автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование низкоскоростных электроприводов вспомогательных нужд подвижного состава городского электрического транспорта

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ Технический Университет

На правах рукописи

ХЕВСУРИАНИ МИХАИЛ ИВАНОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ НИЗКОСКОРОСТНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ НУЖД ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ГОРОДСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

ТРАНСПОРТА

Специальность 05.09.03 - "Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук доцент

Сафронов A.B.

Москва - 1999 г.

Содержание

стр.

Введение .....................................................................4

1. Анализ проектной ситуации ..........................................................................9

1.1.Конструкции дверей трамвайных вагонов......................................................10

1.2.Выбор типа электромеханического преобразователя ..............14

1.3.Выбор преобразователя тока..........................................................................................34

Выводы по Главе 1 ....................................................................................................................................40

2. Инженерная методика расчета низкооборотных 41 индукторных двигателей .........................................

2.1 .Основные положения................................ ................................................41

2.2.Особенности электромагнитного расчета....................................................45

2.3.Выбор зубцовой зоны тихоходных индукторных 51 двигателей ..........................................................................

2.4.Расчет индукций в различных сечениях машины................................54

2.5.Расчет потерь и КПД..................................................................................................................61

Выводы по Главе 2....................................................................................................................................64

3. Решение задачи адаптации силовых элементов 65 преобразователя тока к заданному режиму работы элементов привода ...............................................

3.1 .Характеристическое уравнение контура гашения тока и его 67

корни ..................................................................................

3.2.Напряжение на конденсаторе..........................................................................................68

3.3.Оптимизация времени разряда фазы..................................................................71

3.4.Оптимизация параметров параллельного контура 76

разряда ....................................................................................

3.5.Оптимизация контура гашения тока......................................................................79

3.6.Построение графиков зависимостей для контура гашения 87

тока фазы со стабилитроном..............................................

Выводы по Главе 3......................................................................................................................................94

4. Разработка математической модели преобразователя 95

тока для тихоходного индукторного двигателя ............

4.1 .Постановка задачи моделирования и выбор среды 95

моделирования ...................................................................

4.2.Экспериментальное определение индуктивности и 99

взаимной индуктивности фаз.............................................

4.3.Разработка моделей основных элементов 101 преобразователя тока и индукторного двигателя...............

4.4.Адекватность модели..................................................................................................................107

4.5.Вычисление токов фазы индукторного двигателя при 121 различных частотах вращения............................................

4.6.Определение тока силовых ключей........................................................................122

4.7.Оптимизация параметров преобразователя тока..............................130

Выводы по Главе 4......................................................................................................................................137

Заключение ................................................................138

Литература ......................................................................................................................140

ВВЕДЕНИЕ

Городской электрический транспорт (ГЭТ) является неотъемлемой частью современных городов. Пассажирский транспорт общественного пользования в России перевозит свыше 30 млрд. пассажиров в год, в том числе трамваи и троллейбусы около 14 млрд. пассажиров. Население, около 100 городов, пользуется троллейбусом, и около 70 городов - трамваем. Причем, потребности населения в городском электрическом транспорте с каждым годом возрастают.

На основе исследований и конструкторских разработок создаются новые типы подвижного состава трамвая и троллейбуса, обладающие высокими техническими и эксплуатационными показателями.

Современный подвижной состав городского электрического транспорта отличается большим разнообразием конструктивных решений и технической сложностью, высокими требованиями надежности, безопасности эксплуатации, эксплуатационной экономичности и характеризуется весьма широкой элементной базой: сложнейшей электроникой, микропроцессорами, устройствами автоматики и телемеханики, различной электромеханической аппаратурой и электрическими машинами, механическими агрегатами и промышленными сооружениями. Вся эта сложная техника постоянно находится в процессе непрерывного развития и совершенствования.

Большой вклад в развитие и совершенствование электрического подвижного состава городского транспорта внесли ученые Ефремов И.С., Пролыгин А.П., Рабинович A.A., Иоффе А.Б., Косарев В.Г., Шевченко В.В., Коськин O.A. и многие другие [21, 23, 31, 32, 36, 51, 64].

Важнейшим узлом в общем комплексе оборудования электроподвижного состава ГЭТ является система вспомогательных нужд. Надежность привода вспомогательных механизмов имеет большое значение и необходима для обеспечения нормальной работы

I \0iSSER\GENeRAl_\WEDEN1E00C

основных узлов подвижного состава.

Одним из перспективных направлений развития электроприводов вспомогательных нужд подвижного состава городского электрического транспорта (ГЭТ) является привод на базе индукторного двигателя (ИД). Основными преимуществами данного типа привода, по сравнению с традиционными, на базе коллекторных машин постоянного тока является надежность, низкая стоимость и простота конструкции самого двигателя и дверей трамвая (лифта).

Одним из первых видов ГЭТ является трамвай. Основные его достоинства общеизвестны: большая вместимость, низкая стоимость перевозки, сравнительно высокая надежность, относительно низкий удельный расход электрической энергии и т.д. Однако, ряд его технических узлов остается ненадежными - в частности это относится к приводу дверей. Двери трамвая являются одним из наиболее ответственных и нагруженных элементов, влияющих на безопасность перевозки пассажиров. Отказ в системе привода дверей приводит к снятию трамвая с линии.

На существующих вагонах трамвая применяются электромеханические привода, состоящие из электродвигателя постоянного тока, двухступенчатого редуктора, обгонной муфты и системы рычагов и тяг [21-23, 42]. Совокупностью этих элементов, в первую очередь двигателем (35 % отказов), червячной ступенью редуктора (40 % отказов) и обусловлена низкая надежность привода дверей.

Для достижения необходимой надежности и безопасности привод должен обладать следующими свойствами: электродвигатель должен быть бесколлекторным и отсутствовать редуктор и муфта.

Одним из способов решения данной проблемы является применение тихоходных бесколлекторных двигателей прямого действия, например, применение тихоходного индукторного двигателя.

O:\DISSep\aeNERAL\WEOEHieOOC г

Поэтому разработка и исследование низкоскоростных электроприводов вспомогательных нужд - электроприводов дверей вагонов трамвая является актуальной задачей и решать ее следует комплексно, с учетом особенностей эксплуатации подвижного состава ГЭТ.

Целью диссертационной работы является: разработка низкоскоростного индукторного электропривода прямого действия для дверей вагона трамвая.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- проведен анализ существующих электроприводов дверей трамвая;

- произведено сравнение и классификация двигателей малой мощности различных типов;

- на основании анализа выбран преобразователь тока для питания индукторного двигателя;

- разработана инженерная методика расчета низкоскоростного индукторного двигателя;

- исследованы переходные процессы в преобразователе тока для оптимизации параметров преобразователя и достижения минимального тормозного момента;

- создана математическая модель преобразователя тока и ИД;

- проведены экспериментальные исследования на опытно-промышленном ИД.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались методы, принятые в электромеханике, теории электрических цепей и полупроводниковой электронике. Применялись методы математического моделирования.

Предложенные в диссертационной работе выводы основаны на обработке теоретических, расчетных и экспериментальных материалов, полученных на установке с опытно-промышленным индукторном

двигателем.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов.

Справедливость теоретических положений подтверждена результатами математического моделирования и экспериментальных исследований на установке с опытно-промышленным индукторным двигателем.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- предложено примененить низкоскоростной индукторный двигатель для привода дверей вагона трамвая;

- разработана инженерная методика расчета ИД, учитывающая особенности низкоскоростного ИД;

- разработана принципиальная схема питания индукторного двигателя с помощью преобразователя тока с резистором гашения тока;

- разработана принципиальная схема контура разряда фазы ИД со стабилитроном, обеспечивающая минимальные время разряда и тормозной момент, и заданные обратные напряжения на силовых ключах ПТ;

- разработана математическая модель для системы ИД - ПТ.

Основные практические результаты.

1.Выработаны основные требования, которым должны удовлетворять низкоскоростные индукторные электропривода дверей трамвая.

2.Предложенная инженерная методика расчета низкоскоростного индукторного двигателя дает возможность по заданным моменту и габаритам спроектировать двигатель.

3.Предложенная методика исследования преобразователя тока дает возможность оптимизировать параметры преобразователя.

4. Разработанная математическая модель дает возможность оптимизировать параметры преобразователя тока.

5. Полученные экспериментальные данные подтверждают адекватность физической модели ПТ и ИД.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались

автором и обсуждались:

- на Московской студенческой научно-технической конференции "Проблемы радиоэлектроники-96" (Москва, 1996 г.);

на научно-техническом семинаре "Вентильно-индукторный электропривод - проблемы развития и перспективы применения" (Москва, 1996 г.);

- на ежегодной научно-технической конференции студентов и аспирантов вузов России "Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве" (Москва, 1998 г.);

на Пятой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (Москва, 1999 г.);

- на научных семинарах кафедры ЭТ МЭИ (1996 - 1999 гг.). Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения,

четырех глав и заключения. Список литературы насчитывает 71 наименование. Общий объем составляет 146 страниц, 53 рисунка, 15 таблиц.

1. АНАЛИЗ ПРОЕКТНОЙ СИТУАЦИИ

Трамвай - один из первых видов электрического подвижного состава, используемых в качестве общественного городского транспорта. К основным его достоинствам относятся большая вместимость, низкая стоимость перевозки пассажиров и сравнительно высокая надежность. Кроме того, вследствие достаточной обособленности путей, трамвай практически независим от проблем, связанных с движением городского наземного транспорта на резиновом ходу - заторов, что особенно важно для надежного пассажиросообщения в условиях мегаполиса. Кроме того, трамвай имеет наименьший удельный расход электроэнергии и в большей степени электробезопасен, чем троллейбус.

Однако ряд технических узлов трамвая остается ненадежным - в частности это относится к приводу дверей. Так, для обеспечения нормальной эксплуатации вагона влечение дня, трамвайные парки V вынуждены иметь на конечных остановках дежурного электрика, обеспечивающего текущий ремонт привода дверей, токосъемника или песочниц.

Из перечисленного наиболее часты поломки дверей, являющихся одним из наиболее ответственных и нагруженных элементов трамвая, влияющих на безопасность перевозки пассажиров. Отказ в системе привода дверей приводит к снятию трамвая с линии. Уменьшение количества отказов привода дверей является одним из возможных путей обеспечения бесперебойного процесса пассажироперевозок, а так. же \/ надежности и продуманности конструкции. Коротко рассмотрим конструкции дверей эксплуатируемых трамвайных вагонов.

О I ООО

1.1. Конструкции приводов дверей трамвайных вагонов.

Существуют три типа конструкции дверей вагонов трамвая, метро и электропоездов: ширмовые,задвижные и створчатые.

В настоящее время в Москве эксплуатируются два основных типа трамвайных вагонов:

- Татра - 2 или Татра - 3, производства чехословацкого завода. "Шкода";

- КТМ , производства Усть-Катавского машиностроительного завода.

Рассмотрим конструкции дверей упомянутых трамваев.

В трамвае Т-3 /22/ используются ширмовые двери с электромеханическим приводом, состоящие из электродвигателя 1, двухступенчатого червячно-цилиндрического редуктора 2 и системы рычагов и тяг 3 (кинематическая схема приведена на Рис.1.1).

0 0

Рис.1.1. Кинематическая схема привода дверей вагона Т-3

О \OlSSeR\VOLU МЕ\РЖПТ I оос

Используется приводной электродвигатель постоянного тока типа DS-7 двухполюсного исполнения с двумя последовательными обмотками возбуждения мощностью 185 Вт, двухступенчатый редуктор в сборе с муфтой ограничения момента, регулировочные тяги с шаровыми пальцами привода двери; 4 и 5 - направляющие и створки двери соответственно. Дверные створки 5 попарно соединены между собой шарнирными петлями и установлены в дверном проеме. На верхние оси крайних створок укреплены рычаги, которые посредством регулировочных тяг 3 соединены с двухплечим рычагом редуктора 2. При работе электродвигателя 1 двуплечий рычаг поворачивается на некоторый угол и через тяги 3 приводит в действие крайние створки двери. Внутренние створки скользят своими роликами по направляющим 4. Достаточно сложной частью привода является двухступенчатый редуктор. Первая ступень - это цилиндрическая пара, вторая - червячная. Общее передаточное число редуктора составляет 175. В шестерне червячной передачи установлена фрикционная муфта ограничения силы закрывания дверей. Она состоит из двух конических поверхностей, сжатых пружинами. Если момент сопротивления превышает допустимую величину, то конуса начинают проскальзывать друг относительно друга.

На заводе муфта регулируется на срабатывание при моменте 44 Нм, что при плече 70 см соответствует усилию 60Н и обеспечивает на резиновых уплотнителях двери 100-150Н в момент полного усилия. Отрегулированная таким образом муфта предупреждает травмы пассажиров и позволяет открыть двери вручную. Редуктор с муфтой находится в металлическом корпусе и заправлен жидким техническим маслом.

К корпусу редуктора прикреплен болтами электродвигатель, обеспечивающий открывание и закрывание дверей.

D\OiSSER\\/OLUME\F>AflTl DOC ?

Привод двери оборудован датчиками положения двери. На их основе сделана схема сигнализации водителю, а так же автоматически собирающиеся схемы для открытия или закрытия дверей (управление дверьми производится одним переключателем).

Масса привода составляет 29.2 кг. Он устанавливается в нише над дверным проемом на специальном поддоне, являющемся одновременно жестким основанием агрегата и, до какой-то степени, защитой от утечек масла, залитого в картер редуктора. Эксплуатация вагонов Т-2 и Т-3 показала, что фрикционная муфта изнашивается и не держит заданных параметров, а ее регулировка затруднительна в силу конструктивных особенностей. В результате вышеперечисленного наблюдаются достаточно частые отказы привода.

Массивный, с большим передаточным числом и фрикционной муфтой, редуктор снижает КПД привода. Поскольку двигатель питается от аккумуляторной батареи напряжением 24 В, низкий КПД увеличивает токовую нагрузку на нее.

Можно отметить следующие недостатки данного типа приводов:

- повышенные требования к пусковому моменту приводного двигателя в зимнее время;

-повышенный износ муфты безопасности;

-сложный, выходящий из строя редуктор с червячной передачей;

- низкий КПД двигателя, приводящий к повышенной нагрузке на аккумуляторную батарею.

Рассмотрим теперь конструкцию привода двери Усть-Катавских вагонов КТМ /42/. Здесь применяются задвижные двери как в вагонах метро. В настоящее время используются два типа приводов: старый с цепной передачей и новый с зубчатой рейкой. Эскиз привода дверей вагона приведен на Рис. 1.2. Позициями обозначены следующие детали и сборочные единицы:

1 - двери; 2 - направляющие; 3 - звездочка; 4 - редуктор; 5 -двигатель; 6 - ц�