова, С.В. Покровского, В.А. Сенаторова, В.И. Захарова, Д.Е. Кирюшина и др. В качестве основного показателя работы электродвигателя как основного элемента тягового привода традиционно используют коэффициент полезного действия (КПД) на номинальном режиме работы. Курбасовым А.С., Ротановым Н.А., Покровским С.В., Кирюшиным Д.Е. указывается, что широкий диапазон нагрузок тяговых двигателей в эксплуатации влияет на их экономичность, что также необходимо учитывать при оценке эффективности тягового привода.

Электродвигатель является основным агрегатом тягового привода, и вместе с регулятором охвачен обратными связями с учетом требуемого алгоритма управления; поэтому именно электродвигатель определит эффективность работы привода в эксплуатации. В связи с этим целесообразность применения тягового привода на тепловозе предлагается оценивать с помощью целевой функции, построенной из критериев эффективности тягового электродвигателя, в качестве которых приняты:

(1)

где НОМ и – соответственно номинальное и интегральное значения КПД электродвигателя; Кус - значение удельного стоимостного показателя электродвигателя.

В качестве удельного стоимостного показателя электродвигателя принята зависимость, производная от коэффициента использования конструкционных материалов:, где Мi – значение массы i-го электротехнического материала конструкции двигателя; Цi – цена за 1 кг i-го материала; Р2 - мощность на валу тягового электродвигателя.

Поскольку и Кус являются противоречивыми критериями для определения эффективности работы электродвигателя, поставленная задача решалась методом векторной оптимизации, предусматривающим свертку критериев в целевую функцию:

(2)

Вторая глава посвящена определению и анализу значений критериев эффективности работы двигателей постоянного тока (ТЭД) мощностью 180Р2550кВт.

Для расчета критериев эффективности ТЭД, работающего в тяговом приводе энергетической цепи тепловоза, разработана математическая модель двигателя постоянного тока как электромеханического объекта. При разработке модели ТЭД использовались заводская методика расчета двигателя постоянного тока и фундаментальные работы А.Б. Иоффе, П.С. Сергеева, В.П. Шуйского, А.Е. Алексеева, М.Д. Находкина и др.

Математическая модель ТЭД создана в интегрированной среде Turbo Pascal Version 7.0 Borland International; ее использование позволяет рассчитать параметры двигателя заданной мощности и его характеристики во всем диапазоне изменения нагрузок.

Адекватность модели реальному объекту проверялась сопоставлением расчетных и экспериментальных нагрузочных и электромеханических характеристик тягового электродвигателя ЭДУ-133, полученных при его паспортных испытаниях на заводе «Привод» (г. Лысьва). Анализ результатов показал, что ошибка моделирования характеристик ЭДУ-133 не превышает 2% для всего диапазона изменения нагрузки.

С целью определения параметров и характеристик тяговых электродвигателей для тепловозов мощностью 15004500кВт разработан программный модуль, в основу которого положены математическая модель двигателя как электромеханического объекта и теория подобия тяговых электрических машин. Модуль реализован в математическом пакете MathCAD. Показателями подобия двигателей при расчетах являлись: габариты, предельные значения магнитных, токовых, тепловых и механических нагрузок. Достоверность моделирования параметров ТЭД подтверждена сходимостью характеристик и параметров расчетного двигателя и универсального тягового электродвигателя постоянного тока типа ЭДУ-133 на режимах мощности 305 кВт и 365 кВт.

С помощью разработанного программного модуля были определены параметры и характеристики тяговых двигателей постоянного тока в диапазоне мощностей от 180 до 550 кВт (рис.1). В процессе расчета параметров определялись геометрия якоря и станины, параметры коллектора, параметры магнитной цепи, сопротивления обмоток якоря и возбуждения.

Расчеты показали, что в диапазоне мощности 180кВтР2<305кВт диаметр якоря ТЭД будет составлять Dа=423мм, а в диапазоне мощности 305кВтР2<420кВт диаметр якоря должен быть увеличен до Dа=493мм; при этом двигатель может быть размещен в габаритах тепловозной тележки с диаметром колеса 1050мм.

Максимальное значение номинального момента, который может реализовать ТЭД с диаметром якоря Dа=493мм, составляет М2=6445Нм при значении линейной нагрузки АЛИН=650А/см. Для реализации двигателем на продолжительном режиме работы момента М2=5370Нм его диаметр будет таким же - Dа=493мм, при этом значение линейной нагрузки снижается до 555А/см. При мощности двигателя Р2>420кВт он должен иметь 6-ти полюсное исполнение, Dа660мм и размещение его возможно только в габаритах тепловозной тележки с диаметром колеса DКОЛЕСО=1250мм.

Значение плотности тока в обмотке якоря для двигателей исследуемого диапазона мощности будет составлять ja=56А/мм2.

Кроме того, при моделировании получено, что увеличение максимального напряжения двигателя с 800В до 1000В увеличивает его КПД всего на 1,5% (рис.2), а значения КПД 6-ти полюсных тяговых двигателей на 11,5% меньше, чем у ТЭД 4-х полюсного исполнения.

На основании расчетов характеристик тепловозных ТЭД было получено, что значения тягового момента на валу в диапазоне мощности 180кВтР2550кВт при принятых значениях удельных нагрузок и расчетной скорости тепловоза может быть аппроксимировано зависимостью:

.

С помощью разработанного программного модуля были определены значения критериев эффективности тяговых электродвигателей НОМ, Кi и Кус всего исследуемого диапазона мощности.

Для расчета значений при работе двигателей в эксплуатации была разработана динамическая модель движения поезда, локомотив которого оборудован тяговым приводом постоянного тока заданной мощности. Основой модели является дифференциальное уравнение движения поезда:

, м/с2, (3)

где VЛОК – скорость поезда; и - соответственно значения сил тяги и сопротивления движению поезда, отнесенные к массе поезда.

Алгоритм работы ТЭД в динамической модели движения поезда разработан с учетом ограничений, накладываемых на управление энергетическими системами и тяговым приводом тепловоза, а также допустимыми нагрузками самого двигателя.

Определение значений критерия ТЭД при его работе в энергетической цепи тепловоза осуществлялся методами математического моделирования процесса движения тепловоза с составом расчетного веса по участку с профилем III типа классификации ВНИИЖТ (рис.3); при этом одновременно рассчитывались эксплуатационные характеристики работы локомотива – время хода поезда по участку и техническая скорость движения.

Расчет значений интегрального КПД выполнялся по зависимости:

, (4)

где – текущее значение КПД; t – время движения локомотива по заданному участку профиля.

В результате расчетов получено, что в среднем интегральный КПД тяговых электродвигателей на 1517% ниже значений их номинального КПД, поэтому оценка эффективности работы тяговых двигателей по значению номинального КПД является необъективной. С увеличением мощности ТЭД увеличивается разность между значениями НОМ и,; при мощности тягового двигателя постоянного тока более 430 кВт эффективность его работы в эксплуатации снижается (рис.3).

В третьей главе определены значения критериев эффективности работы асинхронных двигателей при их использовании в тяговом приводе тепловозов.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»