автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Импульсные электромагнитные процессы в тяговых асинхронных двигателях

Гб Ом

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи

НДЗАНА БЕНУА

УДК 629.423:621.3.015(043.3)

ИМПУЛЬСНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТЯГОВЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Специальность 05.22.07—Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1994

Работа выполнена в Петербургском государственном университете путей сообщения.

Научный руководитель —

доктор технических наук, профессор, член-корреспондент Академии Транспорта РФ НОВИКОВ Михаил Николаевич

Официальные оппоненты:

д. т. н., профессор кафедры «Электрическая тяга» ПГУПС, чл.-корр. Электротехнической Академии РФ МАЗНЕВ А. С.;

к. т. н., ст. науч. сотр., заведующий лабораторией асинхронного электропривода Петербургского метрополитена

СЫРКИН Б. Л.

Ведущее предприятие — АО «Вагонмаш», Санкт-Петербург.

Защита состоится 24 ноября 1994 г. в 13 час 30 мин па заседании специализированного совета Д. 114.03.02 Петербургского государственного университета путей сообщения (190031, С.-Петербург, Московский пр., д. 9, ауд. 5-407).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью, просим направлять в совет Университета.

Автореферат разослан 28 октября 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук,

доцент Б. В. РУДАКОВ

Подписано к печати 26.10.94 г. Объем 1,5 п. л. Формат 60х84'/1б- Бумага для множ. апп. Печать офсетная. Тираж 100 экз. Заказ № 897.

Тип. ПГУПС, 190031, С.-Петербург, Московский пр., 9.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА"РАБОТЫ

Актуальность темы. Совершенствование техники железнодорожного транспорта Республики Камерун связывается с применением на локомотивах тягового асинхронного привода. Применение асинхронных двигателей в качестве тяговых позволяет повысить мощность, приходящуюся на колесную пару, снизить, стоимость оборудования уменьшить расходы на ремонт локомотива, повысить его надежность. При проектировании тяговых асинхронных двигателей учитываются условия их работы на подвижном составе; В процессе работы локомотива изоляция тяговых двигателей подвергается увлажнению, загрязнению, воздействию тепловых и механических перегрузок, старению, воздействию перенапряжений. Статистические данные свидетельствуют о том, что более 30% отказов асинхронных.двигателей в эксплуатации происходит по причине пробоя электрической изоляции обмоток. В технической литературе . широко освещены результаты исследований воздействия на электрооборудование импульсных перенапряжений, вызванных атмосферными и коммутационными явлениями. Эти исследования в основном выполнены применительно к электрическому подвижному составу и автономным локомотивам с тяговыми двигателями постоянного 'тока.■ Для разработки и создания современных надежных тяговых асинхронных двигателей подвижного состава необходимо иметь данные о.импульсном электромагнитном процессе в силовой цепи локомотива, воздействии импульсных напряжений на изоляцию двигателей и возможных методах ее зациты. Этта определяется актуальность темы дисспрт^ции и выполненной работы, в которой изложены результаты экспериментальных и теоретических исследований автора.

Цель работы - повышение надежности тяговых асинхронных двигателей подвижного состава железных дорог путем совершенствования методики расчета импульсных напряжений на изоляции обмоток и методов ее заииты.

Поставленная цель достигается ревекиен следующих задач:

- обзор к анализ существующих методов экспериментальных и теоретических исследований воздействия импульсных напряжений на электрооборудование электрического подвижного состава и автономных локомотивов;

- выбор объектов исследования и разработка аппаратуры л методики экспериментальных исследований;

- проведение экспериментальных исследований импульсных электромагнитных процессов на модели тягового асинхронного двигателя в лабораторных условиях и на тяговых асинхронных двигателей электропоезда метрополитена в условиях депо;

- проведение теоретических исследований, включающих решение задачи синтеза схемы замещения тягового асинхронного двигателя в импульсном режиме;

- расчет импульсных напряжений на корпусной и межвитковой изоляции тяговых асинхронных двигателей с составлением программ и ее реализация на персональном компьютере;

- выбор методов и схем защиты изоляции тяговых асинхронных двигателей от импульсных перенапряжений.

Методика исследования. В работе; использованы экспериментальные и теоретические ыетоды исследований. Экспериментальные исследования выполнялись в. условиях лаборатории университета и условиях электродепо Петербургского метрополитена с использованием современной.электронной аппаратуры. При решении теоретичес-

- 2 -

ких задач синтеза схемы замещения тягового асинхронного двигателя в импульсном режиме применен новый метод непрерывного эквивалентного преобразования параметров. Расчеты выполнялись на современной ПГ-'ВМ типа IBM.

Научная новизна. Работа включает комплекс экспериментальных и теоретических исследований импульсных электромагнитных процессов в тяговых асинхронных двигателях, результаты которых составляют научно-методические основы определения напряжений на изоляции обмоток и выбора методов защиты изоляции при импульсных воздействиях ;

- установлен характер импульсного электромагнитного процесса в обмотках тяговых асинхронных двигателей при воздействии волн, длительность которых находится в диапазоне десятков микросекунд;

- разработана и реализована методика синтеза схемы замещения тягового асинхронного двигателя в импульсном режиме;

- разработана методика расчета импульсных напряжений на корпусной и межвитковой изоляции обмоток двигателей;

- составлены программы расчета импульсных напряжений на изоляции тяговых асинхронных двигателей для ПЭВМ типа IBM.

Практическое значение работы состоит в следующем:

- полученные результаты могут быть использованы при проектировании новых .типов тяговых асинхронных двигателей и выборе методов их защиты от импульсных перенапряжений;

- выполнение расчетов с использованием синтезированных схем замещения сокращает время и расходы на проведение импульсных исследований тяговых асинхронных двигателей;

- установлены величины импульсных напряжений в тяговых

- 3 -

асинхронных двигателях, что позволяет выбрать необходимый уровень изоляции обмоток и определить методы для повышения надежности двигателей.' •'"..•

Достоверность. Достоверность результатов расчета импульсных напряжений ка изоляции тяговых асинхронных двигателей с помощью синтезированных схем замещения подтверждается удовлетворительной сходимостью с результатами экспериментальнмх измерений.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ПГУПСа - "Неделя науки-93" и "неделя науки-94" и заседании кафедры "Электрические машины" ПГУПСа, 1994 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы. . ; • • -

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пятиглав, заключения, списка литературы /103 наименования/, приложений. Изложена на '160 страницах, включая рисунки и таблицы.

' ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ. ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность теьи диссертации. Отмечены преимущества асинхронйых двигателей в тяговом электроприводе. Показано практическое значение повышения эксплуатационной наделшостк двигателей. Сформулированы цель и задачи диссертационной работы. ■..•■...

В первой главе выполнен обзор и анализ результатов исследований по избранной теме. С появлением высоковольтных линий передачи и электротехнических устройств вахкой практической задачей стана задача вашим изоляции злектрооборудования. исследования в

- 4 -

этой области выполнялись в ряде научно-технических институтов и учебных заведениях.Обобщенные материалы по импульсным электромагнитным процессам в линиях передачи, трансформаторах, электрических машинах, в системе электроснабжения электрических железных дорог, на локомотивах и электропоездах содержатся в монографиях, учебниках и публикациях Л.И.Сиротинского, М.В.Костенко, Д.В.Разевига, Л.В.Еъюлея, Дж.Бикфорда, В.Д.Радченко, К.В.Александрова, В.П.Янова, М.Н. Новикова и др. Показано, что импульсные перенапряжения атмосферного и коммутационного происхождения представляют опасность для изоляции электрооборудования. Зто особенно актуально для тяговых двигателей подвижного состава расположенных в ограниченных габаритных размерах и имеющих достаточно большую мощность. Необходимая степень надежности тяговых двигателей может быть достигнута в результате рационального выбора уровней изоляции и защиты. Отмечено отсутствие сведений о импульсных процессах в обмотках тяговых асинхронных двигателей, что обусловило выбср автором темы диссертационной работы.

Во второй главе изложены результаты проведенных автором экспериментальных исследований импульсных электромагнитных процессов в тяговых асинхронных двигателях.

Первый этап работы включал подготовку оборудования и приборов для проведения экспериментов, отработку методики испытаний. Были проведены ' испытания модели тягового асинхронного двигателя в лаборатории университета, з качестве которой использован асинхронный двигатель типа 4АР160. У этого двигателя была возможность доступа к любой точке обмотки статора, что позволило измерять потенциалы и напряжения на корпусной и межвитковой изоляции по всей длине обмотки двигателя. Были получены исходные

- 5 -

данные для выполнения теоретических исследований и сравнения данных расчета и эксперимента.

На втором этапе, проведены импульсные испытания тяговых асинхронных, двигателей типов ТАД-01 и ДК-170 опытного вагона и опытного электропоезда Петербургского метрополитена. В результате экспериментальных исследований установлен характер импульсного электромагнитного процесса, получены исходные данные для выполнения теоретического анализа процессов, , для расчета напряжений на изоляции обмоток двигателей, апробированы способы снижения импульсных напряжений на изоляции обмоток тяговых асинхронных двигателей.

В программу экспериментальных исследований входило:

- изучение импульсного электромагнитного процесса при воздействии импульсного напряжения на одну фазу обмотки статора;

- изучение процесса при одновременном воздействии импульсного напряжения на две и три. обмотки статора двигателя;

- изучение процесса при разомкнутых обмотках фаз статора и их соединении в нейтральной точке; . '

- снятие потенциальной диаграммы по длине обмотки двигателя;

- оценка импульсных напряжений на изоляции фаз обмотки, переданных с других фаз электромагнитным путем;

- установление влияния на импульсных процесс параметров воздействующих импульсов напряжения;,

- определение импульсных параметров тяговых асинхронных двигателей;

- изучение методов снижения импульсных напряжений на изоляции обыоток двигателей.

Источника! импульсных напряжений при испытаниях служил ге-

- 6 -

нератор повторяющихся импульсов напряжения, в модернизации и подготовке которого к работе автор принимал непосредственное участие. Преимуществом такого генератора является то, что на экране электронного осциллографа было устойчивое и яркое изображение изучаемого процесса. Частота следования импульсов рассчитывалась так, чтобы к приходу следующего импульса тот процесс, который был вызван предыдущим импульсом, полностью закончился. Это достигалось при частоте 10-1С импульсов в секунду. Измерение импульсных напряжений производилось электронным осциллографом. В качестве исходного импульса принята волна длительностью 2/50 мкс. Амплитуда волны составляла СТО В, что превышало уровень помех при выполнении экспериментов в производственных условиях.

Принципиальная схема импульсных испытаний тяговых асинхронных двигателей приведена на рис.1. Характер распределения импульсных напряжений по длине обмотки статора з случае заземленного и изолированного от земли конца обмотки показан на рис.2.

На основании проведенных экспериментальных работ установлено:

- при воздействии импульсного напряжения на обмотки статоров тяговых асинхронных двигателей наибольшие напряжения на корпусной изоляции имеют место в точках приложения импульсного напряжения ;

- наибольшие межвитковые напряжения возникают в начале обмотки;

- импульсные напряжения на изоляции фаз, не подверженных действию исходного импульса, не превышают 20£ от амплитуды исходного импульса;

- численное значение отношения импульсного тока в конце об-

котки к току В ее начале находится в диапазоне от 0.343 до 0.С84;

при воздействии на обмотки апериодического импульса напряжения форма импульсных напряжений по длине обмотки статора остается апериодической. Амплитуда периодической затухающей составляющей в кривой этого напряжения не превышает 152 по отноше-' нию к амплитуде исходного импульса.

В третьей главе выполнен теоретический анализ импульсного электромагнитного процесса в обмотках тяговых асинхронных двигателей. Показано, что точность и трудоемкость расчета зависят от применяемого расчетного метода, который базируется на используемой схеме замещения изучаемого объекта. Схемы замещения с сосредоточенными и распределенными параметрами обладают как своими преимуществами, так и недостатками. Последние заключаются в больной сложности определения параметров элементов схем в импульсном режиме. В диссертации схема замещения асинхронного двигателя в импульсном режиме получена методом ' синтеза на основе-непрерывного эквивалентного преобразования параметров. Она сочетает преимущества схем с сосредоточенными и схем с . распределенными параметрами. Ддя решения задачи синтеза такой схемы замещения достаточно иметь ограниченное число электромагнитных характеристик импульсного процесса. Характеристики получают экспериментальным путем кии используются характеристики аналогичных устройств. После аппроксимации электромагнитных характеристик исходные данные задачи синтеза и другие величины обозначены:

иг(р) -' операторное изображение импульсного напряжения на входа обмотки;-

II(р) - операторное изображение импульсного тока в начале обмотки;'

12(р) - операторное изображение ™лульсного тока в конце обмотки;

Й1 - численное значение напряжения на входе обмотки;

«1 - численное значение тока в начале обмотки; - численное значение тока в конце обмотки;

1 - длина обмотки:

Д1 - элемент длины обмотки /длина витка/;

х - текущая координата по длине обмотки /0 < .ч < 1/;

\ - относение тока в конце обмотки к току в начале оСуотки;

к - независимая переменная, названная коэффициентом распределения /0 4 к < 1/.

Пси выполнении расчетов и построении потенциально диаграмм потенциалы точек обмотки отнесены к потенциалу на входе обмотки, а д"ина обмотки принята за единицу. Расположение потенциальных диаграмм в единичном квадрате рационально при сравнении их для различных двигателей.

Основой синтезируемой схемы замещения язллется Т-образная схема ркс.З. Она названа обобщенной или базисной схемой. В ней ток участка соответствует тону в начале обмотки, ток участка 22 - току в конце обмотки, ток в ветви го - теку в изоляции. Внутренняя структура участков схемы и параметры участков определяются характеристиками импульсного электромагнитного процесса. Операторные сопротивления схемы замеаения, как функции коэффициента распределения, имеют следушле выражения:

31(р) [«2(р) - (1-к)«1(р)]

г^р.к) =--

к . (р) «о(р)

01СрЗ (1 - к) Ср) - «2(р)3

22(Р.Ю =-------; (1)

к «2"(р) - 9 -

Ci(p) (1-k)

Zo(P.k)--:-

к tf£:(p)

Характер элементов схемы и isx численные значения устанавливаются после алпрокиыацдо исходных характеристик и решения задачи синтеза. В диссертации рассмотрено кесг-олько вариантов аппроксимации. В той any чао, когда шлтудьс воздействующего на двигатель папрлжешш, Еырахен экспотшвдкшно затухающей функцией, а токи обмотка - експотеициааыийгл двучленами, исходные данные задачи синтеза кыевт вид:

Ui

Ua(p)

Ii(p) » Ii

P + аг b2 - bi

Ifiip) - 12

(p + bi)(p + Ьг) Ьг - bi

(Р + Ьа)(р + Ьг)

где а1, Ь>1 и Ьг - коэффициенты затухания волн напряжения и тока. Сопротивления участков схе^ш в краткой форме записи равны произведениям:

гпр.к) - МЮ*Г,{р). где 1 - 1, 2, 0 - номера участков,

1)1 (X + к - 1)

МЮ

Н2(к)

k\Ii(b2 - bi) Ui(l - к)(1 - X)

kx2h(b2 - bi)

Но(к)

Ftp)

_ Ug(l - к? _ ' kXIi(b2 - bi)

(P + bi)(p + Ьг)

р + аг

Разложение функции сопротивления в лестничную дробь приводит к следующему результату:

1

Zi(p.k) » H,(k)

1

1

bi+b-2-ai bi + Ьг - at

P -+

ai-

bib2 bj+ba-ai

ai-

blb2

bi+ba-ai

bibz

Полученному разложен;» по ыетоду Кауэра соответствует схема рис.4. Параметры элементов схемы рассчитываются по формулам:

Ri - Hi(к)

biba

ai-

blb2

Ц - Hi(к)j

bi + 2b - ai R'i =* Hj(k) (bi + bs - ai);

Ht(k)

bi + ba - ai

oi-

bibo

Ь1 + Ьг - а1

Основным свойством полученной схеш является то, что при изменении коэффициента распределения от к«0 до к-1 происходит пепреримай перенос параметров участков схем через направляющий узел г!. При этоу численные" значения параметров изменяются также непрерывно, некоторых частным значениям (гоэффнциента распределения соответствует дискретные изменения схемы. Так, при к-1 сопротивления второго и третьего участков сОращдатся в нуль и в

-11 -

1

схеме остается только первый участок. В процессе переноса параметров через направляющий узел происходит изменение его потенциала. При выполнении граничных условий зависимость потенциала направляющего узла от коэффициента распределения описывает кривую распределения импульсного напряжения по оОмотке двигателя. На основании этого получено уравнение потенциальной диаграммы обмотки асинхронного двигателя в импульсном режиме. Электромагнитные характеристики в пределах дане одной серии асинхронных двигателей могут иметь некоторые отклонения от своего среднего значения. В задаче синтеза ото приводит к тому, что параметры схемы замещения принимают свои значения в некоторой ограниченной области. В диссертации получены выражения позволяющие определить область значений параметров по заданному отклонению характеристик. Пример такого расчета для одной из задач синтеза схемы за-ыещения представлен графиками на рис.5. Параметры схемы замещения, взятые из заштрихованной области, обеспечивает результаты расчета, отклоняющиеся от опытных данных не более, чем на 5%.

Четвертая глава посвящена разработке метода и выполнению расчета импульсных напряжений на корпусной и мехвитковой изоляции тяговых асинхронных двигателей. Напряжение на корпусной изоляции обмотки определяется ординатами потенциальной диаграммы обмотки. Напряжение на межвитковой изоляции зависит от градиента потенциала по длине обмотки. Зависимость потенциала направляющего узла схемы замещения от коэффициента распределения при соблюдении граничных условий является уравнением потенциальной диаг-ра'.ш обмотки двигателя. Когда потенциалы точек цепи отнесены к потенциалу на входе обмотки, а длина обмотки принята за единицу, уравнение потенциальной диаграммы принимает вид:

- 12 -

л (1-х) X + х(1-\)

Отноиение токов А, названное обобщенным параметром обмотки, изменяется в диапазоне 0 < X <1. Левая граница диапазона соответствует такому состоянию изоляции, когда весь импульсный ток замыкается через изоляцию и не доходит до конца обмотки. Это случай предельный, характерный для очень низкого качества изоляции. При высоком качестве изоляции импульсный ток проте>сает практически по всем виткам обмотки. Это соответствует равномерному распределению напряжения, при котором х-1.

Значения параметра X, полученные при импульсных испытания;-, асинхронных двигателей, приведены в таблице. Они относятся к случаям воздействия импульсов напряжения на одну, две и три фазы обмотки статора.

Схема Двигатель Я-* в о—гч^чХ^ £ г Агууч— с ¿-^Г-УОт

4АР160 0.50 0.43 0.39

ТАД-01 0.343 0.311 0.257

ДК-170 0.316 0.309 0.284

Потенциальные диаграммы двигателей, полученные расчетом, приведены на рис.6. На диаграмме двигателя 4АР160 точками отмечены потенциалы, измеренные при импульсных испытаниях. Расхождение между расчетная! и опыт таи значениями потенциалов не превышает 32.

Градиент потенциала по длине обмотки определяется выражением:

dV" X

grad V" = —— - ------------,.

dx CX + x(l-\)l-

Напряжение на межвитковой изоляции участка обмотки длиною

Л1 составляет:

X IW Л1

ив(х.Х) =

ИХ + xd-X)]"

где Umax - максимальное напряжение воздействующей волны; 1 - длина обмотки.

Для "идеальной" изоляции X = 1 и grad V* * 1, что соответствует равномерному распределению напряжений в обмотке. В этом случае на каддый элемент Д1 приходится напряжение, равное:

Umax Л1

Максимальное межвитковое напряжение при неравномерном распределении потенциалов имеет место в начале обмотки и составляет:

Umax Д1 Ub. max " " • X 1

При неравномерном распределении потенциалов максимальные напряжения на межвитковой изоляции 1/Х раза больше, чем в случае равномерного распределения. Ухудшение состояния изоляции обмотки двигателя с одной стороны приводит снижению общего уровня электрической прочности изоляции и, одновременно, вызывает увеличение импульсных напряжений на межвитковой изоляции обмотки, что ведет к возрастании вероятности ее пробоя.

На рис.7 приведена кривая распределения ыежвитковых напря-¿-.экий в кшульскои рекиие для тягового асинхронного двигателя

- 14 -

ДК-170. За элемент обмотки Д1 принята длина одного витка. При равномерном распределении напряжения межвитковое напряжение составляло- бы 14.5 В. В импульсном режиме, характеризующимся неравномерным распределением напряжения, максимальные напряжения на изоляции первых витков обмотки возрастают в 9 раз и составляют 130 В. Для двигателя ТАД-01 это увеличение достигает 10-ти кратного значения.

В диссертации покапано, что расчет межвитковых напряжений методом бегущей волны, при котором используются крутизна фронта импульса и скорость его распространения по обмотке, позволяет определить среднее значение медвиткового напряжения. Это среднее значение в 3..4 раза меньше, чем максимальное значение, полученное при расчете рассматриваемым в диссертации методом.

В пятой глазе изложены вопросы надежности асинхронных двигателей и защиты их изоляции от перенапряжений. Надежность тяговых асинхронных двигателей, как свойство выполнять свои функции сохраняя эксплуатационные показатели в установленных пределах в течение установленного времени, зависит от многих факторов. Отказы двигателей возникают из-за недостатков конструкции и нарушения технологии производства, низкого качества ремонта, неправильного применения, естественны;-; процессов износа и старения изоляции. Интенсивность отказоз в функции времени содержит период приработки, период нормальной эксплуатации и период износа. В эти периода основными отказами являются пробои межвитковой изоляции. На их долю приходится более 90Х повреждений. Повышение надежности тяговых асинхронных двигателей достигается рациональным проектированием с учетом условий их работы на подвижном составе железных дорог, соблюдением теплового режима, своевременным

- 15 -

выполнением ремонтных и профилактических работ, защиты от перенапряжений. Координация изоляции обеспечивается согласованием уровней перенапряжений, изоляции и защиты. На электрическом под-видном составе и тепловозах в качестве защитных • аппаратов используются вентильные разрядник!! и ограничители перенапряжений. Сравнение характеристик защитных аппаратов позволяет сделать следующую рекомендации,- для защиты изоляции тяговых асинхронных двигателей рационально применять ограничители перенапряжений на базе оксидноцинковых варистороз. Степень нелинейности 1« воль-тамлерных характеристик и их симметричность отвечает требованиям внутренней координации изоляции тяговых асинхронных двигателей подвижного состава железных дорог. В работе показано, что выполнение защиты двигателей, как элементов силовой цепи, должно согласовываться и входить составной часть» общей схеш защиты электрооборудования локомотива. Эффективное уыеньсение напряжения на изоляции достигается в результате регулирования потенциальной диаграммы силовой цепи локомотива. На автономных локомотивах и электрическом подвижном составе переменного тока изменением потенциальной диаграгаи может быть достигнуто двухкратное снижение рабочих и импульсных напряжений на изоляции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Работа содержит теоретические и экспериментальные исследование импульсных электромагнитных процессов в тяговых асинхронных двигателях, результаты которых составляют научно-методические основы определения напряжений на корпусной и меквитковой изоляции обмоток двигателя и рекомендовать пути защиты изоляции

при импульсных воздействиях.

По результатам выполненной работы можно сделать следухщио выводы.

1. Статистические данные об отказах в эксплуатации тяговых двигателей локомотивов и асинхронных двигателей общепрогдтенно-го назначения свидетельствуют о том, что в 45...602 случаев причиной отказов являются пробои электрической изоляции. В силовых цепях электровозов, электропоездов и тепловозов возникают импульсные перенапряжения атмосферного и коммутационного происхождения. Их уровень соизмерим с уровнем изоляции электрооборудования. Такие перенапряжения представляют опасность для изоляции оборудования. Повышение надежности подвижного состава с асинхронным приводом связано с изучением импульсных алегггромагниткых процессов в силовых цепях и обмотках тяговых асинхронных двигателей. Результаты исследований составляют основу при проектировании изоляционных конструкций и выборе средств защиты от перэ-напряжений.

2. В результате проведенных экспериментальных исследований тяговых асинхронных двигателей опытного вагона п опытного электропоезда метрополитена установлен характер импульсного электромагнитного процесса в о&отках двотателей. Наибольшие импульсные напряжения на корпусной кзоляшя обютск кмепт место в точках воздействия импульсных налрягекиЛ. 11х величина ограничивается уровнем защиты лрЕиепяамых аппаратов. Индуктированные напряжения на фагах обмотки, . но подвершённых действии воли импульсных напряжений, не превшкэт 202 от амплитуды воздействующих импульсов перенапряжения и не представляют опасность для изоляции. Установлен характер распределения импульсных напряжений по длине об- 17 -

потки статора двигателя.

3. Нелинейность импульсной потенциальной диаграммы двигателя вызывает неравномерность распределения межвитковых напряжений в обмотке. Установлен характер распределения импульсного напряжения на мехвитковой изоляции обмоток тяговых асинхронных двигателей. Наибольшие межвитковые напряжения в начале обмотки в 8..10 раз превышают межвитковые напряжения в случае равномерного распределения потенциалов. Показано, что 502 приложенного импульсного напряжения приходится на 182 длины обмотки. С ухудшением состояния изоляции межвитковые напряжения возрастают. Выполнено сравнение величин межвитковых напряжений, полученных расчетом методом бегущей волны и излоденным в диссертации методом. Во втором случае максимальные межвитковые напряжения в 3...4 раза больше, чем в первом.

4. Теоретический анализ импульсного электромагнитного процесса в обмотках тяговых асинхронных двигателей выполнен с помощью схем замещения, полученных методом синтеза. Исходные данные задачи синтеза включают минимальное число опытных электромагнитных характеристик импульсного процесса. Синтез выполнен методом непрерывного эквивалентного преобразования параметров. Рассмотрено несколько вариантов репения задачи синтеза схемы замещения. Параметры схем замещения определены с учетом возможных отклонений электромагнитных характеристик на 102. Указанный метод позволяет сочетать преимущества схем замещения с сосредоточенными и распределенными параметрами. Получены аналитические выражения для расчета импульсных напряжений на корпусной и мед-витковой изоляции. Расчет выполнен по разработанным автором программам на ПЭВМ типа 1ВМ-286. максимальное расхождение рас- 18 -

четных и опытных данных не превышает 52.

5. Защита изоляции тяговых асинхронных двигателей от импульсных воздействий обеспечивается ограничителями перенапряжений на базе оксидноцинковых варисторов. Защита тяговых двигателей, как элементов силовой цепи, входит составной частью в комплексную схему защиты электрооборудования локомотива. В ней используются параметрические методы, вентильные разрядники, конденсаторы, а также методы регулирования потенциальной диаграммы силовой цепи.

6. Практическая ценность работы изложена в акте, утвержденном заместителем начальника Петербургского метрополитена, начальником службы подвижного состава., Она заключается в использовании полученных результатов работы при эксплуатации новых электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями, при разработке новых типов тяговых асинхронных двигателей и совершенствовании схем защиты электрооборудования от перенапряжений.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Ндзана Б. Исследование импульсного электромагнитного процесса в асинхронном двигателе. /Тезисы докладов на научно-технической конференции "Неделя науки-93", ПИИТ, СПб.:1993, с.90-91.

2. Ндзана Б..Новиков М.Н. Схема замещения тягового асинхронного двигателя в импульсном режиме. Деп. в ЦНИИТЭИ МПС, N5860, 1994 Г.

3. Ндзана Б. Импульсные напряжения на изоляции обмоток тяговых асинхронных двигателей./ Тезисы докладов на научно-техни-

- 19 -

ческой конференции "Неделя науки-94", ПГУПС, СПб.:1994, с.109-И0.

■4. Ндзана Б. Импульсные напряжения на корпусной и витковой изоляции асинхронного двигателя. Деп.в ЦНИИТЭИ МПС,N5902,1994 г.

Z/50-Z00

тин

TL

/?, ОС

(=) эо

Рис. 1 Принципиальная схема импульсных испытаний тягоВых асинхронных двигателей

ГПИИ- генератор по&тсрающихся импульсоо налртжехия ОС- обнотка статора ЭО - электронный осциллограф Ri- шунты для измерения импульсного тока z/so -200 - исходный импульс напряжения.

Рис.2 Распределение импульсных напряжений по длине обмотки статора

i - конец о8мотки заземлен '

Z - конец о5нотки иъолироВан.

z, N

Рис.Ъ Обобщенная (базисная) ' схема замещения.

Ri 1*1 Rг Lг

Рис'А Схема замещения при аппроксимации импульсных токоб экспоненциальными дЗучиенани

1,0 0,5 . О 0.5 . 1,0

Рис. 5 Параметры схемы ганещениа с учетом отклонения электромеханических характеристик при аппроксимации токоо экспонентами.

Рис. 6 Импульсные потенциальные диаграммы асинхронных двигателей 1 - ^ АР 160 £ - ТАЛ-01 3- АН-170

4 - ра 8ном ер нос распределение

по м го

БО «7

го

\

\

\ чп

\

раб Г"

— —

0.5

1.0

Рас. 1 Распределение меж&иткоёых импульсных напряжении по обмотке тягоёого асинхронного двигателя ДК-170