автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Асинхронный мотор-вентилятор с широким диапазоном рабочего скольжения для тепловозов

донецкий государственный технический университет

1 л сен

Бухтияров Игорь Юрьевич

УДК 621.313: 629.424

асинхронный мотор-вентилятор с широким диапазоном рабочего скольжения для тепловозов

Специальность 05.09.01 — Электрические машины и аппараты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Донецк - 2000

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Восточноукраинском государственном университете Министерства образования и науки Украины, г. Луганск

Научный руководитель — кандидат технических наук, доцент Захарчук Александр Сидорович, Восточноукраияский государственный университет, доцент кафедры "Электромеханика"

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Омельяненко Виктор Иванович, Харьковский государственный политехнический университет,

заведующий кафедрой "Локомотивостроение "

кандидат технических наук, доцент Овчар Александр Петрович,

Донбасский горнометаллургический институт (г. Алчевск) доцент кафедры "Электрические машины и аппараты"

Ведущая организация - научно-исследовательский, проекгно-конструкторский и технологический институт тяжелого электромашиностроения Министерства промышленной политики Украины, отдел главного конструктора по тяговому электрооборудованию, г.Харьков.

Защита состоится " 29 " 2000 г. в ^ часов на заседании

специализированного ученого совета К11.052.02 в Донецком государственном техническом университете по адресу:

Украина, 83000 г. Донецк, ул. Артема, 58, корпус 1, к.201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДонГТУ по адресу. Украина, 83000 г. Донецк, ул. Артема, 58, корпус 2.

Автореферат разослан " Тра ¿ня 2000 г.

Ученый секретарь ✓—-S/J7

специализированного ученого совета К11.052.02 X^/JcJ/ А.М.Ларин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из основных задач развитая народного хозяйства Украины является дальнейший всемерный рост эффективности и интенсификации общественного производства, усиление режима экономии в народном хозяйстве. Большое значение придается повышению эффективности работы транспорта, сокращению его простоев и снижению расхода топлива, поэтому создание высокоэкономичных асинхронных мотор-вентиляторов для тепловозов является важнейшей задачей.

Одним из способов повышения надёжности и экономичности тепловозов является совершенствование вспомогательных приводов, в частности, асинхронных мотор-вентиляторов охлаждающего устройства дизеля.

На современных серийных тепловозах типа 2ТЭ116, оборудованных электрическим приводом вентиляторов на переменном токе, применяется релейное регулирование температурного режима дизеля включением и выключением асинхронных мотор-вентиляторов. Основными недостатками такого регулирования являются: повышенный расход энергии на привод вентиляторов, колебания температуры воды и масла дизеля, тяжелые условия работы мотор-вентиляторов, связанные с частыми пусками их в процессе регулирования температуры дизеля.

С целью уменьшения расхода энергии на привод вентиляторов на американских тепловозах SD60 фирмы "General Motors" применены двухскоростные мотор-вентиляторы, а на отечественных тепловозах 2ТЭ121, ТЭ136, 2ТЭ126 -асинхронные мотор-вентиляторы с пневматическим механизмом поворота лопастей. При достаточно хорошем качестве терморегулирования дизелей тепловозов мотор-вентиляторы с поворотом лопастей имеют сложную конструкцию и технологию изготовления механизма поворота лопастей на холдинговой компании (ХК) "Лугансктепловоз". При создании нового грузопассажирского тепловоза 2ТЭ116УП мощностью 2650 кВт в секции ХК "Лугансктепловоз" вынуждена была в 1992 году вернуться к релейному электроприводу вентиляторов, как более простому и надежному.

Одной из актуальных задач современного электромашиностроения является создание аснхронных двигателей для систем плавного регулирования производительности вентиляторов, которые снижают энергозатраты на вспомогательный привод, увеличивает надежность работы тепловоза и улучшают качество регулирования температурного режима дизеля.

Наиболее простым и надёжным способом плавного регулирования температурного режима дизеля является фазовый способ регулирования частоты вращения мотор-вентиляторов с широким диапазоном рабочего скольжения, у

которых отсутствует режим "опрокидывания" при уменьшении напряжения на обмотке статора.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссертационная работа выполнялась по госбюджетным и хоздоговорным темам согласно следующим планам научно-исследовательских работ:

план Всесоюзного промышленного объединения "Союз-тештовозпугьмаш" Министерства тяжелого и транспортного машиностроения СССР, проблема Г81.4.07.001 "Разработать, изготовить, внедрить и провести эксплуатационные испытания асинхронных мотор-вентиляторов и унифицированных тиристорных преобразователей напряжения для питания нагрузок собственных нужд локомотивов" (1986-1990 гг.);

- координационный план АН Украины "Научные основы электроэнергетики" региональная научно-техническая программа "Материалоемкость", тема БЭ1-91 "Совершенствование и исследование электромеханических преобразователей энергии на базе асинхронных двигателей" (1991-1996 гг.).

Важность для народного хозяйства Украины (где отсутствуют разработанные большие запасы нефти) повышения экономичности тепловозов и актуальность проблемы создания регулируемых асинхронных двигателей для экономичных приводов вентиляторов тепловозов определили цель и основные задачи данной диссертационной работы.

Цель и задачи исследования. Целью исследования является создание регулируемого напряжением на обмотке статора обращенного асинхронного мотор-вентилятора с широким диапазоном рабочего скольжения для снижения затрат энергии на привод вентиляторов охлаждающего устройства и повышение надежности дизеля тепловоза.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:

- исследование режимов работы и питания асинхронных мотор-вентиляторов на тепловозах в эксплуатации;

- сравнительный энергетический анализ способов регулирования температурного режима тепловозного дизеля с асинхронными мотор-вентиляторами;

- теоретическое исследование электромагнитных процессов и разработка методики расчета и оптимизации асинхронного мотор-вентилятора с широким диапазоном рабочего скольжения (АМВ ЩЦС) при синусоидальном напряжении питания и характеристик его при фазовом регулировании;

- экспериментальное исследование опытных образцов мотор-вентилятора с широким диапазоном рабочего скольжения на стенде;

- экспериментальное исследование асинхронного мотор-вентилятора с широким диапазоном рабочего скольжения на тепловозе в составе автоматической системы регулирования температуры дизеля.

Решете поставленных задач выполнялось теоретическими и экспериментальными методами с применением вычислительных машин. Теоретические исследования базируются на теории дифференциальных и интегральных уравнений, методах численного и гармонического анализа. При обработке результатов экспериментальных исследований па тепловозе применялись методы теории вероятностей. Экспериментальные исследования проводились как на натурных стендах, так и на тепловозе 2ТЭ116 при реостатных испытаниях внедрённых асинхронных мотор-вентиляторов с широким диапазоном рабочего скольжения.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

- решена задача создания регулируемого напряжением асинхронного мотор-вентилятора с широким диапазоном рабочего скольжения с короткозамкну-тым ротором с ферромагнитными элементами (короткозамыкающие кольца) для систем охлаждения дизеля тепловозов, что обеспечивает снижение потерь энергии на дополнительный привод и увеличивает надежность тепловоза;

- разработана методика теоретического исследования и расчета регулировочных и эяер! ешческих характеристик мошр-ветилячира с ширинам диапазоном рабочего скольжения (с медными стержнями и ферромагнитными корот-козамыкающими кольцами) при синусоидальном напряжении питания и при управлении от тнрнсторного преобразователя напряжения;

- разработана методика оптимизации конструктивных параметров ротора АшБ ШДС с целью уменьшения средиеэкснлуатциошшй шлребляемой мощности на привод вентиляторов.

На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований предложено новое техническое решение, которое защищено одним авторским свидетельством.

Практическая ценность полученных результатов состоит в следующем. Разработаны инженерные методики: оптимизации конструктивных параметров АМВ ШДС, расчета регулировочных и энергетических характеристик АМВ ШДС; созданы и внедрены мотор-вентиляторы мощностью 24, 55 кВт для систем терморегулирования дизеля на тепловозе 2ТЭ116. Определена расчетным путем экономия топлива от внедрения АМВ ШДС на тепловозе 2ТЭ116.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты и разделы работы докладывались на ежегодных научно-технических конференциях Во-ропшловградского машиностроительного института (1988-1993 гг.); всесоюзном научно-техническом совещании "Регулируемые электродвигатели переменного тока" (г. Владимир, 1987 г.); всесоюзном научно-техническом совещании "Электродвигатели переменного тока подъемно-транспортных машин" (г. Владимир, 1988 г.); VIII всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы совершенствования разработки, производства и

применения низковольтных электродвигателей переменного тока" (г. Суздаль, 1988 г.); международных научно-технических конференциях «Проблемы слек-тронноТ промисловосп у перехщний перюд» (гЛуганск, 1998 г.), "Проблемы развитая рельсового транспорта" (1998-1999 г.).

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 10 научных изданиях, из них 5 статей в научных журналах Украины, I авторское свидетельство.

Структура диссертацин. Диссертация состоит из введения, пята разделов и трех приложений.

Объём диссертации составляет 232 страницы, 66 рисунков, из них 34 на отдельных страницах и 16 таблиц, из них 7 на отдельных страницах. Перечень библиографических источников включает в себя 101 наименование, из которых 12 на иностранном языке (на 10 страницах). Приложения к диссертации размещены на 44 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во введении дается общая характеристика работы, определены цель и задачи исследований, даны основные направления решения задач.

В первом разделе проведен анализ конструкций и приводов серийных асинхронных мотор-вентиляторов на тепловозах эксплуатируемых в Украине и в дальнем зарубежье, исследовались также режимы работы и питания асинхронных мотор-вентиляторов в эксплуатации. При питании от тягового синхронного генератора (iCl ) габаритную мощность асинхронного мотор-вентилятора необходимо увеличивать в 1,5-Н,6 раза по сравнению с номинальной мощностью. Реальные эксплуатационные режимы питания значительно отличаются от номинальных режимов: среднеэксшуатациошше значения частоты питания /сэ = 0,6/п, напряжения ^'фсэ =0,48ифи, мощности на валу мотор-вентилятора Р'2 = 0,32Р2ц; влияние высших гармоник напряжений на АМВ при питании от ТСГ уменьшает eos <р на 2%, к.п.д. на 1%, что несущественно при питании АМВ от ТСГ.

Выполнен сравнительный анализ способов регулирования температурного режима дизеля с АМВ. Сравнивались: серийный релейный, включением-отключением мотор-вентиляторов; двухскоростной привод; плавный поворотом лопастей; частотный - изменением частоты напряжения; фазовое регулирование - изменением питающего напряжения через ТПН. Анализ выполнялся с использованием экспериментальных характеристик к.п.д. привода вентиляторов с учетом реального распределения мощности дизеля при работе тепловоза в эксплуатации и распределения температур наружного воздуха для Украины.

Сравнительный анализ по среднеэксплуагационной экономичности способов регулирования температуры теплоносителей дизеля определил, что плавные способы в 3,7-;-5,8 раза экономичнее релейного способа Отличие в годовой экономии топлива тепловозов для плавных способов не превышает 0,6% от среднеэксплуатационной нагрузки тепловоза, поэтому выбор типа привода с плавным регулированием определяется в большей степени стоимостными и конструктивными факторами, чем экономичностью, что обосновывает преимущество фазового способа, как наиболее простого, дешевого и надежного.

Из сравнительного анализа регулировочных и энергетических характеристик АМВ с различной конструкцией ротора определено, что при глубоком регулировании изменением напряжения на обмотке статора наиболее рациональным вариантом при числе пар полюсов статора 2р <Ъ является ротор с обмоткой из медных стержней и короткозамыкающих колец из стала СтЗ.

АМВ ШДС (рис. 1,а) состоит из статора 1, который жестко соединен с основанием 2 при помощи втулки 3, несущей опорные подшипники 4, вала 5. Ротор состоит из вентиляторного колеса 6 с лопастями 7 и шихтованного пакета 8. В пазы пакета 8 вставлены медные стержни 9 обмотки ротора. К стержням 9 приварены короткозамыкающие кольца 10 из стали СтЗ. При фазовом регулировании необходимо применение ТПН, который имеет для общепромышленного электропривода приемлемые массогабаритные показатели, серийно выпускается как в Украине, так и за рубежом.

а)

б)

г, —у

/

/

1 г

ОЛ «.4 116 ач ае.

2 3 5

Рис. 1 Конструкция АМВ ШДС (а) и мощность Рв, потребляемая АМВ (б) при релейном (1), фазовом (2) способах регулирования; 3 - экономия топлива.

На рис. 1,6 приведены расчетные зависимости потребляемой мощности АшБ на охлаждение дизеля цри релейном серийном (1) и фазовом (2) приводах АМВ при среднеэксплуатационной температуре для Украины +5°С. Топливная экономичность фазового привода показана кривой 3, которая доказывает экономичность предлагаемого фазового способа. Из рис. 1,6 следует, что годовая экономия топлива тем выше, чем эффективнее работает тепловоз в эксплуата-

ции по мощности дизеля и может достигать 13,4 тонн в год для одной секции тепловоза 2ТЭ116.

Во втором разделе приведены результаты теоретических исследований электромагнитных процессов и параметров АМВ ШДС. Конструкция обмотки ротора АМВ ШДС и сеточная модель кольца показаны на рис. 2, а,б.

Расчетные активное г2 и индуктивное х 2 сопротивления фазы обмотка

ротора

г2 = гс +

ГЮ1 • ¿к 2sinz —

ХКЛ • f-K 2sin2

пD

кср

(1)

"2 А 2 где гК7, х^л - активное и индуктивное сопротивления (параметры) единицы длины ферромагнитного кольца 10; Окср - средний диаметр кольца.

Параметры гЮ7, х^д определялись в результате численного анализа поля в кольце 10 АМВ ШДС (рис. 2,а,б) с учетом переменной магнитной проницаемости материала и без учета внешних полей рассеяния.

Задача решается в следующей постановке: 1) поле в кольце рассматривается как двухмерное; 2) материал кольца обладает изотропными свойствами; 3) явлением гистерезиса пренебрегаем, кривая зависимости Н(В) однозначна и определяется зависимостью для стали СтЗ:

Я = ^Д+(03861£1)8'6] (2)

В нелинейной среде двухмерное электромагнитное поле описывается системой дифференциальных уравнений:

dBx_\

dt

dB^ dt

д2нх

д>'2 д2Н„ ~д?

д2Ну дхду

д2Нх дхду

(3)

Система (3) решена для случая, когда магнитное поле в сечении кольца вызвано только протекающим в нем током (от стороннего источника электрического напряжения). Электромагнитное поле кольца в этом случае обладает симметрией относительно оси у (рис. 2, б), что позволяет вести расчет поля кольца ira пиливияс au сеченая.

Приняты следующие допущения.

1. Нормальная составляющая индукции на поверхности кольца равна нулю, т. е. Bx(b / 2,у)= Ву{х ,й) = 0.

2. Магнитное поле в основании кольца у =- 0 содержит только составляющую В v. Это допущение принимается на том основании, что насыщение

У

ножки кольца обычно значительно больше, чем шихтованного пакета ротора, к которому прилегает кольцо. Поэтому силовые линии поля кольца будут нормальны к лшши их условного раздела.

3. На поверхности кольца задана напряженность электрического поля Ег , одинаковая по всему периметру, т. е. Ег (х, И ) = Е2 (Ь / 2, у) — Е (г).

а)

I

7?

ТА

77

7?\

ТА

б)

И

II

«1

с и

Рис.2 Конструкция обмотки ротора (а) и сеточная модель кольца 10 обмотки (б).

С учетом принятых допущений определяются уравнения поля В на всех границах исследуемой области. Для этого наносится на исследуемую область равномерпая сетка со стороной квадрата /. Нумерация слоев сетки по высоте кольца ] = им и по ширине / = 1

Уравнение поля на границе области г = 1 (ось симметрии) определяется:

В у -0.

Уравнения поля на границе области ) = М (верхняя граница кольца) определяется:

dBr-{iJ)^~\\\-ЩEx{^,i)-9Hx{i,j)+\0Hx{iJ-\)-Hx{i,j-2))+

Л

у V

+~{лну {г +1,7 -\)-АН, (/ -1 )-Ну (/ +1,у -2) + Ну (/ ~1,у -2)]};

В у =0.

Уравнения поля для угловой точки г = 1, у = М определяются:

Вг =0

(5)

/

~= 9Ну (/, -1.;)- Ну ('" - 2,7')]+

4

с/Яу

Уравнение поля для угловой точки ;' = £,_/ = 1 определяется: Л (7,7>10Яу (/ -1,])-Ну, (/ -2,7')]+

А Г' I3 (7)

+1[4Я, (« -1,} +1)- Я, (« -2,7 + 1)|

Уравнение поля для границы области ;' = 1 (основание кольца) Вх~ 0 - по условию

= 0 +1'-/)+ 0 -и)-2Яу О,— (« +1,7 +1)-

ас у/г 2 (8)

-Я, (/-1,7+1)]}

Во всей внутренней области поле описывается системой уравнений (3). Заменив правые части уравнений их разностным эквивалентом, получим

* * (9)

-Цну Ну (1-1,]НУ (I +1,7 -\)-Ну С г -1,7+1;]);

= {НУ + (¡-1,1) -2Ну(г,]) -

* Ук (10)

~[ях г»-+1+и - ях (I -1,7 -и- нх с«- +1,7 -и - с/ -и+1;]}

Представленные дифференциальные уравнения (4) - (10) с разностной аппроксимацией правой части, объединенные в единую систему, решаются численным интегрированием по параметру (. Текущие значения Н(В) в каждой точке определяются согласно выражению (2) и уравнениям

в у в

Напряженность электрического поля на поверхности кольца

Е] -Ет + (12)

Приняв начальные значения поля во всех точках равными нулю, рассчитывается процесс проникновения поля в тело кольца. Установившиеся значения

(11)

поля определяются из условия периодичности решений до совпадения В (t) и В (t + Т) с требуемой точностью.

Активное г ¡¡л в реактивное х сопротивления на единицу длины кольца переменному току определяются с помощью вектора Пошгпшга. Учитывая, что Е на периметре имеет одно и то же значение,

1 2* я/2 2я

Р = 2 1л(т)//с(/д)<//Л «и/f |Е(х)Hc¡>(x)ch; (13) 1 о о о

Здесь т = са t ;П- периметр кольца, Я = 2h¡ai + Ькл, (%) - среднее значение напряженности поля Не на периметре, вычисляется на каждом шаге интегрирования системы дифференциальных уравнений по дискретному значению Нв точках на поверхности:

нч>(¿и-<1>м>] + 2Х^-ÍX•(15)

М - ¡t=2 J

Значения и Ну в угловой точке с координатами L, М приняты равными нулю, что следует из анализа поля в кольце. Тогда

g = 2P/Ei, b^TQ/El- rJCT = ^2g+b2y хм = (16)

Как следует из результатов исследования электромагнитных процессов в ферромагнитном кольце 10, активное и индуктивное сопротивления его зависят от двух конструктивных параметров: от площади поперечного сечения 5; от отношения высоты кольца к ширине Ks = Ьдд 1 h^j.

Цель оптимизации - получение минимально возможной среднеэксплуата-ционной мощности, потребляемой АМВ, при эксплуатационных гистограммах распределения режимов работы тепловоза и температур наружного воздуха.

Для этого разработана математическая модель АМВ ШДС, по которой для заданных эксплуатационных частот вращения АМВ определяются значения потребляемой мощности АМВ при последовательном изменении конструктивных параметруь ферромашшншо кольца. Потребляемая мощность определяется в результате решения уравнения равновесия моментов

А*'»* =мв, где М1м - электромагнитный момент,

М. = М.„ (п! п„)г - момент веншляторного колеса;

Меи - вентиляторный момент при номинальной частоте вращения п„. Электромагнитный момент М ы определяется из Г-образной схемы замещения

асинхронной машины. Параметры схемы замещения определяются из конструктивных параметров статора АМВ и параметров ротора г2 и хг, определенных путем решения системы уравнений (2) - (16), для заданных эксплуатационных значений частоты вращения АМВ, частоты питающего напряжения и напряжения питания АМВ, определенного в результате моделирования. Так как число переменных при оптимизации небольшое и равно двум (ЬЮ7, Ь^), то в качестве метода оптимизации используется последовательный обход узлов пространственной сетки.

Критерием оптимизации является минимум потребляемой АМВ ШДС мощности в процессе эксплуатации тепловоза. В результате оптимизации параметров ротора для АМВ номинальной мощностью 24 кВт для тепловоза 2ТЭ116 по разработанной методике определено, что минимальная средыеэксплуатаци-онная мощность, потребляемая АМВ ШДС составляет 3,84 кВт при }гкп = 0.012л/ и Ьт = 0,045л .

Разработана также инженерная методика расчета регулировочных и энергетических характеристик АМВ ШДС при изменении синусоидального напряжения питания на обмотке статора.

В третьем разделе задача исследования характеристик АМВ ШДС при питании несинусоидальным напряжением от ТПН связана с определением гармонического состава токов и напряжений, питающих АМВ, определением действующих значений этих токов и напряжений. Для решения этой задачи применен метод гармонического анализа с разложением в ряд Фурье питающего АМВ напряжения. В связи с этим АМВ представлен двумя схемами замещения: для первой гармоники и для высших гармоник фазного напряжения. Обосновано, что наиболее целесообразным методом теоретического исследования электромагнитных процессов в АМВ ШДС ври фазовом регулировании является метод гармонического анализа совместно с методом последовательных приближений с использованием ЭВМ. При этом АМВ ЩЦС представляется в виде активно-итцуктивной нагрузки. Активное и ин дуктивное сопротивления мотор-вентилятора в значительной степени зависят от правильного определения параметров элешримш шгшшо лилх в ферримагшиных кирошшамыкакмцил. кольцах обмотки ротора.

При соединении обмоток статора звездой чётные и кратные трём гармоники отсутствуют и суммарный электромагнитный момент определяется в следующем виде

Мэй =М1-М,+М7-Ми..., где М Х,М 5,М -¡.Мц... - электромагнитные моменты, образованные соответственно первой, пятой и т.д. гармониками.

Знаки «+» и «-» означают прямое и обратное направление действия моментов. Значения моментов от высших гармонических М5,М7. Мп не превы-

и

пшют 0,8 -5-1,5% критического момента АМВ ШДС на естественной характеристике.

На основании теоретического исследования электромагнитных процессов в АМВ ШДС разработана инженерная методика расчета характеристик мотор-вентилятора (как регулирующего органа для автоматических систем) при фазовом регулировании: и(а), г|(а), /(а), cos (а), где а - угол включения тиристоров ТПН, которая дает возможность рассчитать характеристики АМВ ШДС при изменении утла регулирования ТПН с погрешностью не более 15%.

В четвертом разделе приведены результаты экспериментальных исследований на стенде опытных образцов АМВ, Определено, что АМВ мощностью 55 кВт с беличьей клеткой ротора из сплава АК12МЗ не регулируется изменением напряжения на обмотке статора; АМВ с беличьей клеткой ротора из стали СтЗ имеет низкие энергетические характеристики в номинальном режиме: г| = 0,77, cos <р = 0,42. АМВ ШДС с обмоткой ротора из медных стержней и ферромагнитных колец из стали СтЗ имеет хорошие регулировочные свойства при приемлемых ноштальных параметрах: rj = 0,88, cos tp = 0,64.

Опытный образец АМВ ШДС мощностью 24 кВт с оптимальными конструктивными параметрами ферромагнитных короткозамыкающих колец имеет благоприятные регулировочные и энергетические характеристики как в номинальном режиме (при/„ =100Гц и = 230 i?, г] = 0,88, cos <p = 0,65), так и

при глубоком регулировании при частотах питающего напряжения 100, 86, 71, 60 Гц как при тггшши синусоидальным напряжением, так и при питании от ТОН (рис. 3).

Доказало экспериментально, что высшие гармоники тока и напряжения при фазовом регулировании незначительно влияют на энергетические характеристики привода - увеличивают ток АМВ ШДС на 1,0 -s- 1,5% и уменьшают к.п.д. на 2,0 2,2% при глубоком регулировании.

В пятом разделе проведены сравнительные экспериментальные исследования на тепловозе 2ТЭ116 № 307 серийной релейной и опытам! плавной автоматической системы регулирования температуры (АСРТ) теплоносителей дизели с АМБ ШДС, для сравнения качссчва регулирования в сгационарлых режимах работы и в переходных режимах при резком изменении мощности дизеля.

Опытная АСРТ представляет собой статическую систему автоматического регулирования, реагирующую на отклонение температуры теплоносителей дизеля от заданного значения. Система имеет два независимых контура регулирования по температуре воды и по температуре масла дизеля, которые содержат один ТПН и два АМВ ШДС, соответственно. Исследовалась АСРТ воды и масла дизеля тепловоза с двумя термодатчиками в контуре регулирования, включенными на входе и на выходе теплоносителей из дизеля.

Экспериментальные исследования проводились для сравнения качества регулирования серийной и опытной АСРТ в стационарных режимах работы ди-

зеля и в переходных режимах при резком изменении мощности дизеля, В стационарных режимах определялись статические характеристики АСРТ, при релейном и плавном способах регулирования температурного режима дизеля. Исследования проводились при температуре наружного воздуха + 7°С •*■ +10°С.

о.е. 0,8

0,6

0,4

02

0 0Л 0,4 0,6 0,8 ое-

Рис. 3 Зависимости к.п.д. т^ АМВ ШДС от относительной частоты вращения и / пн при питании от ТПН и различных частотах питающего напряжения.

Переходные процессы в обеих АСРТ исследовались при быстром изменении мощности дизеля с первой позиции контроллера машиниста до номинальной мощности (пятнадцатая позиция) и обратно. Повторное изменение мощности дизеля производилось только после получения установившегося режима охлаждения дизеля. По переходным характеристикам определялись: время переходного процесса, динамическая ошибка АСРТ дизеля (заброс температуры теплоносителя).

Доказано экспериментально при реостатных испытаниях на тепловозе 2ТЭ116, что плавная АСРТ с АМВ ШДС имеет в среднем динамическую ошибку 3,5°С и время переходного процесса 330 с при набросе нагрузки дизеля с холостого хода до номинального значения. Опытная плавная АСРТ при температуре наружного воздуха + ТС + 10°С имеет в среднем в 1,8 раза меньшую динамическую ошибку, в 2,8 раза метшее время переходного процесса по сравнению с серийной релейной АСРТ. Статическая ошибка опытной плавной ACPI' дизеля при температуре наружного воздуха + 7иС + Ю"С составляет 2,Ъ"С, что в 2,4 раза меньше статической ошибки серийной ACPI' дизеля.

Определено, что АМВ ШДС при плавном способе регулирования при температуре наружного воздуха +- 7°С + 10°С работают без пусковых режимов в основном при частоте вращения 200-7-700 об/мин, а также при малых значениях питающего напряжения и потребляемого тока, так как мощность вентиляторного колеса при этом составляет 0,1-5-4,0% от номинального значения;

имеют меньшие динамические и тепловые нагрузки по сравнению с релейным способом регулирования, что повышает надежность работы регулируемых АМВ ШДС на тепловозе по сравнению с серийным приводом А МБ.

ВЫВОДЫ

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача создания регулируемых изменением напряжения асинхронных мотор-вентиляторов с широким диапазоном рабочего скольжения (АМВ ШДС). Применение такого асинхронного двигателя, совмещенного с рабочим органом -вентилятором охлаждающего устройства дизеля позволяет снизить энергозатраты на вспомогательный привод и повысить надежность тепловоза.

Основные научные и практические выводы работы заключаются в следующем:

1. Из сравнительного анализа конструктивных особенностей и энергетических показателей различных типов приводов вентиляторов: релейного, двух-скоросгаого, плавного поворотом лопастей, частотного, фазового с АМВ ШДС, определены преимущества фазового способа регулирования, а наиболее рациональным вариантом ротора АМВ ШДС при числе полюсов статора ^Р ~ ® является ротор с обмоткой из медных стержней и ферромагнитных короткозамы-кающих колец из стали СтЗ.

2. Сравнительный анализ по экономичности способов регулирования температуры дизеля с учетом распределения температуры наружного воздуха для Украины и мощности дизеля тепловоза в эксплуатации определил, что плавные способы регулирования в 3,7 5,8 раза экономичнее релейного способа. Отличие в годовой экономии топлива для плавных способов регулирования не превышает 0,6% от годового потребления топлива тепловозом, поэтому выбор типа привода с плавным регулированием определяется в большей степени стоимостными и конструктивными факторами, чем экономичностью.

3. На основании проведенных теоретических исследований электромагнитных процессов в ферромагнитных короткозамыкаюшдх кольцах обмотки ротора АМВ ШДС при питании синусоидальным напряжением методами теории электромагнитного поля с учетом нелинейных магнитных свойств ферромагнитных элементов обмотки ротора, определены расчетные параметры ротора - активное и индуктивное сопротивления ротора.

4. Разработана методика расчета регулировочных и энергетических характеристик при питании синусоидальным напряжением АМВ ШДС, а также методика оптимизации конструктивных параметров обмотки ротора с учетом работы АМВ и охлаждающего устройства дизеля при реальном распределении температуры наружного воздуха и мощности дизеля в эксплуатации. Цель оп-

тимюации - определение геометрических размеров ферромагнитных коротко-замыкающих колец обмотки ротора для достижения минимальной среднеэкс-плуатационной потребляемой мощности АМВ ШДС.

5. Обосновано, что наиболее эффективным методом исследования электромагнитных процессов в АМВ ШДС при фазовом регулировании является метод гармонического анализа совместно с методом последовательных приближений с использованием ЭВМ. При этом мотор-вентилятор представляется в виде специфической активно-индуктивной нагрузки. Разработанная инженерная методика расчета характеристик АМВ ШДС при фазовом регулировании дает возможность рассчитать характеристики мотор-вентилятора при изменении угла регулирования ТПН с погрешностью не более 15%.

6. В результате экспериментальных исследований на стенде опытных образцов АМВ с различной конструкцией короткозамкнутых обмоток ротора: с обмоткой из сплава АК12МЗ; с обмоткой из стали СтЗ; с медными стержнями и ферромагнитными короткозамыкающими кольцами из стали СтЗ установлено, что АМВ с ферромагнитными короткозамыкающими кольцами имеет параметры в номинальном режиме (т| = 0,88, cos ср = 0,65) и наилучшие регулировочные и энергетические характеристики при глубоком регулировании при наиболее вероятных значениях частот питающего напряжения в эксплуатации тепловоза: 100, 86, 71, 60 Гц как при питании синусоидальным напряжением, так и при питании от ТПН. Доказано экспериментально, что высшие гармоники тока и напряжения при фазовом регулировании увеличивают ток потребляемый АМВ на 1,0 1,5% и уменьшают к.п.д. на 2,0 2,2% при глубоком регулировании.

7. В результате испытаний на тепловозе определено, что АМВ ШДС в замкнутой АСРТ обеспечивает поддержание температуры теплоносителей в достаточно узком интервале: динамическая ошибка пе превышает 3,6°С, статическая ошибка не превышает 2,8°С; при этом в регулирующем органе (в АМВ ШДС) колебательный процесс отсутствует.

8. Анализ экономичности АМВ ШДС при фазовом регулировании с использованием экспериментальных энергетических характеристик привода вентилятора и гистограммы реального распределения температуры наружного воздуха для Украины определил, что годовая экономия топлива тем выше, чем эффективнее работает тепловоз в эксплуатации по мощности дизеля и может достигать 13,4 тонн в год для одной секции тепловоза 2ТЭ116.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ТРУДОВ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Бухтияров И.Ю., Захарчук A.C. Математическое моделирование и оптимизация асинхронного мотор-вентилятора с широким диапазоном скольжения // BicH. Схщюукр. держ. ун-ту.—1999.—№ 3(18).—С.66-73.

2. Бухтияров И.ГО. Анализ затрат мощности на привод вентиляторов охлаждающих устройств тепловозов при различных способах регулирования // Bich. Схщноукр. держ. ун-ту.—1999.—№ 6(22).—С. 126-130.

3. Бухтияров И.Ю. Асинхронные мотор-вентиляторы с комбинированным ротором для мощных магистральных тепловозов // Проблеми елекгронвдн промнсловосп у перехцший период. - Луганск: СУДУ.- 1998.-С. 99-103.

4. Захарчук A.C., Бухтияров ИЛО. Эксплуатационные режимы питания мотор-вентиляторов на тепловозах от тягового синхронного генератора // Bicii. Схщноукр. держ. ун-ту.—1999.—№ 4(20).—С.158-164.

5. Захарчук A.C., Прокопенко С.А., Бухтияров И.Ю. Асинхронные мотор-вентиляторы с широким диапазоном скольжения для мощных магистральных тепловозов И Конструирование и производство транспортных машин // Респ. сб. науч. тр. - Харьков: Вшца школа. - 1988. - Вып.20. - С.70-74.

6. A.c. 1700693 СССР, МКИН02К 7/14. Асинхронный мотор-вентилятор / A.C. Захарчук, CA Прокопенко, НЮ. Бухтияров (СССР). - №4755220/07; Заявлено 31.10.89; Опубл. 23.12.91. Бюл.№47. - 4 с.

7. Захарчук A.C., Прокопенко С.А., Бухтияров И.Ю. Асинхронные обращенные регулируемые мотор-вентиляторы для тепловозов. Перспективы развития электромашиностроения па Украине / Республ. яаучп.-техн. конф,: Тез. докладов., 4.П, Харьков, 1988. С.137-138.

8. Захарчук A.C., Прокопенко С.А., Бухтияров И.Ю. Результаты разработок регулируемых асинхронных мотор-вентиляторов для локомотивов. Проблемы развитая локомотивостроения // Тез.докл. Ш Всесо-юзн.научн.техн.конф., Луганск 22-24 мая 1990.

9. Захарчук A.C., Новиков В.М., Бухтияров И.Ю. Результаты экспериментального исследования асинхронного мотор-вентилятора с комбинированным ротором для тепловоза // Тез. докл. VIII Межд. науч.-тсхн. конф. "Проблемы развития рельсового транспорта". - Крым, Алушта, 21-25 сентября 1998. - С. 54-55.

10. Захарчук АС., Бухтияров И.Ю. Анализ затрат мощности на привод вентиляторов охлаждающих устройств тепловозов при различных способах ре-гулрования // Тез. докл. IV Межд. науч.-техн. конф. "Проблемы развития рельсового транспорта". - Крым, Алушта, 13-17 сентября 1999. - С.43.

Личный вклад соискателя. В работах опубликованных совместно с другими авторами личный вклад состоит в следующем:

- разработана методика оптимизации конструктивных параметров ротора АМВ ШДС и методика расчета характеристик АМВ [1 ];

- выполнены экспериментальные исследования АМВ ШДС с обмоткой ротора из медных стержней и ферромагнитных колец [5,7-10];

- предложено изготовление короткозамыкающего кольца обмотки ротора из ферромагнитного материала |6].

АНОТАЩЯ

Бухпяров 1.Ю. Асинхронный мотор-вентилятор з широким диапазоном робочого ковзання для тепловозов. — Рукопис.

Дисертащя на здобуття паукового ступеня кандидата техшчних наук за спещальгастю 05.09.01 - елекгричш машнни 1 апарати. - Донецышй державний техшчний ушверситет, Донецьк, 2000.

Дисергащя присвячена шггашпо створення асинхронного регулюемдго мотор-ве1ггидятора з широким диапазоном робочого ковзання для охолоджуючого пристрою дизеля тепловозу з метою зниження нитрат енерп! на привщ вентиляхорЬ охолоджуючого пристрою 1 шдвищетшя надшноеи дизеля тепловоза.

Гснуюч! системи плавного регулювання виграчання повиря: з поворот-ними лопатями, частотне регулювання мотор-вентилятор1в, а також двош-видгасний електро привод вентиляторов не в достатнш лпр; задоволышоть внмо-гам надшиосп, технолопчносп, варгпсгаим показчикам до охолоджуючих при-строТв дизеля тепловоза.

Запропонований плавкий cпociб регулювання у 3,7 раз1в бшып еко-номшлий. н1ж серШний релейний спсклб.

Частота обергання мотор-вентилятора регулюеться змшою напруги на обмотщ статора фазовим способом за допомогою тиристорното перетворювача напруги. Обмотка ротора складэсгься з шдних стрижшв 1 феромагштяих ко-роткозамкненях кшець.

Кяючов1 слова: мотор-вентилятор асшхроныий. тепловоз, пристрт охолоджувалышй.

АННОТАЦИЯ

Бухтияров И.Ю. Асинхронный мотор-вентилятор с широким диапазоном рабочего скольжения для тепловозов. — Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 - электрические машины и аппараты. - Донецкий государственный технический университет, Донецк, 2000.

Диссертация посвящена вопросу создания регулируемого напряжением на обмотке статора обращенного асинхронного мотор-вентилятора с широким диапазоном рабочего скольжения (АМВ ШДС) для снижения затрат энергии на привод вентиляторов охлаждающего устройства и повышение надежности дизеля лаикшоза.

На серийных тепловозах типа 2ТЭ116, оборудованных электрическим приводом вентиляторов на переменном токе, применяется релейное регулирование температурного режима дизеля включением и выключением асинхронных мотор-вентиляторов. Основными недостатками такого регулирования являются: повышенный расход энергии на привод вентиляторов, колебания температуры воды и масла дизеля, тяжелые условия работы мотор-вентиляторов, связанные с частыми пусками их в процессе регулирования температуры дизеля.

Существующие системы плавного регулирования расхода воздуха: с поворотными лопастями, частотное регулирование мотор-вентиляторов, а также двухскоросгаой электропривод вентиляторов не в полной мере удовлетворяют требованиям надежности, технологичности, стоимостным показателям к охлаждающим устройствам дизеля тепловоза.

В диссертационной работе рассмотрены вопросы по использованию в охлаждающих устройствах асинхронных мотор-вентиляторов с широким диапазоном рабочего скольжения, регулируемых изменением напряжения на обмотке статора фазовым способом при помощи тиристорного преобразователя напряжения. Определены преимущества фазового регулирования, а наиболее рациональным вариантом ротора АМВ ШДС при числе полюсов статора 2р <, 8 является ротор с обмоткой из медных стержней и ферромагнитных короткозамы-каяяцих кол ец.

Определено, что фазовый способ регулирования с АМВ ШДС в 3,7 раза экономичнее серийного релейного способа.

На основании проведенных теоретических исследований электромагнитных процессов в АМВ ШДС методами теории электромагнитного поля с учетом пелиненных магнитных свойств ферромагнитных элементов обмотки ротора разработана инженерная методика расчета регулировочных и энергетических характеристик АМВ ШДС при питании синусоидальным напряжением и

при питании от тиристорного преобразователя напряжения, а также методика оптимизации конструктивных параметров обмотки ротора с учетом работы АМВ и охлаждающего устройства при реальном распределении температуры наружного воздуха и мощности дизеля в эксплуатации.

В результате экспериментальных исследований на стенде установлено, что АМВ с оптимальными конструктивными параметрами ферромагнитных ко-роттсозамыкающих колец имеет благоприятные энергетические характеристики как в номинальном режиме (при /и =100Гц и Uфн = 230J3 , т] = 0,88,

cos ф = 0,65), так и при глубоком регулировании при наиболее вероятных значениях частот питающего напряжения в эксплуатации тепловоза: 100, 86, 71,60 Гц.

Доказано экспериментально на тепловозе 2ТЭ116, что АМВ ШДС имеет хорошие регулировочные свойства при работе в замкнутой автоматической системе регулирования температуры (АСРТ) теплоносителей дизеля. Плавная АСРТ с АМВ ШДС имеет в среднем в 1,8 раза меньшую динамическую ошибку, в 2,8 раза меньшее время переходного процесса по сравнению с серийной релейной ACPI, статическая ошибка при этом в 2,4 раза меньше статической ошибки серийной АСРТ.

Анализ экономичности АМВ ШДС тгри фазовом регулировании с использованием экспериментальных энергетических характеристик привода вентилятора и гистограммы реального распределения температуры наружного воздуха для Украины определил, что годовая экономия топлива тем выше, чем эффективнее работает тепловоз в эксплуатации по мощности дизеля и может достигать 13,4 тонн в год для одной секции тепловоза 2ТЭ116.

Ключевые слова: мотор-вентилятор асинхронный, тепловоз, устройство охлаждающее.

«

THE SUMMARY

Bukhtiyarov I.Yu. Asynchronous motor - ventilator with a wide range of working sliding for diesel-locomotive. - Manuscript.

Dissertation of scientific degree of candidate of technical sciences on speciality 05.09.01 - electric machines and apparatuses. - Donetsk State Technical University, Donetsk, 2000.

Dissertation is devoted to decision of the problem of creation asynchronous fluent control of a motor-ventilator with a wide range of sliding for a refrigerator of the heat power equipment diesel-locomotive with the purpose of decrease of expenditure of power consumption on a drive of ventilators in maintenance and, therefore, of saving of diesel fuel.

Existing systems of smooth regulation of expenditure of air: with rotary lobes, frequent regulation of motors - ventilators, and also double-speed electric drive of ventilators not to the full meet the requirements of a reliability, adaptability to manufacture, cost indexes to refrigerators of a diesel engine of the locomotive.

Fluent control mode in 3,7 times of a more costeffectively serial relay mode.

The rotational frequency of a motor-ventilator is regulated by a voltage variation on a winding stator by a phase way with the help thyristor of a converter of power. The winding of a rotor consists of copper rods and ferromagnetic end rings.

Keywords: asynchronous motors-ventilator, diesel-locomotive, cooler.

Подписано до друку ZS .£¿2000 p. Формат60x84 1/16. Пашрофсепшй. ГарштураTimes. Друкофсетний. Ум.друкарк. 1,0. Тираж 100 прим. Вид. № 4W . Зам. №

Видавшщтво СхшноукраГнсъкого державного ушверситегу. 91034, м. Лугаяськ, кв. Молод1'жний 20а

Дшьтшця оперативно'1 по.шграфл Схгдноукрамського державного университету. 91034, м. Луганськ, к». Молод1жний 20а.