автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Совершенствование технологии испытаний асинхронных тяговых двигателей локомотивов

ЛИТВИНОВ Артем Валерьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИСПЫТАНИЙ АСИНХРОННЫХ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛОКОМОТИВОВ

Специальность 05.22.07 - «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 ноя гон

005554655

ОМСК 2014

005554655

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ))».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор [АВИЛОВ Валерий Дмитриевич^

доктор технических наук, профессор ХАРЛАМОВ Виктор Васильевич -

заведующий кафедрой «Электрические машины и общая электротехника».

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ХУДОНОГОВ Анатолий Михайлович -

профессор кафедры «Электроподвижной состав» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Иркутский государственный университег путей сообщения (ИрГУПС)»;

кандидат технических наук ЛЫСЕНКО Олег Александрович -

доцент кафедры «Электрическая техника» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет (ОмГТУ)».

Ведущая организация:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный университет путей сообщения (ДВГУПС)».

Защита диссертации состоится 30 декабря 2014 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ)» по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Омского государственного университета путей сообщения http://vmw.omgups.ru/diss/sovet/docs/litvinov/dis_litvinov_a_v.pdf.

Автореферат разослан 29 октября 2014 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.007.01. Тел./факс: (3812) 31-13-44; e-mail: nauka@omgups.ru

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук,

профессор

О. А. Сидоров.

© Омский гос. университет путей сообщения, 2014

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Одной из задач «Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 г.» является замена коллекторного привода частотно-регулируемым асинхронным. Эта задача реализуется ОАО «РЖД» путем создания и внедрения локомотивов с асинхронным тяговым приводом — электровозы ЭП10, НПМ2, ЭП20, 2ЭС5, 2ЭС10, 2ЭС20, электропоезда ЭНЗ, ЭТ4А, поезда метрополитенов, тепловозы 2ТЭ25А, ТЭМ9Н, ТЭМ35, а также путем перехода на преобразовательную технику на основе новых достижений в области силовых управляемых полупроводниковых элементов. Ежегодно ОАО «РЖД» приобретается несколько сотен локомотивов с асинхронным тяговым приводом, разрабатываются новые и модернизируются существующие локомотивы.

Внедрение принципиально нового подвижного состава требует решения ряда задач таких, например, как выполнение строительства или дооснащения существующих локомотивных ремонтных депо и заводов для проведения ремонта и испытаний основных узлов подвижного состава; разработка правил ремонта подвижного состава с асинхронным тяговым приводом и правил ремонта электрических машин железнодорожного транспорта, включающих в себя положения по ремонту и обслуживанию асинхронных тяговых двигателей. При этом внедряемое оборудование должно быть энергоэффективным. Одним из наиболее энергозатратных видов оборудования является испытательная станция для тяговых двигателей, которая предполагает проведение их испытаний под нагрузкой.

Известно множество методов испытаний, позволяющих добиться экономии электрической энергии при испытании тяговых электродвигателей, которые принято называть схемами возвратной работы. Их разновидностью являются схемы, обеспечивающие испытание электродвигателей методом взаимной нагрузки. Данный метод успешно применяется при испытании тяговых двигателей постоянного тока. В настоящее время известно несколько схем, позволяющих обеспечить испытание асинхронных двигателей по методу их взаимной нагрузки. Каждая из этих схем имеет свои преимущества и недостатки, которые раскрываются в настоящей работе при выполнения их анализа.

Таким образом, разработка новых методов и средств испытаний асинхронных тяговых двигателей, позволяющих устранить недостатки существующих и повысить эффективность процесса испытаний асинхронных тяговых двигателей в условиях локомотивного депо, является актуальной задачей.

Степень разработанности темы. Существенный вклад в исследование процесса испытаний асинхронных двигателей внесли ученые Авилов В. Д., Бахвалов Ю. А., Бейерлейн О. Л., Булазо Г. А., Винокуров В. А., Гольдберг О. Д., Зарифьян А. А., Жерве Г. К., Слоним Н. М., Ротанов Н. А., Каминский М. Л., Костенко М. П., Копылов И. П.. Попов Д. А., Цукублин А. Б. и др.

Различными учеными разработаны способы, методы и правила проведения ремонта и испытаний асинхронных двигателей, составлены государственные стандарты по проведению испытаний асинхронных двигателей, созданы и внедрены схемы для проведения их испытаний. При этом известные методы не позволяют проводить испытания асинхронных тяговых двигателей в соответствии с условиями их работы на локомотивах.

Целью диссертационного исследования является разработка методов и средств для проведения испытаний асинхронных тяговых двигателей в условиях локомотивных депо.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) сформировать математическую модель процесса испытаний асинхронных тяговых двигателей методом их взаимной нагрузки при их питании от преобразователей частоты;

2) усовершенствовать схему испытаний асинхронных тяговых двигателей, позволяющую проводить испытания в соответствии с условиями работы на локомотивах;

3) провести экспериментальные исследования на физической модели испытательной станции асинхронных тяговых двигателей с целыо установления достоверности полученных результатов математического моделирования;

4) разработать методику определения мощности и потерь в основных элементах схем испытаний, позволяющую выполнить определение параметров преобразователей частоты при испытании различных типов асинхронных тяговых двигателей;

5) составить алгоритм выбора схемы для испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки;

6) разработать алгоритм проведения испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы математического моделирования электрических машин, физического моделирования процесса испытаний асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки, теории планирования эксперимента и теории подобия, математического и системного анализа, теории электрических измерений.

При проведении математического моделирования для решения системы дифференциальных уравнений использовался программный продукт

Mathcad 2014. Для обработки результатов эксперимента применялся программный продукт MS Excel 2010.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) сформирована математическая модель процесса испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки при их питании от преобразователей частоты с учетом потерь мощности в основных элементах преобраз ователей;

2) предложен алгоритм выбора схемы испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки при питании от преобразователей частоты с учетом условий работы двигателей на локомотиве;

3) разработана методика определения мощности и потерь в основных элементах схемы испытаний, позволяющая определить параметры преобразователей частоты при испытании различных типов асинхронных тяговых двигателей.

Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена экспериментальными исследованиями. Расхождение результатов математического моделирования с результатами, полученными в эксперименте на физической модели, не превышают 7 % при номинальной мощности испытуемого двигателя.

Практическая ценность основных результатов работы:

1) сформированная математическая модель процесса испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки позволяет оценить эффективность применения данного метода для различных типов асинхронных двигателей, определить требуемую величину мощности питающей сети, коммутационного, испытательного и защитного оборудования;

2) разработанные схемы испытаний асинхронных тяговых двигателей (защищенные патентами) позволяют проводить испытания в соответствии с действующими стандартами и обеспечивают высокую энергоэффективность процесса испытаний;

3) разработанная методика определения мощности и потерь в основных элементах схемы испытаний позволяет определить электрическую мощность, потребляемую и генерируемую асинхронными тяговыми двигателями в условиях локомотивных депо;

4) сформированный алгоритм выбора схемы испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки позволяет проводить требуемые виды испытаний двигателей в условиях локомотивных депо.

Основные положения диссертации, выноснмые на защиту:

1) математическая модель процесса испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки;

2) схемы испытаний асинхронных тяговых двигателей;

3) методики определения мощности и потерь в основных элементах схемы испытаний;

4) алгоритм выбора схемы испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки и проведения испытаний двигателей.

Реализация результатов работы. Разработанная технология испытаний асинхронных тяговых двигателей с применением метода взаимной нагрузки принята к использованию в технологическом процессе ремонта электровозов в локомотивном депо Московка Западно-Сибирской железной дороги - филиала ОАО «РЖД».

Результаты работы, полученные автором, применяются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «ОмГУПС» при подготовке инженеров по специальности «Подвижной состав железных дорог», специализации «Локомотивы».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного подвижного состава» (Омск, 2011); на четвертой научно-практической конференции, посвященной Дню российской науки и 110-летию ОмГУПСа (Омск, 2012); на всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов» (Омск, 2012); на всероссийской научно-практической конференции «Актуальные вопросы транспортной отрасли: проблемы и решения» (Воронеж, 2013); на IX международной научно-технической конференции «Повышение эффективности эксплуатации коллекторных электромеханических преобразователей энергии» (Омск, 2013).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 15 работ, в том числе три статьи в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России; получены четыре патента на полезные модели.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, приложения, библиографического списка из 126 наименований и содержит 188 страниц основного текста, 66 рисунков и 32 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показаны актуальность исследования, определены цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость, представле-

ны апробация результатов исследования и информация о публикациях, структуре и объеме работы.

В первой главе описано современное состояние и указаны перспективы развития подвижного состава с асинхронными тяговыми двигателями и инфраструктуры для обслуживания и ремонта такого типа подвижного состава в Российской Федерации.

Рассмотрены основные схемы испытаний, обеспечивающие возврат электрической энергии при испытании асинхронных двигателей, разновидностью которых являются схемы, использующие метод взаимной нагрузки. Анализ этих схем испытаний позволил выявить их преимущества и недостатки, выделить из них наименее энергозатратные, которыми являются схемы, реализующие метод взаимной нагрузки с использованием преобразователей частоты. Такие недостатки, как невозможность проведения испытаний при номинальной частоте напряжения испытуемого двигателя, отличной от частоты питания сети и избыточность используемого оборудования в схеме испытаний, подтверждают необходимость разработки новых схем испытаний.

Проведенный анализ основных видов испытаний асинхронных тяговых двигателей позволил выделить из них наиболее энергозатратные, актуальным для которых является применение метода взаимной нагрузки.

В заключении первой главы сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена математическому моделированию работы асинхронных двигателей при их испытании методом взаимной нагрузки и питании от преобразователей частоты.

Для моделирования работы асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки выполнено моделирование основных элементов: источника переменного напряжения, двухзвенных преобразователей частоты, асинхронных двигателей, механической связи валов асинхронных двигателей.

Математическая модель источника переменного напряжения представляет собой зависимости трехфазных синусоидальных симметртных напряжений от времени, которые являются входными параметрами для математической модели работы двухзвенных преобразователей частоты. Работа двухзвенного преобразователя частоты, состоящего из выпрямителя и инвертора, в математической модели учитывается в виде импульсного напряжения получаемого с помощью широт-но-импульсной модуляции по скалярному закону управления частотой вращения асинхронных двигателей. Работа каждого из асинхронных двигателей представлена в математической модели в виде шести дифференциальных уравнений токов статора и ротора (уравнения с первого по шестое для первого двигателя, с восьмого по тринадцатое - для второго, механическая связь, обеспечивающая равенство частот

7

вращения испытуемых двигателей, учтена в виде седьмого уравнения математической модели). Синтезированная таким образом математическая модель работы асинхронных двигателей при их испытании методом взаимной нагрузки представлена в виде системы дифференциальных уравнений (1) (цифры 1 и 2 элементов системы уравнений означают принадлежность к первому и второму асинхронным двигателям соответственно).

Математическая модель позволяет определить требуемые характеристики двигателей и оценить затраты электроэнергии при испытании асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки. С целью проверки адекватности полученной математической модели были сопоставлены результаты моделиро- Рис. 1 - Сопоставление результатов вания и эксперимента по мощ- моделирования и эксперимента

ности, потребляемой (генерируемой) асинхронными двигателями (рис. 1). Относительное расхождение мощности по результатам моделирования (77мод) и эксперимента (Л'эксп) не превышает 7 % для рассматриваемых режимов работы от холостого хода до номинальной нагрузки асинхронного двигателя (г - порядковый номер испытуемого асинхронного двигателя).

Распределение мощности между основными элементами рассматриваемой схемы испытаний по результатам эксперимента приведено на рис. 2. В скобках показаны величины мощности, полученные по результатам математического моделирования.

Для оценки эффективности применения предлагаемого метода взаимной нагрузки при испытании асинхронных тяговых двигателей выполнено математическое моделирование процесса испытаний асинхронного тягового двигателя подвижного состава НТА-1200. По результатам математического моделирования получено, что на питание двигателей из сети расходовалось лишь 10,3 % от номинальной мощности, что указывает на высокую энергетическую эффективность применения метода взаимной нагрузки при испытании для мощных асинхронных тяговых двигателей подвижного состава.

1

¿л„ ___

Л стМ1, 1

Л аЫЛ, ¿Л,с 1

Л аЫ1, 1

и,.(0-Л,. -Л, -л; + -^=-<о-(£112 -С1» -''11<) + £Ь -С'!» -''!':,))]

.__

Л ol-.il, - 1

",.(0-П„ -Л, + *1, 41

л'2, +-^-ш-(л12-01,е-л1о)+п!-(/1^-п'го)) л;, -я; )-(и11 -(л,. -л„)+и2 .(п'2. -л'м))

А о1-£12 ¿Л' . 1

Л о1-£12

, ■ (и,. (О - Л• Л,)+|л'2„ ■ л; + • со ■ (II,2 • (Л „ - л „)+¿1 г ■ (л'м - л 2С)) j • (О - Л,, • л,) + [л и ■ + ■ °> ■ п • (Л I. - ЛI. ) + ¿1»• (Л и - Л'* )) j

к 1,-(МО-л,

+ ,(п„ -Л„) + И2 -(л;. -Л'„))

-0ТИ - Л'гЛ+Л14 -(Л'гс - Л'г=) + Л,е -(¡Г2. -Л'в)]- ¿1,2 +[¡2,. • ('2 2Ь -¿2'гс)ч

Л у-л/з

(1)

<Й2„

Л с2-£2,

и2.(0-'2,.-Л1+*2,

/2'2„ -л; +^-О-(£212 ■('•214 -<2,г) + £22 -(/2'г1 -<2'1е))

<Я2„ 1

Л <т2 ¿2,

<Й2„ 1

Л о2 12,

■(¿3,2 -;2,„)+£22 -(/2'2е -/2',.))

1

а сг2 12,

<Я2 » 1

Л ст2 £2,

Д2'

Л а2-£2г

к2

А2,-(ии(0-''2„-Л,) +

+ -^-й-(£2,г .(¡2„ -/2,с) + £22 ■(/2,и -/22с)) -Л

/2'И • л; + • а • (¿2„ ■ (/2„ - /2,.) + ¿22 • (1'2'гс - <2'2а)) -Уз

/2'2с -л; +-^.<в-(£212 -(га,. -;211) + Л2г -(;2'2„ -¡2а)) 7з

где г1а, г№, /1С - фазные токи статора; и1а, щъ, и1с - фазные напряжения статора; К] - активное сопротивление фазы статора; о - коэффициент рассеяния; Ь\ и индуктивность обмоток статора и ротора; к^Ь- коэффициенты магнитной связи ротора и статора; со - угловая скорость вращения ротора; ./ - момент инерции двигателя; р - число пар полюсов; А/пот -момент сопротивления на валу двигателя.

Источник электрической энергии

| 247 Вт I

Источник электрической энергии

205(2161 Вт

ШПТ

1141 ПЧ2

0 Вт

| 236 Вт |3:

АД1 |==ГС==Н АД2~

а

205(216) Вт 505 004) Вт

л 1 1

шпт

ПЧ2

1 71 (69) Вт

АД1 [=#=) АД2 " б

Рис. 2, лист 1

в Г

Рис. 2, лист 2—Распределение мощности между основными элементами схемы: а - холостой ход 50 Гц - 50 Гц; б - 50 Гц и 47 Гц; в - 50 Гц и 44 Гц; г- 50 Гц и 42 Гц (номинальный режим работы испытуемого двигателя ДД1); ПЧ—преобразователь частоты;

ШГТГ - общая шина постоянного тока; АД - асинхронный двигатель

Третья глава посвящена физическому моделированию процесса испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки.

Перед выполнением экспериментальных исследований на физической модели испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки требовалось установить подобие ее процессов процессам, возникающим при испытании асинхронных тяговых двигателей. Для этого, используя сформированную математическую модель процесса испытаний (система (1)), определили критерии подобия, отношение которых (индикаторы подобия) должны равняться единице.

Используя метод интегральных аналогов, преобразуем уравнение, описывающее изменения тока статора первого электродвигателя к виду:

цИ ^ о. (2)

сг, • II, ст, • ¿1, • ¿1, с, - £1, <7,-II, ск

Тогда критерии подобия при рассмотрении данного процесса будут определяться как:

^ (3)

Определим индикаторы подобия для критериев подобия уравнения (2) (индекс «н» и «м» параметры асинхронных двигателей физической модели и асинхронных тяговых двигателей НТА-1200; «с» - отношения одноименных параметров рассматриваемой системы):

law ' w

-л 1™ 'Л kh,-'

Ип ■ 'Р.' •¿In. •('lib. • ■ '0_

¿1, » "Л ' a>„ •¿1,2» 'O

,-Рм- Q)„ •■и«.

„ -р. ■со. Я*.)

'1м, •Z.1, ''.«•O'lc-ill,

П'-R

Используя метод интегральных аналогов, преобразуем уравнение, описывающее изменения тока ротора первого электродвигателя к виду:

-Л...-Д, л„-д, л/з Уз__(5)

<т,-112 ст,-¿12 <т,-Л2 <т,-Ла 0-1 - £12 л

Тогда критерии подобия при рассмотрении данного процесса будут определяться как:

(6)

„ Я;.-Да p-a-Lln-(n,b->1„)._ p-ffl-£l2-(fl-,,-|Т2е).

Определим индикаторы подобия для критериев подобия уравнения (5): 1„ -п1г.. ......я,.

•Л. "'я,. И... ■/!',„..• д;

я.

■з- Р,, •а>. -(Л1Ь, -о). -¿1,2е -(¡Чц -ilj, .

' S-kl„-p.-<o.-L 1,а,-(Л1Ь,-/11с,) *'« ' (7)

Р„ -а». -¿12„-ф{fi;„ -Л';а.)'У?-И р, -«у^Ж -'О, .

Уз "*1„ -р„ - со, Il2, -(л'2»„ -л;„)

-аы -¿12„ - И.-(. = Л'2„е -g|, -¿12с

Используя метод интегральных аналогов, преобразуем уравнение, описывающее изменения угловой частоты вращения к виду:

do>

(8)

М

+ —^■51^(1))= 0.

Тогда критерии подобия при рассмотрении данного процесса будут определяться как:

л„-(л2;-л;0) Л,с-К-Л;,) Д,. -(;2-2, -Й-^-Ц» И„ -¿2', )-Х2,2 ,

2"7Ги - К-я-,)'"'-л'2с).л,2 и„-(па(9) ='21с ■ ('22. -'2м)-Л212 ^ =_ УЗ-Л/„„. УЗ-^-

и

Определим индикаторы подобия для критериев подобия уравнения(8):

,. _ 'V, -(д'г» -Я'г.„)-'Ч|». -(''и. -'Чс) 'V -fl2.I . » '!,„ -(Пзь, •(;' 12„ -ilL) 'V -('1а -''з.Х '

.„ _ Я и» -('Ь^,, -('Ua,, -flLL 'V Ф*. -fl2tl .

» Я1«» Фи.» -'l^J-'l!» -('Ii™ -'lai») 'l,„-(il'2t-/l'2c)c '

„ _ '2,a„ -(¿2;ь,-iiJ\-L2ail -fl,.-д;„)•£!„. _ ¿2,, -fe -|2'г ), -¿2,„ » "im. -('1^, -''l^J-il.a,,-^,™ -iita)-L2a. . _ -('2L -/2; )-Х2,гл, •/!,. -(/1а„ -?1'2С )-£1,2, _ -(pL, -i,

. ''to -('Iii,, )•-£!,2„ -'2,4, -(г'2^ -г'2^)-Х2|2„ ;l,oc-(ilj,-г'12Д-£1,ае

('•2 ' LI-\2m ' ^ low ' 1П 26« ^ 2cw 12" _ ^lcr'V^g f22i )c ■ L2rjc

„ ^ -p, ■il|a„-(/l2t„-;l2e„)-ZI|2„ ^ Mramc

• P, •'!-('Ui«-V3' »__ Уз-JM - со,, - f -p, -|1,„ - (fl^, -¿l'2e,)-i,l 12l, •

. 'Р., 'Я.™ -('Tjta -"al'flii, '^/3-Л

(10)

Найденные индикаторы подобия позволили установить соответствие номинального режима работы асинхронных двигателей физической модели АДМ71В4У2 номинальному режиму при испытании асинхронных тяговых двигателей НТА-1200.

Физическая модель (рис. 3) выполнена в лаборатории «Электрические передачи локомотивов» кафедры «Локомотивы» ОмГУПС. Данная модель позволяет создать условия для работы асинхронных двигателей по методу взаимной нагрузки и проведения измерений по существующим стандартам. В составе физической модели входят асинхронные двигатели типа АДМ71В4У2 мощностью 750 Вт каждый.

Выполненное физическое моделирование процесса испытаний асинхронных двигателей при их испытании методом взаимной нагруз- | ки позволило оценить эффектив- Р ность применения данного метода для асинхронных двигателей (рис. 4). Экономия электрической энергии при испытании составила до 60 % от номинальной мощности испытуемого двигателя.

Рис. 3 - Общий вид физической модели

1200 Вт 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 о -100 -200 -300 -400 -500

РгГ

<

-J 2 4 ь ь 7 х У Iii

Af

Рис. 4 - Зависимость потребляемой мощности от разности частот напряжения ДГ, приложенного к испытуемым двигателям

В физической модели предусмотрена возможность перекоммутации частей схемы с помощью контакторов, подключенных в схеме до и после преобразователей частоты, а также в общей шине постоянного тока, что позволяет получить следующие варианты схем:

электрическая энергия от сета поступает на выпрямитель только одного из преобразователей частоты и далее по общей шине постоянного тока на управляемые выпрямитель-инверторы обоих преобразователей частоты, откуда энергия поступает на испытуемые двигатели;

электрическая энергия от сети поступает на преобразователи частоты, каждый из которых питает один из испытуемых двигателей, при этом преобразователи частоты не связаны друг с другом общей шиной постоянного тока;

электрическая энергия от сети поступает на преобразователи частоты, каждый из которых питает один из испытуемых двигателей, при этом преобразователи частоты связаны друг с другом общей шиной постоянного тока.

В четвертой главе предложены схемы испытаний асинхронных тяговых двигателей с применением метода их взаимной нагрузки.

Первая из предложенных схем (рис. 5) (патент на ПМ № 143348) состоит из двухзвенного преобразователя частоты 1, который включает управляемые выпрямитель-инверторы 1.1, 1.3 и звено постоянного тока 1.2, двух однотипных испытуемых асинхронных двигателей AMI и АМ2, муфты 2, которая механически связывает между собой валы двигателей AMI и АМ2, позволяя их роторам вращаться с одинаковой угловой скоростью вокруг общей оси вращения, контакторов 3 - 6. На схеме показан комплект электроизмерительных приборов: ваттметры 7 — 9.

В схеме, приведенной на рис. 5, передача вырабатываемой генератором AMI электрической мощности осуществляется непосредственно в сеть благодаря наличию управляемого выпрямитель-инвертора на входе преобразователя частоты, тем самым сеть дополнительно загружается гармониками, которые образуются в результате двойного преобразования энергии на пути от AMI до сети.

Еще одна особенность данной схемы -

Рис. 5 - Схема испытаний асинхронных тяговых двигателей методом их взаимной

нагрузки с использованием одного преобразователя частоты

возможность испытаний двигателей с номинальной частотой напряжения, равной частоте сети.

Схема испытаний, представленная на рис. 6 (патент на ПМ № 140678), состоит из двух однотипных преобразователей частоты 1 и 2, получающих питание от трехфазной сети, двух однотипных испытуемых асинхронных двигателей AMI и АМ2, механически связанных между собой посредством муфты 3 и получающих питание от преобразователей частоты 1, 2. Преобразователи частоты 1 и 2 состоят из неуправляемых выпрямителей 1.1 и 2.1, зве-

. D п -1г> .п

Рис. 6 - Схема испытаний асинхронных тяговых

двигателей методом их взаимной нагрузки с использованием двух преобразователей частоты

ньев постоянного тока 1.2 и 2.2, управляемых выпрямитель-инверторов 1.3 и 2.3. Связь преобразователей частоты 1 и 2 реализуется с помощью шины постоянного тока 4, соединяющей звенья постоянного тока 1.2 и 2.2 частотных преобразователей 1 и 2. На схеме показан комплект электроизмерительных приборов: ваттметры 7 — 9.

В схеме, приведенной на рис. 6, передача вырабатываемой генератором электрической мощности осуществляется по общей шине постоянного тока испытуемому двигателю. Это позволяет не загружать сеть дополнительно гармоническим составом, а также проводить испытания при любой номинальной частоте напряжения испытуемого двигателя.

Схема испытаний, приведенная на рис 7 (патент на ПМ № 145998), состоит из нестандартного преобразователя частоты 1, в состав которого входит неуправляемый выпрямитель 1.1, получающий питание от трехфазной сети, звена постоянного тока 1.2, двух однотипных управляемых выпрямитель-инверторов 1.3.1 и 1.3.2, двух однотипных испытуемых асинхронных двигателей AMI и АМ2, муфты 2, которая механически связывает между собой валы двигателей AMI и АМ2, позволяя их роторам вращаться с одинаковой угловой скоростью вокруг общей оси вращения. На схеме показан комплект электроизмерительных приборов: ваттметры 7, 8; амперметры 5, 6; вольтметр 4.

В схеме, приведенной на рис. 7, передача электрической энергии генератором реализуется аналогично схеме, приведенной на рис. 6. Отличие заключается в применении нестандартного преобразователя частоты: один неуправляемый выпрямитель на входе (со стороны сети) и два управляемых выпрямитель-инвертора для питания испытуемых двигателей. По сравнению со схемой на рис. 6 повышается надежность и снижается стоимость составляющих схемы испытаний за счет подбора меньшего по мощности выпрямителя (в схеме, приведенной на рис. 6, выпрямители оказываются недогруженными до номинала).

Каждая из предложенных схем имеет в своем составе преобразователи частоты. Данные устройства являются источниками несинусоидального напряжения, частота которого может изменяться в широком диапазоне нагрузки испытуемого двигателя. Поэтому для измерения мощности в таких условиях требуется либо применение специальных сложных аппаратно-программных комплексов для выполнения непосредственного измерения, либо разработка косвенных методик определения мощности. Такие методики в работе предложены для каждой из приведенных схем (см. рис. 5 - 7). Суть разработанных методик заключается в предварительном экспериментальном определении зависимостей потерь в выпрямителях и выпрямитель-инверторах схем от мощности, подведенной к ним. Данные зависимости в дальнейшем применяются при проведении испытаний, в которых используются лишь общепромышленные электроизмерительные приборы, измеряющие мощность, потребляемую частотными преобразователями, а мощность потребляемая (генерируемая) асинхронными двигателями, определяется косвенным (расчетным) путем.

С другой стороны, предварительно экспериментально получив зависимости потерь в частотных преобразователях от мощности потребляемой (генерируемой) асинхронным двигателем энергии, можно рассчитать мощность, потребляемую частотными преобразователями из сети в широком диапазоне нагрузки, что может

-и две

Рис. 7 — Схема испытаний асинхронных тяговых двигателей

методом их взаимной нагрузки с использованием нестандартного поеобоазователя частоты

быть использовано при проектировании испытательных станций для асинхронных тяговых двигателей.

Разработанные методики определения мощности, потребляемой схемой и потерь в её основных элементах при испытании асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки могут быть учтены в математической модели (см. систему уравнений (1)) в виде следующих зависимостей:

=Г<Рш\Р. +0С + (п)

На основании проведенного анализа, разработанных схем и методик были сформированы рекомендации по выбору схемы испытаний асинхронных тяговых двигателей, реализованной в виде алгоритма (рис. 8).

Рис. 8 — Алгоритм выбора схемы испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки Пятая глава посвящена разработке алгоритма приемосдаточных испытаний асинхронных тяговых двигателей с использованием метода взаимной нагрузки.

Испытания асинхронных тяговых двигателей должны проводиться в соответствии с рекомендациями действующих стандартов. На основе сопоставления пред-

ложенных схемных решений и рекомендаций приведенных стандартов выбран алгоритм испытаний, который позволяет рационально использовать время на подготовительные операции перед испытаниями и имеющиеся технические возможности оборудования, входящего в состав схемы. В результате анализа рекомендаций стандартов предложен алгоритм проведения приемосдаточных испытаний асинхронных тяговых двигателей с применением метода взаимной нагрузки, обеспечивающий рациональное использование испытательного оборудования:

проведение опыта короткого замыкания за счет функциональных возможностей преобразователей частоты - без использования дополнительных тормозных устройств и понижающих трансформаторов;

проведение испытания при повышенной частоте вращения одновременно двух асинхронных тяговых двигателей с помощью функциональных возможностей преобразователей частоты;

реализация схемы для определения сопротивления обмоток при испытании асинхронных тяговых двигателей в составе стенда взаимной нагрузки с помощью функциональных, возможностей преобразователей частоты без использования дополнительных источников постоянного тока.

Рисунок 9 — Предлагаемый алгоритм проведения приемосдаточных испытаний асинхронных тяговых двигателей с применением метода взаимной нагрузки 17

В шестой главе приводится расчет капитальных затрат на изготовление предлагаемых схем испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки на примере двигателя типа НТА-1200. Затраты составили: для схемы с двумя преобразователями частоты - 14514281 р.; для схемы с одним преобразователем частоты с функцией рекуперации - 11385411 р.; для схемы с одним нестандартным преобразователем частоты — 13208690 р.

Выполнен расчет срока окупаемоста предлагаемых схем испытаний асинхронных тяговых двигателей: для схемы с двумя преобразователями частоты — 4,2 года; для схемы с одним преобразователем частоты с функцией рекуперации -3,2 года; для схемы с нестандартным преобразователем частоты - 3,8 года.

Проведенный расчет чистого дисконтированного дохода при реализации каждой из схем показал, что предлагаемые схемы являются экономически эффективными для их реализации для принятого расчетного периода в 10 лет.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1) Сформирована математическая модель процесса испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки при их питании от частотных преобразователей в условиях локомотивных депо. Математическая модель позволяет оценить эффективность применения метода взаимной нагрузки для различных типов асинхронных двигателей, определить требуемую величину мощности питающей сети, коммутационного, испытательного и защитного оборудования.

2) Разработаны усовершенствованные схемы испытаний асинхронных тяговых двигателей, позволяющие проводить необходимые испытания в соответствии с условиями работы на локомотивах и обеспечить высокую энергетическую эффективность процесса испытаний: схема с одним преобразователем частоты с возможностью рекуперации; схема с двумя преобразователями частоты без возможности рекуперации, связанными общей шиной постоянного тока; схема с одним неуправляемым выпрямителем и двумя управляемыми выпрямитель-инверторами, связанными общей шиной постоянного тока (схема с нестандартным преобразователем частоты).

3) Проведены экспериментальные исследования на физической модели испытательной станции асинхронных тяговых двигателей, которые позволили подтвердить достоверность полученных результатов математического моделирования. Относительное расхождение мощности по результатам моделирования и эксперимента не превышает 7 % для рассматриваемых режимов работы: от холостого хода до номинальной нагрузки асинхронного двигателя.

4) Разработана методика определения мощности и потерь в основных элементах схем испытаний в широком диапазоне нагрузки испытуемого двигателя. Мето-

дики могут быть использованы на этапе проектирования испытательных станций для определения мощности, потребляемой из сети в процессе испытаний под нагрузкой, параметров преобразователей частоты для разшгчных типов испытуемых двигателей в условиях локомотивных депо.

5) Составлен алгоритм выбора схемы для испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки с учетом возможности реализации рекуперации преобразователем частоты, номинальной частоты питания испытуемого двигателя,, мощности сети и технико-экономической целесообразности схемы.

6) Разработан алгоритм проведения испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки для предлагаемых в работе схем испытаний, который учитывает рекомендации ГОСТ 11828-86, ГОСТ 7217-87.

7) Выполнена оценка капитальных затрат для реализации предлагаемых схем испытаний асинхронных тяговых двигателей локомотивов. Рассчитаны сроки окупаемости и чистый дисконтированный доход для предлагаемых схем.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Авилов, В. Д. Оценка энергетической эффективности применения метода взаимной нагрузки при испытании асинхронных тяговых двигателей [Текст] / В. Д. Авилов, Д. И. Попов, А. В.Литвинов //Известия Транссиба-2013.-№3 (15).-С. 2-7.

2. Авилов, В. Д. Математическая модель процесса испытаний асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки [Текст] / В. Д. Авилов, Д. И. Попов, А. В. Литвинов//ВестникСибАДИ.-2013.-№5(33).-С. 75-81.

3. Авилов, В. Д. Методика определения потерь в двухзвенных преобразователях частоты в составе стенда для испытания асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки [Текст] / В. Д. Авилов, Д. И. Попов, А. В. Литвинов // Известия Транссиба. - 2014. № 1 (17).-С. 2-8.

4. Авилов, В. Д. Актуальные направления исследований метода взаимной нагрузки при испытаниях асинхронных тяговых двигателей [Текст] / В.Д.Авилов, Д.И.Попов, В. Т. Данковцев, А. В. Литвинов // Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного подвижного состава: Материалы всероссийской научно-технической конфёретсщи с международным участием. Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, - 2011. - С. 199-203.

5. Авилов,В. Д. Физическая модель испытательной станции асинхронных тяговых двигателей с использованием метода взаимной нагрузки [Текст] / В. Д. Авилов, Д. И. Попов, В. Т. Данковцев, А. В. Литвинов // Инновационные проекты и новые технологии для транспортного комплекса: Материалы четвертой научно-пракгаческой конференции, посвященной Дню российской науки и 110-летию ОмГУПСа (8 февраля 2012 г.) / Омский гос. унт путей сообщения. - Омск, 2012. - С. 69-73.

6. Авилов, В. Д. Применение метода взаимной нагрузки при испытании асинхронных тяговых двигателей [Текст] / В. Д. Авилов, Д. И. Попов, В. Т. Данковцев, А. В. Литвинов // Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффек-

тивности тяги поездов: Материалы всероссийской научно-технической конференции с международным участием / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2012. - С. 77-83.

7. Литвинов А. В. Развитие силовой преобразовательной техники как способ повышения эксплуатационной надежности элекгроподвижного состава [Текст] / А. В. Литвинов // Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов: Материалы всероссийской научно-технической конференции с международным участием / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2012. - С. 105-110.

8. Авилов, В. Д. Испытание асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки [Текст] / В. Д. Авилов, Д. И. Попов, В. Т. Данковцев, А. В. Литвинов // Актуальные вопросы транспортной отрасли: проблемы и решения: Материалы Всероссийской научно-практической конференции (Воронеж, 22 ноября 2013 г.), - Воронеж: Руна, 2013. -№ 1, —С. 8-12.

9. Литвинов А. В. Состояние и перспективы развития подвижного состава с асинхронным тяговым приводом в России [Текст] / А. В.Литвинов // Актуальные вопросы транспортной отрасли: проблемы и решения: Материалы Всероссийской научно-практической конференции (Воронеж, 22 ноября 2013 г.), - Воронеж: Руна, 2013. - № 1. -С. 30-37.

10. Авилов, В. Д. Модернизированный стенд для испытания асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки [Текст] / В. Д. Авилов, Д. И. Попов, В. Т. Данковцев, А. В. Литвинов // Повышение эффективности эксплуатации коллекторных электромеханических преобразователей энергии: Материалы IX международной научно-технической конференции (5,6 декабря 2013 г.) / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2013. -С. 137-141.

11. Авилов, В. Д. Экспериментальные исследования метода взаимной нагрузки при испытании асинхронных двигателей малой мощности [Текст] / В. Д.Авилов, Д. И. Попов, А. В. Литвинов // Электромеханические преобразователи энергии: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения.— Омск, 2014.— С. 26-31.

12. Пат. на полезную модель РФ, МПК 51 G01R 31/34. Схема испытании асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки / В. Д. Авилов, Д. И. Попов, А. В. Литвинов (Россия). -№ 140678; заявл. 24.10.2013; опубл. 20.05.2014, бюл. № 14. - 5 с.

13. Пат. на полезную модель РФ, МПК 51 G01R 31/00. Схема для определения электрической мощности, потребляемой асинхронными двигателями при испытании их методом взаимной нагрузки / В.Д. Авилов, Д.И. Попов, A.B. Литвинов (Россия). - № 143346; заявл. 02.04.2014; опубл. 20.07.2014, бюл. № 20. - 6 с.

14. Пат. на полезную модель РФ, МПК 51 G01R 31/00. Устройство для испытания асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки / В.Д. Авилов, Д.И. Попов, A.B. Литвинов (Россия). -№ 143348; заявл. 02.04.2014; опубл. 20.07.2014, бюл. №20.-5 с.

15. Пат. на полезную модель РФ, МПК 31 G01R 31/00. Схема испытании асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки / В. Д. Авилов, В. В. Харламов, Д. И. Попов, А. В. Литвинов (Россия). -№ 145998; заявл. 04.04.2014; опубл. 27.09.2014, бюл. №27.-4 с.

Типография ОмГУПСа. 2014. Тираж 100 экз. Заказ 595. 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35