автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Автономная тяговая электрическая передача со сверхпроводниковыми униполярными электрическими машинами

Р Г Б ОД

2 5 НОЯ 1825

НИКИТИН

Виктор Валерьевич

На правах руколиси УДК 629.01:621.313

АВТОНОМНАЯ ТЯГОВАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА СО СВЕРХПРОВОДНИКОВЫМИ УНИПОЛЯРНЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ МАШИНАМИ

05.09.03—Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

СЛНКТ-ПЕТЕРБУРГ

ЮЭб

Работа выполнена в Петербургском государственном университете путей сообщения.

Научный руководитель —

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Анатолий Иванович ХОЖАИНОВ

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Виктор Васильевич СТРЕКОПЫТОВ; кандидат технических наук, старший научный сотрудник Михаил Иванович ФЕДОСОВ

Ведущее предприятие — отдел (институт) электроэнергетических проблем Российской академии наук.

Защита состоится 25 декабря 1996 г. в 15 час 15 мин на заседании диссертационного совета К 114.03.07 Петербургского государственного университета путей сообщения (190031, С.-Петербург, Московский пр., 9, ауд. 5-407).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан «.^.9» ноября 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук,

доцент В. С. СМИРНОВ

ощая харакгйрисгика работы

Актуальность. Вачогейаей проблемой, определяющей дальнейшее развитие железнодорожного транспорта, является увеличение пропускной и провозной способностей железных дорог. Один из путей реие-ния этой задачи заключается в повышении скоростей двшения поездов, что в свою очередь связано с проблемой повыясния мощности локомотивов и созданием тяговых злактрическкх газин большой мощности с лучшими массогабаритнкми и энергетическими характеристиками.

Качественно новым этапом развития крупного электромашиностроения является применение сверхпроводников в конструкции электрических мааин. Использование'сверхпроводников в электрических машинах позволяет на два порядка повысить.плотность тока в обмотке возбуждения и создавать сильные магнитные поля с высокими значениями индукции практически без потерь модности, бильные магнитные поля позволяют полностью или частично отказаться от массивного ферромагнитопровода и существенно уменьшить массу машины, исключив при этом потери мощности в стали. Таким образом, наряду с большей единичной мощностьа сверхпроводниковые электрические машины имеют й более высокий к.п.д. по сравнению с электрическими машинами традиционного исполнения.

Преимущества сверхроводниковых электрических .машин явились основанием для проведения исследований по использованию их в промышленности, энергетике и на транспорте, в первую очередь на самолетах и судах. Предложения по использованию сверхпроводниковой техники на локомотивах были выдвинуты кафедрой " Электротехника " ПШ1С, позже появились аналогичные предложения, в том числе и за рубежом.

Современный уровень технологии обеспечивает работоспособность сверхпроводящих устройств при скоростях изменения тока

^ 25 кЛ/с и магнитной индукции Тл/с. Открытие

в 1986 г. высокотемпературных сверхпроводников, охлаждаемых жидким азотом ( 77 К ), открыло новые перспективы применения сверхпроцодящих устройств на транспорте, поскольку азотная криогенная установка по сравнению с гелиевой имеет существенно меньшие массу и габариты.

Цель и задачи работы. Целью работы является получение решений, обеспечивающих повышение технико-экономических показателей автономной тяговой электрической передачи. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

• I. Исследование электромеханических свойств, массогабарит-ных и энергетических показателей тяговых сверхпроводниковых униполярных машин ( СЛУМ )•

2. Исследование энергетических характеристик тяговой электрической передачи со СП/1! перспективного тепловоза.

3. Исследование внешних магнитных полей 'СПУМ и выбор способа их экранирования.

4. Разработка элементов теории совместной работы тяговых СПУМ и сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии

( СШН ). ;

5. Создание макетного стенда тяговой электрической передачи с униполярными машинами й проверка ее работоспособности в различных режимах. Экспериментальная., проверка влияния вертикальных и угловых колебаний на работу криостатов сверхпроводящих магнитных систем.

-з- *

Методика исслёдовений., В рабою использованы метода теории электрических цепей, теории электромагнитного поля, теории локомотивной тяги, численные методы решения дифференциальных уравнений и экстремальных задач. Прикладные программы для ПЭВМ разрабатывались на язкках Паскаль и Бейсик, рабочая програ.!з-.:а микропроцессорного контроллера -- иа языке Ассемблер. Достоверность вшолншжк исследований основана на коррвктпсста постановок и решений сфорлулвроша-аас задач, а также удовлет-' верительной р&Йотост:ороб;юсти укаполяршх электрических машин s составе макетного стенда гяговой передачи.

Основные научные, результаты. •

1. Определены электромеханические свойства тяговых езерх-проведкикозых униполярных двигателей ( СПУД ).

2. Моднфицироргга жггодвка и разрйбэтп: алгоритм расчета сверхпроводящих зкрягкруэцих катухэ:: CiT/'i.

3. Разргботаиы элементы -хесрии согмезтно:! .работ:» тягоечх СШ.и СГЙН»

• 4. Предложена шгкенернал методика оценки экономик топлива при совместной работе тягового-сверхпроводникового униполярного генератора { СШТ ) и СПИН на СПУД в репа» тяги.

Практическое значение. Предложений методики расчета и прикладные программы позволяют рассчитывать технико-экономические характеристики тяговых Ciï/IJ и электрической-передачи в целом. Полученные результаты могут быть использованы при проведении проектно-исследовательских работ по созданию мощных автономных транспортных объектов со сверхпроводниковым оборудованием.

-4- '

Апробация. Основные.положения и результаты работы докладывались на 51-56 -й научно-технических- конференциях ПГУПС " Неделя науки" ( 1991-1996 .) , научно-технической конференции " Проблемы железнодорожного транспорта решают ученые " (ПГУПС, 1994 г.), 2-й межвузовской конференции ( ПГУПС, 1994 г.), международном симпозиуме " Современные транспортные технологии - 96 " ( ПГУПС, 1996 г.). .

Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит 108 страниц машинописного текста, 59 иллюстраций,' 22. таблицы и 3 приложения.

Библиография. Список использованной литературы содержит 97 наименований.

" • СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований..■■'".

. В первой главе анализируется современный уровень развития криогенного электромашиностроения, которое развивается по трем основным направлениям: создание сверхпроводниковых синхронных Генераторов ( СПСГ ), коллекторных машин постоянного тока ( СПКМ ) и униполярных машин ( СП/М ). В соответствии с этим рассмотрены следующие принципиальные схемы тяговых передач : СПСГ - В - ДЛГ, СПСГ - М - АД, СПСГ - в - спад, СПКГ - СШД, СПУГ - СаУД (3- выпрямитель, Ш - преобразователь частоты, Г - генератор, Д - двигатель, ДЛТ - двигатель постоянного тока,, АД - асинхронный двигатель ).

Дза последних варианта позволяют исключить промежуточное звено между генератором и двигателями.( выпрямитель или преобразователь частоты ), а значит принципиально более просты и надежны. Предварительный анализ ¿оказал, что по массОгабаритным показателям СПХМ и СПУМ конкурентоспособны, но наиболее простыми по конструкции и технологии изготовления являются' СПУ14 с гладким циливдрическим якорем, которые более предпочтительны в качестве тяговых электрических машин. Конструктивная схема СИУМ приведена на рис.1. Гладкий цилиндрический полый якорь I охватывается двумя осесишетричными катушками сверхпроводящей обмотки возбуждения ( СПОВ ) 2, помещенной в криостат 3. Обратный токопровод 4 компенсирует магнитноа поле якоря в зоне СГОВ и воспринимает реактивньй момент. Съем тока осуществляется с помощью щеток 5. Ка рисунке изображены такяе сверхпроводящие экранирующие катушки 6, расчету которых посвящена глава 3.

В табл.1 приведены сравнительные данные тяговых двигателей традиционного исполнения- 11В—507 постоянного тока, асинхронного НБ-607, СШД и-СЛУД.

Сравнительные данные тяговых двигателей Таблица I

Параметры ЯБ-507 1^607 спад СПУД

Мощность, кВт 950 ' 920 950 ' 970

Частота вращения,об/мин. 720 1015 1000 1000

Напряжение, В 1050 1300 1050 100

Ток якоря ( статора ), А 950 515 950 10000

Габариты : диаметр, м 1,2 1,05 1,19 1,14

длина, м 1.2 0,955 0,75 1Д1 '

Масса, кг 4600 4060 2200 2000

Удельная масса, кг/кВт 4,84 4,41 2,31 2,06

2 3

/

i—/' 7

СЕЩ Т

X

э—

Рис. i

спуг

Рис. 2

Из приведенных данных видно, что масса сверхпроводниковых двигателей в два раза меньше, чем двигателей традиционного исполнения. Дальнейшие расчеты выполнялись для тяговой передачи мощностью В« 6000 кВт, состоящей из СШФ и пести параллельно включенных СПУД, принципиальная электрическая схема которой представлена на рис.2. На рисунке изображен также СПИН, которому посвящена глава 4.

Во второй главе исследованы характеристики тяговых СПУМ и энергетические показатели тяговой передачи в целом.

При отсутствии ферромагнитных элементов в конструкции • СШФ его характеристики ( холостого хода, внешняя и регулировочная ) представляют собой прямолинейные зависимости; величина тока возбуждения СШЗ должна быть меньше критического значения, при котором происходит потеря сверхпроводящего состояния СЛОВ.

¡{алое электрическое сопротивление якорей СПИЛ, выполняемых в виде полых цилиндров, определяет большую жесткость скоростных и тяговых характеристик СП7Д по сравнению с двигателями постоянного тока, традиционного исполнения независимого возбуждения ( рис.3,4 ). Это обеспечивает лучшие противобоксовочше свойства тяговых передач со СГ2ГД, но приводит к существенно неравномерному распределению токов между параллельно включенными СПУД. На распределение токов якорей СПУД существенное влияние оказывает расположение их на локомотиве, т.к. суммарное сопротивление цепи якоря СПУД соизмеримо с сопротивлением токопод-водящих шин, а также неизбежные технологические отклонения в сборке магнитных систем СПУД, определяющие разброс величин их магнитных потоков относительно расчетной величины, и разброс

V ло

0,8 0,6

ОЛ 0,2

-В-

СкоРОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

1

'1 ~ • ■—... ——^ и

— у

- 1Т =

-

'кзм.

У = 0,5 ин

■"ион.

Рк,кн

0,2 0,4 0,6 0,6 4,0' - СПУД . —-- НБ-412 К

Рис. 3

ТЯГОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

£0

со

40

20

и-! !0В 1Г« 5о а и »шов

\ \

' ■.» ' \

\ \

20 40 60 80 СПУД —---НБ-412К

Рис.4

V, км/ч

диаметров колесных пар, возникающий в эксплуатации. Елияние этих факторов на токи якорей параллельно работающих СПУД модат быть скомпенсировано введением дополнительных резисторов в цепи якорей СПУД с цельи выравнивания их сопротивлений и воздействием на токи возбуждения СПУД.

При работе СП7М в шя вознгасают сладущие виды основных потерь: ■ '

а) электрический в япорз, обратном токопрэзодо, щетках и токовводах СПОЗ ;

б) механические в щетках на холосто» ходу и под нагрузкой, на трение якоря о воздух, на трение з подшгашмос ;

в) затраты мощности на привод криогенной установки.

" Установлено, что на величие/ олэтаричзстах потерь модности з якоре существенное влияние оказывает конструкция поточного токосъема, который принципиально нши быть выполнен'зональным или кольцевым. Анализ показал, что кольцевой токосъем -является более предпочтительным. .

Зависимости к.п.д. СПУГ и СПУД от относительной мощности приведены на рис.5. Там не представлены зависимости £( у^гиом) для двигателя постоянного тока НБ - 607 в синхронного генератора ГС - Ь01.

К. п.д. тяговой передачи со СЛУМ

где - к.п.д. СПУГ и СПУД соответственно;

*|пй~ отношение мощности на занимах эквивалентного СПУД к мощности на зачимах СПУГ; - к.п.д. тягового редуктора.

Рис. 5

-u-

К.п.д. тяговой передачи с синхронным генератором СГ и двигателем постоянного тока традиционного исполнения ДПГ

из которых видно, что к.п.д. тяговой передачи со- СПУЫ в широком диапазоне изменения мощности вша, чем к.п.д. тяговых передач с электрическими машинами традиционного исполнения.

3 третьей главе выполнен расчет и анализ магнитных полей С ПУМ. Отличительная особенность С ПУМ - сильные магнитные поля,. величина которых внутри корпуса мотет достигать ( 7-г9 ) Тл, а на поверхности корпуса - { 4+5 ) Тл. Сильные магнитные поля . могут оказывать вредное влияние на обслуживающий персонал и элементы конструкции подвижного состава, поэтому необходим расчет внешних магнитных полей СГ1УМ внутри кузова тепловоза. Расчет показал, что внешние магнитныо поля СЛУГ и кабине машиниста не превышают допустимых уровней ( для длительного пребывания Вдгп $ 0,02 Тл ^несшее магнитное поле СПУД ъ кабине хотя и превышает эту величину С 0,07 Тл ), ко за счет естественных ферромагнитных перегородок ( пол и стены кабины ) может быть снижена б несколько раз. ^Магнитное поле СЛУГ ь камере с электроаппаратурой не превышает 0,018 Тл, а в служебном проходе машинного, отделения на расстоянии 0,2 м и более от боковой поверхности СПУГ - ( 0,95 + 0,1 ) Тл. Последнее обстоятельство определяет необходимость снижения уровня внешних магнитных полей СПУГ. Наиболее целесообразным методом экранирования внешних полей является комбинированный метод, основанный на

где tlr}^!»- к.п.д. СГ и ДПГ соответственно ; - к.п.д. выпрямителя. На рис.б представлены зависимости

совмещении преимуществ активного экранирования индукторов СПУМ сверхпроводящими экранирующими катушаыи .( СПЭК ), н.с. которых направлена встречно н.с. СПОВ, и пассивного экранирования возможных мест пребывания обслушгяйщзго персонала.

В основу расчета положена методика, разработанная в СПбГТУ и модифицированная автором. Модификация исходной методики в том, что предложено для поиска оптимальной формы и местоположения СПЭК использовать метод проекции градиента, а в качестве критерия оптимальности - величину

р= 14 £(х; - Сыау е<г(х)),

где В9 (х) - индукция магнитного поля в точках (;> поверхности корпуса СНУи. Расчет СПЭК выполняется в такой последовательности. После задания н.с. СПЭК и произвольного начального приближения

Xф) строится последовательность | по

правилу х0с«) = _ ^у f ] ,

где Рхг(х(к+,>; - проекция точки на множество допу-

стимых значений ТТ. Величина параметрического шага выбирается такой, чтобы выполнялось условие монотонности

Если на "к-м-шаге это условие нарушается, то величина. оС^ уменьшается в заданное число раз.

Услогшем окончания вычислений является близость к нулю градиента функции ^(Х^^.

Метод проекции градиента позволяет учесть специфическую особенность тяговых СПУМ - жесткие габаритные ограничения -путем наложения ограничений на область изменения независимых параметров,- варьируемых в процесса оптимизации.

Расчеты покапали, что применение активных экранов позволяет снизить величину внешни магнитных полей СЛУГ более чем в два раза и иметь ее значение в центра служебного прохода машинного отделения 0,12 Тл, что, по-видимому, можно считать удовлетворительные с учетом краткосрочного пребывания там обслуживающего персонала.

Основные технические данные синхронного генератора ( СГ ), СПУГ, и СПУГ со СГОК ( СПУГЭ ) приведены в табл.2.

Основные технические характеристики Таблица 2

СГ, СПУГ и СГОГЭ :

Параметры СГ СЛУГ СПУГЭ

Мопрость, кВт 6150 6136 6136

Частота вращения, об/мин 1000 1000 1000

Напряжение, В 750 102,3 102,3

Тон статора (якоря), А 3100 60000 60000

Число полюсов б - ' -

Наружный диаметр статора, м 1,73 1,31 1,632

Внутренний диаметр статора, и 1,20 1,02 1,02

Наружный диаметр ротора(якоря),м 1,19 1,01 1,01

Активная длина статора(якоря), м 0,82 1,0 1.0

Полная длина статора, м 1,60 1,28 1,60

Объем машины, м 3,76 1,72 3,35

Масса, кг 10000 4500 6100

Удельная масса, кг/кВт 1,59 0,72 0.У9

Четвертая глава посвящена разработке элементов теории совместной работы тяговых СПУМ и сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии- ( СПИН ), который позволяет повысить энергетическую эффективность тяговых передач со СП7'-. СПИН запасает энергию, генерируемую СПУД при торможении, затем отдает ие СПУД в режиме тяги. Достоинствами СПИН являются : возможность хранения энергии баз потерь в течение требуемого времени в режиме " замороженного потока ", когда обмотка СПЫН замыкается сверхпроводящим ключом СПК внутри криостата: неограниченное количество иарядно-раэрядных циклов: высокий к.п.д. заряда. С целью исключения вредного влияния внешних магнитных полей на обслуживающий персонал целесообразна тороидальная конструкция СПИН.

Принципиальная электрическая схема тяговой передачи со СПУМ и СПИН представлена на рис.1 . Для удобства анализа параллельно включенные СПУД были приведены к эквивалентному двигателю. Рас-, сматриввлись режимы остановочного торможения и разгона, а такжо регулировочного торможения на затяжном спуске и тяги с постоянной скоростью.

В режиме остановочного торможения силовой коммутатор СК1 разомкнут, СК2 замкнут, ток в силовой цепи СПУД - СПИН 1г при постоянном магнитном потоке нарастает, что соответствует увеличению тормозной силы и накопления энергии в магнитном поле СПИН, С »¡с тема исходных уравнений записывается в вида

(?СТ + = (с^, ( I )

-квч-^-^-а+у^^., С2)

где К. - суммарное электрическое сопротивление цепи СПУД - СПИН; Рс - сила основного сопротивления движению; Гц ~ сила дополнительного сопротивления движению от уклона пути 8 );

( I + ^ ) - коэффициент инерции врзцаэщихся масс; т - масса

транспортного объекта; к." /х - ; » h ~ перздаточ-

3TDe I3 J

ное отношение тягового редуктора; Д.- диаметр движущих колес;

1|3 - к.п.д. тягового редуктораJ = 9,81 м/с2 .

Сила является нелинейной функцией скорости и мигрирование системы (I - 2) может быть выполнено численными методами. Аналитические решения можно получить, аппроксимировав зависимость f^-fCvj прямой линией: Fj.= А +DV . Тогда уравно-ния (1-2) сводятся к уравнениям свободных колебаний

где , Qf кгСк1+к|^) у !с kz>

- I Jt ' 1 тэтм

■VT - .

m ¡С^а'ГэТм7

T, = L/r. - электромагнитная постоянная времени:

=(Ч+у) W-/ -D ~ механическая постоянная времени. Решения исходной системы при 0v = Vjf-4W2 ) запи-

сываются в виде •

где У0 и I - скорость движения и ток СПИН в начале торможения.

Из уравнений (4-5) для случая остановочного тормо-сения на площадке ( Fy = 0 ) получена расчетная зависимость индуктивности СПИН L от начальной скорости, тормозного замедления а максимального тона СПИН Ima*

L~ Зс' <хт1мад • (

По полученным выражениям (4,5) были рассчитаны кривые V(-b) 1: iT(t) случая остановочного тормокения поезда массой

Ьг = 3000 т на площадке при => 72 км/ч и Хв = 0. Величина индуктивности СПИН, рассчитанная по (6), составила Ь = 0,2 Гн. Время торможения поезда от начальной скорости до остановки составило 200 с, а количество запасенной в СПИН энергии на момент остановки - 340

При, разгоне СПУГ и СПИН работают совместно на СПУД ( на рис.1 СК1 и СК2 замкнуты ). Сила тяги должна поддерживаться постоянной, что при обеспечивается постоянством

тока СПУД т _ п -г

Х А" ~ У Х ДИ ,

где кратность пускового тока} - номинальный ток

СПУД.

Исходная система уравнений записывается в виде

(7)

ег-1гйг+ иле <8 >

-1апкд+ ид' -(9} = ^ + (10 >

< 11 >

где , (?г , - эквивалентные сопротивления в цепи двигателя, генератора и накопителя^ 1<2= Н^^з •

Начальные условия задаются в виде

1н(о) == Ы Хдн ^ 0( (12)

Сг(0)--=(^-0(.)1Ан ( 13 )

ЛГ(о) = о. ( 14 5

Уравнение (II) интегрируется независимо:

где О - ^Дап - А- Га

Интвгрирование (7) с учетом (9,12,15) .приводит к следующему выражению для тока СПИН ^ .

По (8,9,10) определяются ток ir я э.д.с. СЛУГ

+ + f Щ - >

егсц~ trRr+fin„Re + k,a1((-е"^«), ( И>

По выражениям (16 - 18) были рассчитали' зависимости tH(t), irWHVCt; для случая разгона поезда нзссой 3000 т на площадка до скорости ЛГ= 60 км/ч при Л^ = 0, ^ = 2, оС = Время разгона поезда при совместной работа СЛУГ и СПИН составило 73 с , при этом ток СПИН снизился от начального значения

3 i

= 60.10 А до величина 1|)( = 37*10 А. После окончания

пуска разряд СПИН продолжается.

При подходе к затяжному спуску СПУД отклзчаатся, при этом скорость движения незначительно снижается. На спуске на начальном этапе регулировочного торможения ( 0 < ttj ) СПУД работают в тормозном режиме с . ф =Const , заряжая СПИН. Под действием силы Fy скорость движения увеличивается до величины, когда ^/ах = 0 и при

поддерживается постоянной, для чего изменяется магнитный поток СПУД ф .

Исходная система уравнений для интервала 0<"t^tj

Ri^+L^.-Wv (19)

-k2tT-Fc + F9=(i+y )rrvg (20)

Решения системы (19,20) получены в виде

Ч=е

где

системы \xVfiSJj иилучоны в виде

Ж Га-А) --

(21) (22)

к^С^+ккг)

При ^тормозной ток продолжает нарастать, а магнитный поток СПУД Ф изменяется так, чтобы обеспечить ¿Ум - 0. Исходная система уравнений для интервала

(23)

^¿Ф^Т ~Л + ГУ > (24)

гдз

Уравнения (23,24) приводятся к уравнениям Вэрнулли

При начальных условиях 15(о) = Т0 , $(о)=ф0 решения уравнений (25) имеют вид . 1

гГ-[(1о1-м.Т.)е"2 +М.Т»] , Л (26 )

По выражениям (26,27) были выполнены расчеты скорости движения, магнитного потока и тормозного тока для случая регулировочного тормогения поезда массой 3000 т на 8-%,>-нох спуске. Результаты расчетов представлены на рис.7. . .

При движении поезда по перелому профиля .пути при переходе с затяжного спуска ( режим регулировочного торможения ) на затяжной подъем ( режим тяги ) двигатели на спуске отключаются и поезд переходит в режим выбега. Скорость на интервале 0< 1 ^ Ь, •под действием ускоряющей силы нарастает в соответствии с

V -

км ч

62- 50

60 -

58

54

1т

кА

40

30

20

10

V i

Ей кА 68" 60

64

60

40

20

> о 1 О

ti л •

\

\

У у V

/ Ф

/

//

/ t

ф as

40 80 120 leo 200 С Рис. 7

V ÎH

|\ V

ti t2 t

25

50

75 100

Рис. 8

125

выраженибм \Г - (уш ~ hzA.'j +

При переходе на подъем в интервале 1t "t2 сшш Fy меняет знак и выражение для скорости принимает вид

4 D ' D >

что соответствует уменьшению скорости.

При "fc>t^ СПУГ и СПИН совместно работают на СПУД, обеспечивая реким теги с V = Const- . Магнитный поток СПУД, уменьшившийся в режиме регулировочного торможения, в течение интервала времени 0<t 4нарастает до величины

с ав.э

где I - значение тока СПИН при £ = О,

Исходная система уравнений для интервала ~Ь > записывается в виде j •

Ф+Мн—Т^г (29)

er=irRr+"U"a&, ( зо )

I+ (31)

Mah-FC-P-^O, (32)

гд0 Ц& = const } ка« кф. ■

Начальные условия задаются сладующщ.ш tK(o)=:dTflHjlr(0)=({-otjlfl(!. Решения системы (29 - 32)

(^l+l^fbe'^»») , (зэ,

Результаты расчетов по выражениям (33,34) для случая.движения поезда массой 3000 т та подъеме 8 = 8 %о представлены на рис.0.

Для оценки эффективности предлагаемого ресешат была разработана инженерная методика оценки экономии топлива прл движении

по участку пути cV= coast, которая осиоклвается на определении средней мощности, отдаваемой СПШ тяговому СПУД за время разви-

ваясь удержанием первых двух членов С Тр«Тэ!( ), с учетом (23) получаем СрвД!«™ (чмнппфь ГПИН

Согласно разработанной методике определялся расход топлива для случая движения поезда массой 3000 т ло участку пути с III типом профиля пути (холмисты!) профиль) протяженностью 100 км с постоянной скоростьа V - 60 км/ч. Сущеетвонноо влияние на величину экономии топлива оказывает взвшшоо расположение элементов профиля пути и их протяженность. В случав чередующихся подъемов и спусков СПИН используется наилучшим образом и экономия топлива колет составлять порядка 10

Пятая глявп^ посвящена экспорименталыйги исследованиям параллельной работы уяйпоящшх электрических машин (УЮ с щзточ-1ПЛ5 токосъемом в составе макетного стенда тяговой электрической передачи и влияния вертикальных и угловых колебаний крисстата на работу сверхпроводящих (СП) магнитов. Испытания подтвердили существенное влияние сопротивления силовых цопей УМ к диаметров бандажей колесных пор на распределение тонов параллельно работающих униполярных двигателей (УД).

С целью проверки эффективности автоматического регулирования УД по каналу обмотки возбуждения была разработана и изготовлена микропроцессорная система управления (МПСУ) гиками возбуждения УД, выполненная на базе контроллера "Электроника МС-2702". Главной функцией !Ш0У являлось выравнивание токов янор-аА УД. Результаты испытаний показали, что скорость регулирования нопря-

да Тр . Раскладывая в (33) функция 6

?-VT3li

в ряд и ограничи-

жения возбуждения УД оказывает существенное влияние на качество переходных процессов в обмотке возбуждения. Высокая скорость регулирования приводит к тому, что переходный процесс изменения тока возбуждения носит колебательный характер, что может вызывать дополнительные потери в СЮВ СПУл! в переходных режимах.

Специфической особенностью работы транспортного оборудования является наличие вибраций и колебаний, поэтому была проведена экспериментальная проверка работоспособности СП магнитов в условиях воздействия на них вертикальных и угловых колебаний. Исследования показали, что вертикальные колебания нриостата с частотой (0-т-8) Гц не приводят к увеличению теплопритоков в криосгат, а угловые колебания существенно увеличивают испарение хладагента и приводят к росту теплопритоков, величина которых может быть снижена в несколько раз установкой успокоителя, уменьшающего разбрызгивание хладагента. .

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

I. выполнен анализ принципиальных схем тяговых передач со сверхпроводниковыыи электрическими машинами (СГШ): СЛСГ, С1ЖМ, СПУкЗ. Показано, .что С ГШ 'имеют преимущество перед каштана традиционного исполнения по массогабаритшлм и энергетическим показателям. Более предпочтительными в качестве тяговых пвляятся СПУм с цилиндрическим якорем и щеточным токосъемом волокнистой, структуры.

Установлено, что СПУД отличаются большой жесткостью скоростных и тяговых характеристик, поэтому тяговые передачи со СПУМ имеют лучшие противобоксовочные свойства, чем передачи с электрическими машинами традиционного исполнения независимого возбуждения. Большая жесткость скоростных характеристик определяет неравномерное распределение токов якорей параллельно работающих СПУД, которое может быть скомпенсировано путем выравни-

пакня сопротивлений силовых цепей а воздействием на токи возбуждения СПУД.

3. СНУЙ характеризуются, высокими значениями индукции внешних магнитных полей, наиболее целесообразный способ экранирования которых - применение С ГОК и пассив!!ък экранов из материалов с высоки,и значегася! магнитной проницаемости. Показано, что активное экранирование приводит к некоторгаду. увеличении массы

и габаритов СПУГ, однако .преимущество его по этим' параметрам перед синхронии геаораторса традиционного • исполнения сохраняется.

4. Модифицирована.методика расчета СШК, включающая оптимизации их форш и кзетополояения, выполняемую методом проекции градиента, который позволяет учесть кесткие габаритные ограничения СПУГ.! аутэм наяссхеиия ограничений на область изменения независимых параметров, варьируемых в процессе оптимизации.

5.Разработена еявгяяиа теории совместной работы тяговых СПУМ и СПИН, соотастствуэдио полному цикяу работы СШН: заряд-разряд. Получена расчзткая зависимость шадуктивноста СШН от тормозного замедления, начальной скорости движения и максимального тока СПИН.

6. Разработана инженерная методика оценки экономии топлива транспортным объектом со СШН при движении по участку пути переменного профиля с постоянной скоростью.

7. Создан макетный стенд тяговой электрической передачи

с униполярными машинами, на котором подтверждена её удовлетворительная работоспособность. Разработана и реализована система автоматического выравнивания токов якорей униполярных двигателей на базе микропроцессорного комплекта "Электроника МС-270Н".

Экспериментально установлено, что вертикальные колебания криостата не приводят к увеличению теплопритоков, а угловые

колебания существенно увеличивают испарение хладагента и тепло-притоки в криостат; величина теплопритоков ысжет быть в несколько раз снижена установкой успокоителя, уменьшающего разбрызгивание хладагента.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

I.. Никитин В.В. Тяговая электрическая передача со сверхпроводниковыми униполярными' машинами для перспективного тепло- : воза/УТеэнсы докладов 51-й науч.-тех.конф, ПГУШ " Неделя науки " - СПб: НГУШ, 19У1, с.73.

2. Никитин В. В. Влияние различных факторов на распределение нагрузки между сверхпроводниковыми униполярными двигателями в -автономной электрической передаче/'Тезисы докладов 52-й науч.-тех. конф. 11ГУПС " Неделя науки СШ: ПГУШ, 1992.с.98.

3. Хожаинов А.И., Никитин В.В. Тяговые сверхпроводниковые • униполярные электродвигатели/'Жолезнодороаашй транспорт.- 1992,

№ 6, с. 45-47.

4. Никитин В.В. Использование сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии в тормозных реяиаах перспективного тепловоза со сверхпроводниковыми электрическими машинами//Тезисы докладов 53-й науч.-тех.конф. ПГУШ " Неделя науки СШ:ПГУПС, 1993. с.93.

5. Никитин В.В., Середа Г,Е. Оценка параметров сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии (СГИН) в ракиме тормо-жения/'Теэисы докладов 54-й науч.-тех. конф.ПШЮ "Неделя науки"-СПб: ПГУПС, 1994. с.112.

6. Хожаинов А.И., Никитин В.В. Процессы в сверхпроводниковой системе тяговый электродвигатель - индуктивный накопитель энергии при регулировочном торможении/'Доклады 2-й межвузовской конференции ПГУПС.- СПБ: ПГУПС, 19У4. с.15-18.'

7. Хожаинов А.И., Никитин В.В. Иедуктивный накопитель энергии в системе тяговой электрической передачи со сверхпроводниковым оборудованием/^Труды Академии транспорта.-1994 - .вып. I.-

с. 63-70,

8. Хожаинов А.И. .Никитин В.В.,Середа Г.Е. Переходные режимы работы тяговых свёрхпроводниковых электрических машин и индуктивного накопителя энергии/'Материалы науч.-практ.конф.

"Проблемы железнодорожного транспорта решают ученые" - СПб: ПГУПС, 1994. с.21.

9. Никитин В.В., Турченко В.В. Микропроцессорная система выравнивания нагрузки сверхпроводниковых тяговых униполярных олектродвигателз^Теэисы докладов 55-й кауч.-тех.конф. ПГУПС "Педеля науки".-СПб: ПГУПС, 1995. о.147.

10. Никитин В.В. Обоснование выбора типа щеточного токосъема сверхпроводниковых униполярных электрических мапин^Тезисы докладов 56-й науч.-тех.конф. ПГУПС "Неделя науки".-СПб: ПГУПС, 1996. с.138.

11. Хояаинов А.И., Середа Г.Е., Никитин В.В. Автоно.'яшз тяговые передачи со сверхпроводниковши электрическими машинами // Железнодорожный транспорт.-1996, № 5. с.

12. Хожаинов А.И., Никитин В.В. Автономная тяговая электрическая передача со сверхпроводниковкми электрическими машинами и индуктивным накопителем знергяи//Электричество.-199о, № 10. с.

Подписано к печати 6.11.96г. Уол.-печ. л. - 1,5

Печать офсетная. Бумага для множит.апп. Формат 60x34 1/16 Тираи 100 экз. Заказ У<?з/.

Тип. ПГУПС I90Q3I,. С.-Петербург, Московская пр., д.9