WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Расчет параметров, характеристик и значений критериев эффективности работы асинхронных тяговых двигателей выполнялся с помощью программного модуля, в основу которого положена математическая модель ТАД как электромеханического объекта. В модуле используется теория подобия асинхронных двигателей и условия реализации двигателем на номинальном режиме работы предельных значений магнитных, токовых, тепловых и механических нагрузок. Адекватность модели реальному объекту проверялась путем сопоставления расчетных и экспериментальных характеристик асинхронных тяговых электродвигателей ДАТ-305 и ДАТ-470, полученных при их паспортных испытаниях на заводе «Привод» (г. Лысьва). Результаты показали, что ошибка моделирования характеристик холостого хода указанных двигателей не превышает 3% во всем диапазоне изменения частоты f1 и амплитуды U1 питающего напряжения, а номинального режима 2% - для значений тока статора и 4% - для значений коэффициента мощности.

С помощью разработанного программного модуля были рассчитаны параметры асинхронных двигателей мощностью 305кВт и 470кВт. Анализ показал их полное соответствие параметрам электродвигателей ДАТ-305 и ДАТ-470, имеющих такую же мощность.

Разработанный программный модуль позволил рассчитать параметры асинхронных тяговых двигателей мощностью от 180 кВт до 550 кВт и сопоставить их с параметрами коллекторных двигателей тягового привода тепловозов.

Так, для создания номинального момента на валу 9020 Нм (при мощности электродвигателей 430 кВт) диаметр якоря коллекторного двигателя должен быть равен Da=660 мм, тогда как в асинхронном двигателе диаметр ротора будет составлять всего D2=492 мм (рис.4). Соответственно общие масса и стоимость асинхронного двигателя будут в 1,5 раза меньше коллекторного.

Установлено, что асинхронные двигатели мощностью до 500кВт с числом полюсов 2р=4, 2р=6 и 2р=8 имеют диаметры роторов 383520мм; это позволяет размещать их в габарите тепловозной тележки с диаметром колесных пар 1050 мм. Тяговые двигатели постоянного тока мощностью менее 430кВт с 2р=4 еще могут быть размещены в габаритах такой же тележки, а ТЭД мощностью P2430кВт и ТАД мощностью P2550кВт требуют использования в конструкции тележек колесных пар с диаметром колеса 1250 мм.

Моделирование характеристик тепловозных ТАД показало, что в диапазоне мощности 180кВтР2<550кВт реализуемый ими момент на валу при принятых значениях удельных нагрузок и расчетной скорости тепловоза может быть представлен аппроксимирующей зависимостью:

.

Для расчета значений критерия при работе ТАД в эксплуатации использовалась программа, имитирующая движение поезда с составом расчетного веса по участку с профилем III типа классификации ВНИИЖТ, локомотив которого оборудован тяговым приводом с асинхронными двигателями, Алгоритмом программы реализовано рациональное управление ТАД при его работе в тяговом приводе энергетической цепи тепловоза по экстремумам П-образных характеристик, доставляющих max при всех текущих значениях скорости движения.

Моделирование режимов работы двигателя на тепловозе выполнялось с учетом того, что он получает питание от источника синусоидального напряжения (ИСН) или идеального инвертора с гармоническим составом выходного напряжения =6k±1.

Результаты расчета показали, что при питании ТАД от ИСН КПД двигателей мощностью более 430кВт на номинальном режиме работы достигает 92,4%; для ТАД мощностью Р2430кВт значения КПД будут снижаться вместе со значением Р2, уменьшаясь до 89% для двигателя мощностью 180кВт. Значения их интегрального КПД составляет 74ТАДИСН 75% во всем диапазоне изменения мощности. Чем выше мощность ТАД, тем больше разность между значениями ТАД и ТАД.

В том случае если источником питания ТАД является идеальный инвертор добавочные потери от высших гармонических составляющих тока и напряжения на 23% снижают значения интегрального КПД (рис. 5).

Установлено, что значения коэффициентов мощности тяговых асинхронных двигателей исследуемого диапазона мощностей на номинальном режиме работы находятся в интервале 80,5cosТАД 84,5%.

В четвертой главе анализируется целесообразность применения тяговых двигателей постоянного и переменного тока различной мощности на тепловозах по принятым критериям.

Оценка эффективности тяговых двигателей по значениям их КПД на номинальных режимах работы показала, что при мощности тягового привода до 300кВт, коллекторный тяговый двигатель эффективнее асинхронного, т.к. имеет более высокие значения КПД (рис. 6). Применение асинхронных двигателей в тяговом приводе грузовых тепловозов оправдано только при мощности привода более 430 кВт и использовании в нем ИСН (рис. 6). В этом случае значение КПД асинхронного двигателя будет на 2% выше КПД двигателя постоянного тока. Поэтому в диапазоне скорости движения поезда 20VЛОК40км/ч у мощных тепловозов с асинхронными тяговыми двигателями сила тяги может быть примерно на 3% больше, чем сила тяги у тепловозов с коллекторными тяговыми двигателями. В диапазоне мощности тягового привода 180Р2350кВт коллекторный и асинхронный тяговые двигатели имеют практически одинаковую эффективность.

Значение коэффициента использования меди в конструкции ТАД с алюминиевыми стержнями беличьей клетки для всего исследуемого диапазона мощности двигателей КМ_ТАД0,43кг/кВт; соотношение коэффициентов использования конструкционных материалов коллекторного и асинхронного двигателя КМ_ТЭД/КМ_ТАД4, однако при этом необходимо учитывать массу электротехнического алюминия стержней ротора. По массе электротехнической стали, асинхронные двигатели уступают коллекторным: соотношение коэффициентов использования стали в конструкции двигателей одинаковой мощности КСТ_ТАД/КСТ_ТЭД=1,52 при КСТ_ТАД3,99кг/кВт для ТАД мощностью 430Р2550кВт. Очевидно, что большой объем стали в асинхронном тяговом двигателе повышает его стоимость.

Сравнение коллекторного и асинхронного двигателей, работающих в тяговом приводе локомотивов мощностью 1500<Ne3000 кВт по значениям интегральных КПД, полученным для одинаковых условий эксплуатации показало, что двигатели имеют одинаковую эффективность если ТАД в тяговом приводе получает питание от ИСН (рис. 7): в этом случае значения интегральных КПД коллекторного и асинхронного тяговых двигателей в эксплуатации составляют 7475%.

Для тепловозов мощностью 3000<Ne4500 кВт асинхронные двигатели с питанием от ИСН имеют преимущество перед ТЭД: интегральный КПД 6-ти полюсных двигателей постоянного тока с Р2>430кВт снижается в эксплуатации до 73% при интегральном КПД асинхронного двигателя ТАДИСН75%. Поэтому применение асинхронного привода с питанием двигателей от ИСН на тепловозах мощностью более 3000кВт позволяет на 23% повысить весовую норму поездов по сравнению с тепловозами, оборудованными коллекторными двигателями. Это снижает себестоимость перевозок автономными локомотивами с передачей переменного тока.

Для возможности прогнозирования эффективности работы тяговых двигателей постоянного и переменного тока в эксплуатации введено понятие относительного КПД, представляющего зависимость. Моделирование работы тепловозов с различными типами приводов в эксплуатации показало, что для любых условий эксплуатации величина относительного КПД электродвигателей может быть представлена графической зависимостью ОТН=f(P2) (рис.6).

В пятой главе определяется эффективность применения на тепловозах тягового привода различного типа.

Для этого использовалась целевая функция, определяемая зависимостью (2); рациональному типу привода для заданных условий эксплуатации соответствуют значения.

Расчет коэффициентов КУС_ТАД и КУС_ТЭД выполнялся с учетом марок электротехнических материалов, применяемых в конструкциях двигателей в ценах 2007 года. Результаты показали, что удельная стоимость материалов ТЭД при мощности Р2=183 кВт составляет КУС_ТЭД=605,9 руб/кВт, что почти в 3 раза выше, чем значение КУС_ТАД для ТАД аналогичной мощности. При мощности ТЭД Р2=550 кВт показатель удельной стоимости составляет КУС_ТЭД=367,5 руб/кВт, что в 2 раза выше, чем для асинхронного двигателя.

Получено, что наименьшие значения целевой функции соответствуют двигателям постоянного тока мощностью Р2=350450кВт; в этом случае обеспечивается самое рациональное соотношение между их ценой и эффективностью работы в эксплуатации.

Кроме того, значения ТЭДТАДИСН при 180Р2430кВт; это является основанием для применения в тяговом приводе данной мощности двигателей постоянного тока. Асинхронный двигатель требует использования в тяговом приводе преобразователей частоты. Поэтому значение целевой функции ЦТАДПЧ в 78 раз больше ЦТЭД и при 180Р2430кВт достигает 1014о.е., снижая эффективность асинхронного тягового привода по сравнению с тяговым приводом постоянного тока. Если в качестве ИСН использовать инвертор напряжения на IGBT транзисторах, который формирует напряжение с высшими гармоническими составляющими 13, то, в предположении, что его цена будет такой же, как цена ПЧ, полученные значения целевой функции для асинхронного тягового привода ЦТАДИСН получаются ниже, чем ЦТАДПЧ. Это вызвано тем, что отсутствие гармонических составляющих тока высокого порядка повышает КПД ТАД (рис. 8). При Р2>430кВт значения ТАДИСН> ТЭД, а ТАДПЧТЭД. Поскольку ТАД может быть размещен в габарите тележки с диаметром колеса 1050 мм и обладает жесткими характеристиками, что особенно важно для тягового привода мощных грузовых локомотивов, на тепловозах мощностью 3000<Ne4500 кВт целесообразен переход на асинхронный тяговый привод, несмотря на то, что ЦТАДПЧ> ЦТЭД.

Расчет экономического эффекта применения на тепловозе асинхронного тягового привода был выполнен применительно к тепловозам 2ТЭ25К и 2ТЭ25А. Результаты расчетов показали, что экономическую эффективность от применения на тепловозах асинхронного тягового привода можно получить только при снижении расчетной скорости движения тепловоза и соответствующего увеличения весовой нормы поезда. Используя высокую жесткость асинхронного тягового привода на тепловозе 2ТЭ25А расчетная скорость была снижена до 18 км/ч (рис. 9); при этом экономический эффект применения данного тягового привода может составить 3290 тыс. рублей в год при выполнении 550 млрд. ткм нетто перевозочной работы, приходящейся на долю тепловозного парка.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

    1. В диссертационной работе решена задача определения областей рационального применения на грузовых тепловозах тяговых электродвигателей постоянного и переменного тока по критериям технико-экономической эффективности.
    2. В качестве критериев эффективности тягового привода приняты: интегральные значения КПД тягового двигателя и значения удельного стоимостного показателя использования конструкционных материалов в тяговом двигателе Кус.
    3. Для определения параметров тяговых электродвигателей как основных элементов тягового привода локомотива разработаны математические модели коллекторного и асинхронного двигателя как электромеханических объектов и программные блоки, позволяющие рассчитать параметры двигателей в диапазоне мощностей 180550кВт, базирующиеся на заводских методиках расчета тяговых электрических машин и теории их подобия; сопоставление характеристик и параметров реальных и расчетных двигателей показало сходимость 95-97%.
    4. Анализ расчетных характеристик и параметров электродвигателей показал:

- при Р2430кВт коллекторные ТЭД могут устанавливаться только в тележку с диаметром колеса 1250мм; асинхронные двигатели с Р2<550кВт позволяют размещение их в габарите тепловозной тележки с диаметром колесных пар 1050мм;

- при мощности двигателей менее 430кВт значения номинального КПД коллекторного двигателя выше асинхронного;

- при мощности свыше 430кВт значения номинального и интегрального КПД асинхронного тягового электродвигателя с источником синусоидального напряжения на 2% выше коллекторного, что обосновывает целесообразность его использования на тепловозах с секционной мощностью более 3000кВт;

    1. Для прогнозирования эффективности работы двигателей в эксплуатации и расчета значений эксплуатационных критериев эффективности разработана динамическая модель движения поезда, энергетическая цепь локомотива которого содержит исследуемый тяговый привод. Расчет показал, что значения интегральных КПД тяговых двигателей на 1517% ниже номинальных и с увеличением мощности эта разность возрастает.
    2. Для возможности оценки эффективности работы тяговых электродвигателей в эксплуатации по значению номинального КПД введено понятие относительного КПД ОТН, представляющего отношение интегрального и номинального КПД. Получено, что для тягового привода любого типа ОТН=f(P2).
    3. Установлено, что значения коэффициента удельной стоимости асинхронного двигателя для всего исследуемого диапазона мощностей в 23 раза меньше, чем для двигателя постоянного тока. Стоимость тягового привода переменного тока с учетом преобразователя в 34 раза превышает стоимость привода постоянного тока.
    4. Экономическая эффективность выбора типа привода для тепловозов, выполненная методом векторной оптимизации, показала, что наименьшие значения целевой функции, составленной из указанных критериев, соответствуют приводу постоянного тока мощностью Р2=350450кВт.
    5. В случае снижения расчетной скорости тепловоза с асинхронным тяговым приводом до 18 км/ч экономия годовых эксплуатационных затрат за счет увеличения весовой нормы поезда при выполнении 550 млрд. ткм нетто перевозочной работы, приходящейся на долю тепловозного парка, составит 3290 тыс. рублей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Pages:     | 1 || 3 |






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