автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Усовершенствованный тяговый электропривод магистральных электровозов постоянного тока для эксплуатации на участках с трудным профилем

На правах рукописи

Баранов Валерий Александрович

УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД МАГИСТРАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА ДЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА УЧАСТКАХ С ТРУДНЫМ ПРОФИЛЕМ

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 5 Я Н В 2012

Новочеркасск 2011

005009366

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Петербургский государственный университет путей сообщения"

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Мазнев Александр Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Щербаков Виктор Гаврилович

кандидат технических наук, доцент Хоменко Борис Иванович

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный университет путей сообщения" (г. Екатеринбург)

Защита диссертации состоится 17 февраля 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)" в 107 ауд. главного корпуса по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской области, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)". Автореферат диссертации размещен на официальном сайте ВАК www.ed.gov.ru и ФГБОУ ВПО ЮРГТУ(НПИ) www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан: 12 января 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

П.Г. Колпахчьян

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Промышленный железнодорожный транспорт выполняет перевозки грузов на территории предприятий и осуществляет доставку сырья от места его добычи к местам переработки. Развернутая протяженность его путей составляет 71% длины линий общего пользования, а выполняемый объем перевозок почти в 3 раза превышает этот показатель.

Работа промышленного транспорта характеризуется более тяжелыми эксплуатационными условиями. Его особенностью является низкая, по сравнению с магистральным, скорость движения, в основном не превышающая 40-50 км/ч. Поезда при этом имеют большую массу, часто близкую к нормам магистральных железных дорог. В качестве тягового подвижного состава используются тяговые агрегаты (ОПЭ1, ПЭ2М, НП1), тепловозы, электровозы отечественного (ВЛ41, НПМ2), и зарубежного производства (серии ЕЬ).

На сегодняшний день используемые на промышленном железнодорожном транспорте технические средства морально устарели, практически полностью выработали свой эксплуатационный ресурс и нуждаются в замене. Поэтому при значительных эксплуатационных расстояниях и достаточно больших объемах перевозок возникла необходимость применения в качестве тягового подвижного состава магистральных локомотивов, которые не приспособлены для непосредственной эксплуатации в условиях промышленного транспорта, т.к. имеют малую осевую нагрузку 23 - 25 тс/ось и достаточно высокую расчетную скорость движения (около 50 км/ч). В результате, использование для тяги поездов магистральных электровозов постоянного тока сопровождается неполным использованием мощности их тяговых двигателей. Указанные особенности этих локомотивов являются основой проблемы, связанной с необходимостью реализации максимальной силы тяги при пониженной скорости. Таким образом, можно сделать вывод, что характеристики тяговых двигателей магистральных электровозов постоянного тока не соответствуют условиям и режимам их работы на промышленном железнодорожном транспорте.

Кроме этого на магистральных линиях железных дорог существуют участки с трудным профилем, наличие которых приводит к снижению величины унифицированной массы поезда на направлении. Ее увеличение при одиночной тяге и отсутствии подталкивания возможно только за счет улучшения тяговых свойств эксплуатируемых локомотивов.

Цель работы состоит в улучшении тяговых свойств магистральных электровозов постоянного тока в условиях работы на промышленных предприятиях, а также на участках железных дорог с трудным профилем за счет регулирования жесткости их характеристик.

Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:

• определены факторы, влияющие на реализацию электровозом максимальной силы тяги в условиях ограниченной скорости движения;

• выполнен анализ существующих способов питания обмоток возбуждения тяговых двигателей и оценено их влияние на характеристики локомотива;

• для усиления возбуждения разработан способ использования суммы токов якорей смежных параллельных ветвей;

• выполнен расчет тяговых характеристик электровоза при регулировании тока возбуждения статическим преобразователем;

• проанализировано влияние разных способов регулирования возбуждения тяговых двигателей на работу электрооборудования локомотива;

• выполнены экспериментальные исследования на лабораторном стенде, состоящем из двух тяговых двигателей мощностью 55 кВт и маховика;

• проведены эксплуатационные испытания опытного электровоза ВЛ10У-580 при следовании с поездами на участках ОАО "Апатит".

Методика исследований. Для решения указанных задач использовались

методы теории электрических цепей и машин, локомотивной тяги, а также математическое моделирование.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1.На основе обзора существующих способов и систем усиления возбуждения тяговых двигателей предложено техническое решение, обеспечивающее реализацию указанного режима без использования дополнительных источников питания;

2.Разработаны и обоснованы схемотехнические решения, позволяющие осуществлять управление жесткостью тяговых характеристик электровоза, а также определена область их эффективного использования;

3.Выявлены факторы, влияющие на эффективность использования магистральных электровозов постоянного тока в условиях работы на промышленных предприятиях, а также на участках железных дорог с тяжелым профилем;

4.Разработана математическая модель, позволяющая исследовать установившиеся и нестационарные режимы в силовой цепи опытного электровоза, вызванные изменением величины питающего напряжения (в т.ч. полным его прекращением) и перегруппировкой двигателей при разных способах их возбуждения;

5.Предложена методика определения величины пульсаций тока якорей тяговых двигателей в режиме усиленного возбуждения при импульсном регулировании сопротивления шунтирующей цепи;

6. Оценена эффективность предложенных рекомендаций по устранению разности токов параллельных ветвей групп якорей тяговых двигателей за счет регулирования возбуждения и величины сопротивления стабилизирующих резисторов.

Практическая ценность работы. Результаты работы могут быть использованы при создании и модернизации эксплуатируемых магистральных электровозов постоянного тока. По результатам математического моделирования даны рекомендации по улучшению качества переходных процессов в силовой цепи электровоза.

К защите представляются следующие основные положения:

• Способ и схемотехнические решения, позволяющие реализовать режим усиленного возбуждения без применения дополнительного источника энергии и осуществлять поддержание заданного тока возбуждения;

• Результаты теоретических и экспериментальных исследований эффективности применения режима усиленного возбуждения тяговых двигателей магистральных электровозов постоянного тока с целью улучшения их тяговых свойств;

• Методика определения величины пульсаций тока якорей тяговых двигателей в режиме усиленного возбуждения при импульсном регулировании;

• Рекомендации по улучшению качества переходных процессов в силовой цепи электровоза при работе в режиме усиленного возбуждения.

Использование результатов диссертационной работы. Результаты работы использованы при модернизации магистральных электровозов ВЛ10У, эксплуатируемых в ОАО "Апатит". Разработанные схемо-технические решения позволили увеличить массу поезда на 8-10%, увеличить провозную способность, что в результате позволяет уменьшить эксплуатационные расходы на перевозочный процесс.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры "Электрическая тяга" ПГУПС (г. Санкт-Петербург), на научно-техническом семинаре кафедры "Электрическая тяга" УрГУПС (г. Екатеринбург), расширенном заседании кафедры "Электрический транспорт" ЮРГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск), на научно-технических конференциях ПГУПС "Неделя науки-2006" и "Неделя науки-2008", на заседании научно-технического совета ОАО "ВЭлНИИ" (г. Новочеркасск).

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 12 печатных работ общим объемом 5,5 пл., в том числе 5 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК. По теме работы получено 4 патента на полезные модели.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ

Диссертация включает в себя введение, четыре главы, заключение, список литературы из 87 наименований, содержит 137 страниц, 80 рисунков, 5 таблиц, 5 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель исследований, представлена их научная новизна и практическая значимость, а также определены методы ее достижения. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор существующих в настоящее время способов улучшения тяговых характеристик электровозов, рассмотрены достоинства и недостатки каждого из них. Отмечено, что основным недостатком электровозов постоянного тока является наличие лишь трех ступеней регулирования питающего тяговые двигатели напряжения, определяемых их способом соединения. Поэтому для улучшения тяговых свойств этих локомотивов единственным путем является регулирование возбуждения и управление жесткостью тяговых характеристик.

Вопросами улучшения тяговых свойств электровозов занимались многие отечественные ученые. Большой вклад в решение вопросов улучшения тяговых свойств электровозов внесли А.Е. Алексеев, А.Т. Головатый, П.И. Гордиенко, Е.В. Горчаков, В.А. Графов, С.О. Григорян, A.M. Дядьков, В.И. Зонов, И.П.Исаев, А.Н.Карасев, В.А.Кучумов, А.Л.Лисицын, А.Л.Лозановский, H.H. Меншутин, Д.К. Минов, Л.И. Монахов, Л.А. Мугинштейн, O.A. Некрасов, Б.Д. Никифоров, A.B. Плакс, А.Е. Пыров, H.H. Сидоров, Б.Н. Тихменев, Л.М. Трахтман, В.Д. Тулупов, В.А. Усов, Г.В. Фаминский, Б.И. Хоменко, В.Г. Щербаков, В.П. Янов и другие.

Анализ выполненных разработок, состояния развития современной преобразовательной техники и ее элементной базы, методов исследований, возможностей измерительной техники показал возможность дальнейшего совершенствования технических характеристик эксплуатируемого ЭПС.

Установлено, что все известные способы управления жесткостью тяговых характеристик локомотива обладают одним существенным недостатком - обязательным наличием дополнительного источника энергии для питания обмоток главных полюсов, существенно снижающего надежность системы регулирования и повышающего ее стоимость. Кроме того, увеличение жесткости тяговых характеристик способствует повышению неравномерности распределения силы тяги по осям локомотива. Рассмотрены существующие варианты ликвидации указанных недостатков, в том числе за счет применения статических преобразователей.

При использовании последовательно-независимого возбуждения тяговых двигателей требуется дополнительная подпитка обмоток главных полюсов от внешнего источника, в качестве которого могут быть использованы электромашинные или статические преобразователи. Электромашинный преобразователь имеет высокую стоимость изготовления, трудоемок в обслуживании и ремонте, требует регулярной замены комплектующих, является дополнительным источником шума. Статический преобразователь, питающий обмотки возбуждения непосредственно от контактной сети, имеет низкие энергетические характеристики повышает риск электрического пробоя изоляции обмотки. Кроме того, питание обмотки возбуждения импульсами с малой продолжительностью и значительными паузами между ними вызывает значительные пульсации тока возбуждения и магнитного потока двигателя, что отрицательно сказывается на процессе коммутации.

Во второй главе исследованы возможности, а также определены эффективность и особенности применения режима усиленного возбуждения тяговых двигателей. Для исключения указанных в первой главе недостатков предложен способ подпитки обмоток возбуждения током якорей смежной параллельной группы тяговых двигателей, не требующий дополнительного источника. На рис.1 приведена упрощенная схема секции восьмиосного электровоза с последовательным соединением обмоток возбуждения обеих групп тяговых двигателей при параллельном соединении групп обмоток якорей.

Для регулирования тока возбуждения параллельно обмоткам главных полюсов подключена

шунтирующая цепь, состоящая из резисторов и индуктивных шунтов (рис. 1).

Максимальная величина коэффициента регулирования возбуждения Р реализуется при отключении шунтирующей цепи и определяется:

Рис.1-Усиление возбуждения током якорей

1 я

^ = 2 1, '

(1)

где /в - ток возбуждения, А, 1Я - ток якоря, А.

Скорость движения электровоза V, км/ч, при последовательно-параллельном (СП) и параллельном (П) соединениях двигателей:

V =

(2)

гп-СФ

где и- напряжение контактной сети, В;

Яя - сопротивление цепи якоря, состоящей из якорной, компенсационной и об моток дополнительных полюсов, включенных последовательно, Ом; й0в - сопротивление обмотки возбуждения, Ом; т - число последовательно соединенных групп якорей, моток якорей, соединенных последовательно.

РК, тс

состоящих из двух об-

V, км.

Рис. 2-Тяговая характеристика опытного электровоза ВЛ10У-580

7

На рис. 2 приведена тяговая характеристика опытного электровоза ВЛ10У полученная расчетным путем для различных значений коэффициента регулирования возбуждения. Кроме ограничения по сцеплению, на характеристике нанесено ограничение по максимальному

току возбуждения, которое для тягового двигателя ТЛ-2К1. Максимальное значение тока возбуждения 700 А выбрано с учетом наибольшего превышения температуры обмотки его главных полюсов над температурой охлаждающего воздуха (для класса изоляции Б не более 130°С), а также насыщения магнитной цепи. Приведенные на рис. 2 характеристики подтверждают возможность расширения диапазона регулирования силы тяги электровоза на ходовых позициях СП и П соединений тяговых двигателей. Изменяя коэффициент возбуждения, можно получить более широкие регулировочные возможности и добиться уменьшения интервала между ходовыми позициями.

Ступенчатое уменьшение тока возбуждения приводит к значительному увеличению тока якоря, что способствует срыву сцепления. По-

Рис. З-Импульсное регулирование сопротивления шунтирующей цепи

этому предлагается использовать импульсный преобразователь, осуществляющий плавное регулирование сопротивления шунтирующей цепи (рис.3). Для защиты двигателей от повреждений при переходных процессах, вызванных отрывами токоприемника, последовательно включен защитный тиристор К$2.

Сопротивление шунтирующей цепи при непроводящем состоянии преобразователя К? определяется максимальным коэффициентом возбуждения р. Его значение в этом случае принято равным 1,8:

Апах ' &ОВ

Кш - ■

2-А,

(3)

Минимальный коэффициент возбуждения определяется максимальным током якоря при минимальном токе возбуждения, когда коэффициент заполнения импульсного цикла X преобразователя равен единице. В этом случае сопротивление шунтирующей цепи Яш будет определяться величиной сопротивления резистора Й2.

Для поддержания заданной величины тока возбуждения необходимо по мере изменения тока якоря регулировать коэффициент заполнения X. Минимальное значение тока якоря, 1ятт, А, определяющее момент включения преобразователя в работу, зависит от величины максимального коэффициента возбуждения и при выбранных значениях тока возбуждения составит:

= №

Коэффициент заполнения импульсного цикла X зависит от суммы токов якорей обеих групп тяговых двигателей. Зависимость А=ДУЯ) является регулировочной характеристикой.

Коэффициент регулирования возбуждения (5 зависит от коэффициента заполнения X и определяется выражением:

1В 2Й„, 2(Л1 + Л2-Ай1)_

р-

(5)

Я1 + Л2-ЛЛ1 + 4ЯВ

Одновременно значение коэффициента заполнения импульсного цикла X, определяющее величину коэффициента регулирования возбуждения р. зависит от тока якоря.

Для определения этой зависимости необходимо в (5) выразить коэффициент Л через ток якоря при постоянном значении тока возбуждения: Х=Д/Я), 1в=соШ. Тогда:

(6)

_ 2/я(Д1 + Д2)-/в(Д1 + Д2 + 4Дв) А — " ~

Л 1(21Я~1В)

50 4-Р ГК.ТС 1 егул в в ■а 50 г эвоч 00 250 300 350 4С ная характерней 0 4 ГНК 50 пр 00 еоб 550 600 650 70 разователя

\ и газ* I |В60 А 1ВП ОА \ (в гам

\ 600А \ „ 6ПОЙ

... " - — ограничите л по ецгплешто

—- — \ — —. -—1 г- --- ЫН0У

I ~~~ —-

СП п \ влю

\ \

\ \ \

\ \ \

\ N \ \ ч

ч ч спт V

Рис. 5-Тяговая характеристика электровозов ВЛ10 и ВЛ10У при постоянном токе возбуждения

На рис. 4 приведе-800 ны зависимости коэффициентов за-700 полнения X и воз-600 буждения р от тока якоря при заданных 500 значениях тока 4оо возбуждения 500 А, 600 А, 700 А. Пре-300 образователь по-2оо зволяет поддерживать ток возбужде-

100

ния на заданном уровне во всем диапазоне изменения его коэффициента заполнения. На рис. 5 представлена тяговая характеристика электровоза ВЛ10У при постоянном токе возбуждения. Для сравнения дополнительно нанесены штатные характеристики при последовательном возбуждении тяговых двигателей (СПшт и Пшт).

В процессе импульсного регулирования сопротивления шунтирующей цепи при помощи статического преобразователя происходит ступенчатое изменение ее величины. При этом возникают пульсации тока якоря. В соответствии с Нормами безопасности на железнодорожном транспорте НБЖТ ЦТ 04-98 максимальное эффективное значение мешающего тока не должно превышать 0,2 А. Суммарную величину пульсаций тока якоря А/я, А, можно определить, пользуясь выражением:

М„ =

МЛ{\-Х)

(7)

где Ья- индуктивность цепи якорей, Гн;

А[/ - падение напряжения на обмотках якорей, не превышающее при максимальном токе 100В; /- частота регулирования, Гц.

Из выражения (7) следует, что наибольшие пульсации имеют место при коэффициенте заполнения импульсного цикла, равном 0,5 (рис. 6). В то же время, при поддержании тока возбуждения постоянным, коэффициент X зависит от тока якоря (6) (рис. 4). На рис. 7 представлены результаты расчета амплитуды пульсаций тока якоря при постоянном токе возбуждения и частоте регулирования 400 Гц.

т4

5

100 208

Рис. 6-Амплитуда пульсаций суммарного Рис. 7-Огибающие пульсаций суммарного тока якорей при частоте 400 Гц тока якорей

С целью устранения влияния импульсного преобразователя на рельсовые цепи требуется обязательная установка входного фильтра.

Увеличение жесткости тяговых характеристик двигателей способствует повышению неравномерности распределения тока по параллельным ветвям. С целью ее уменьшения необходимо включение в цепь якорей стабилизирующих резисторов (рис. 8). Другим способом является раздельное регулирование возбуждения, для чего параллельно обмоткам главных полюсов каждой группы тяговых двигателей должен быть подключен отдельный регулятор, а между шунтирующей цепью и цепью возбуждения включены два встречно-параллельных ключевых элемента (рис. 9). Регулирование возбуждения отличается экономичностью, простотой и эффективностью.

Рис. 8 -Регулирование сопротивления Рнс.9-Схема раздельного регулирования

стабилизирующих резисторов возбуждения

При импульсном регулировании : 1напряжения возможно использо-

вание двухфазной системы. На рис. 10 изображена двухфазная (щ=2) схема импульсного регулирования напряжения с последовательным соединением всех обмо-Рис. 10-Выравниваниетоков якорей при по- ток возбуждения ТЭД 1-4, якоря мощи раздельного регулирования которых включены попарно-

параллельно и образуют совместно с обмотками возбуждения две фазы.

Если принять, что для уменьшения пульсаций магнитного потока ТЭД обмотки возбуждения шунтируются резистором, то можно считать ток возбуждения величиной постоянной и не учитывать индуктивность обмоток возбуждения. В этом случае максимальный размах пульсаций потребляемого тока в однофазной системе регулирования будет в 1,4 раза больше, чем в двухфазной.

Включение в цепь якорей стабилизирующих резисторов вызывает дополнительные потери и приводит к снижению энергоэффективности предложенного схемного решения. Однако при работе двухфазной схемы импульсного регулирования напряжения возникают значительно большие пульсации потребляемого тока, что требует установки более мощного входного фильтра и, следовательно, увеличению его массо-габаритных показателей и стоимости.

В третьей главе приведены результаты исследований режимов работы тяговых двигателей при различных способах возбуждения с использованием методов математического моделирования, необходимость выполнения которого объясняется требованием обязательной проверки отсутствия режимов, способных повредить электрооборудование локомотива.

Тяговые двигатели работают в чрезвычайно напряженных условиях. Отказы по причине нарушения коммутации, возникновения кругового огня и переброса электрической дуги на корпус достигают 80-85% всех неисправностей. Особенностью их работы является непостоянство питающего напряжения, объясняемое изменением нагрузки на тяговую сеть в данной фидерной зоне и достигающее нескольких сотен вольт, а также его кратковременные отключения, вызванные отрывом токоприемника от контактной сети или образованием на ней гололеда. При длительных (более 1-2 с) нарушениях контакта между токоприемником и контактным проводом происходит полное размагничивание маг-

нитной системы тяговых двигателей. Особенно опасным является снятие напряжения из-за короткого замыкания в системе электроснабжения или на другом ЭПС, находящимся в данной фидерной зоне. В этом случае тяговые двигатели могут кратковременно перейти в генераторный режим. Ток якоря ввиду малого сопротивления цепи может существенно превышать максимально допустимый, вызвать появление кругового огня на коллекторе и, как следствие, повреждение двигателя.

Таким образом, необходимо осуществить анализ работы тягового электропривода в следующих нестационарных режимах:

• восстановление питания после его полного прекращения при различной длительности паузы;

• снятие напряжения в контактной сети в результате возникновения короткого замыкания в системе тягового электроснабжения или ЭПС, находящемся в той же фидерной зоне;

• изменения величины напряжения, вызванные перегруппировкой тяговых двигателей.

Электромагнитные процессы в силовых цепях тягового электропривода электровоза описываются системой дифференциальных уравнений, составленной на основании расчетной схемы, приведенной на рис. 11.

Рис.11-Расчетная схема силовой цепи при П соединении тяговых двигателей

икс = 2 (Л, + «А'С) + г{Ья + + 1В4ДВ + 4£я 2 С¥У(Ф, + Фг) + 4

т ш ш

Л, + и„ ^ + 4р!Ув ~ = 2ЬШ </<2,*-,»> + 2Яш(Ия -/,);

ш ш ш

7;^+Ф1=0,б6/(/в);

Ф = Ф, +Ф2.

Решение системы уравнений (8) выполнено с использованием пакета МАТЬ А В 6.5 методом Рунге-Кутта. На рис. 12 приведены результаты моделирования процесса восстановления питания тяговых двигателей при их параллельном соединении и токе якоря 530 А после полного его прекращения длительностью 0,3 с в режимах последовательного и усиленного возбуждения. Для сравнения на рис. 13 приведены огибающие величины броска тока якоря в зависимости от длительности полного прекращения питания. На всех графиках пунктиром обозначен режим последовательного возбуждения тяговых двигателей.

Рис.12-Результаты моделирования прекращения питания

Рис. ^Зависимость броска тока якоря от длительности прекращения питания

Как следует из представленного рисунка, в режиме усиленного возбуждения бросок тока якоря после возобновления питания меньше, чем при последовательном возбуждении, что объясняется меньшей интенсивностью размагничивания тягового двигателя. Ее можно оценить косвенно по уменьшению проти-воЭДС двигателя (рис. 14).

Особую сложность представляет процесс перегруппировки тяговых двигателей. Его длительность определяется временем поворота вала группового переключателя и составляет 1-2,5 с.

На рис. 15 приведены результаты моделирования обратного перехода П - СП при скорости 48 км/ч, из которых следует, что в режиме усиленного возбуждения ток якоря уменьшается до нуля, а ток шунтирующей цепи меняет свое направление. Это явление возникает в результате постоянного шунтирования обмоток возбуждения. В результате после того, как группы двигателей оказываются соединенными последовательно и суммарная противоЭДС превышает напряжение контактной сети, проис-

Рис. 14-Результаты моделирования процесса размагничивания групп тяговых двигателей

Рис. 15-Результаты процесса моделирования перегруппировки тяговых двигателей П-СП

Равенство токов якоря при разных способах возбуждения обеспечивается разной величиной задаваемой в модели скорости: 43км/ч при усиленном, и 48,5км/ч - при последовательном возбуждении.

ходит уменьшение тока якоря до нуля. Кратковременному возникновению генераторного режима препятствует диод, включаемый последовательно в цепь

Ток возбуждения при этом плавно снижается, замыкаясь через шунтирующую обмотки главных полюсов цепь. Магнитный поток двигателей демпфируют вихревые токи в остовах. Его уменьшение происходит значительно медленнее, чем в индуктивных шунтах, имеющих шихтованный маг-нитопровод. После размагничивания магнитной системы двигателей и уменьшения суммарной противоЭДС

РисЛб-Упрощенная схема силовой цешГ" НИЖе УР0ВНЯ «пряжения контактной электровоза при перегруппировке П-СП сети вновь появляется ток якорей.

Для уменьшения величины перенапряжений необходимо увеличить интенсивность размагничивания двигателей, исключив возможность замыкания "демпфирующего" контура, образованного цепями возбуждения и шунтирования. С этой целью рекомендуется включение в последнюю диода (рис. 17). В результате анализа полученных в ходе моделирования результатов можно сделать вывод об отсутствии факторов, ухудшающих условия работы тяговых двигателей в режиме усиленного возбуждения током якорей.

Величина длительного и часового токов тяговых машин, используемых на электровозах постоянного тока, не превышает 400 А и 500 А соответственно. При усиленном возбуждении ток обмоток главных полюсов превышает ток якоря и может достигать величины 700-750 А. Увеличение мощности потерь в обмотке возбуждения приведет к ее более интенсивному нагреву при прочих равных условиях. В настоящее время отсутствует надежная изоляция электрических машин класса Н. Поэтому при эксплуатации данный режим должен иметь ограничения.

Правилами тяговых расчетов при аналитическом способе рекомендуется следующая формула определения температуры перегрева обмоток двигателя:

Д? А/.

г=гв—+ г.О-у), (9)

где - превышение температуры при длительном выделении тепла °С;

г. - начальное превышение для расчетного промежутка времени "С; Д/- интервал времени, мин.;

на переходной позиции Х4 (рис. 16).

С

I-©-©

3

13 чш №1

—Е»—

Рис. 17-Увеличение интенсивности размагничивания двигателей пои перегруппировке П-СП

Г - постоянная времени нагревания, мин.

Обмотка главных полюсов тягового двигателя ТЛ-2К1 имеет изоляцию класса В. Расчет теплового режима работы двигателя выполнен по нагреву обмоток главных полюсов с использованием опытных кривых нагревания-охлаждения (рис. 18).

Результаты расчета теплового режима, выполненного аналитическим ме-

Рис. 18-Кривые нагревания и охлаждения тягового двигателя ТЛ-2К1 а - обмотка якоря, б - обмотка возбуждения

тодом с использованием опытных кривых, подтверждают отсутствие превышения температуры обмотки возбуждения над температурой окружающего воздуха, средняя температура которого в летнее время не превышает плюс 20 °С, при следовании опытного электровоза по участку, выше установленной нормы.

В четвертой главе приведены результаты исследований режима усиленного возбуждения двигателей током якорей на физической модели и опытном электровозе ВЛ10У-580 в ОАО "Апатит".

Испытания электровоза проводились в летнее и зимнее время на участках ОАО "Апатит" при следовании с поездами установленных весовых норм и резервом. Поезд состоял из 25 шестиосных думпкаров грузоподъемностью 105 т, имеющих тару 50 т. Во время испытаний установленная масса поезда 3900 т была дополнительно увеличена на 300 т. Испытания проводились на участке, имеющем протяженность 40 км и характеризующемся крутыми подъемами величиной до 20%о (скоростные подъемы отсутствуют). Установленная скорость составляет 40 км/ч. Без подталкивающего локомотива или кратной тяги с поездами данной весовой нормы могут эксплуатироваться лишь электровозы ВЛ15А.

При следовании по затяжным подъемам с использованием параллельного соединения тяговых двигателей в неблагоприятных погодных условиях создавались предпосылки для срыва сцепления. В результате имело место перемежающееся боксование, которое не переходило в разносное и легко ликвидировалось подачей песка или кратковременным переходом на высшие реостатные позиции. При последовательно-параллельном соединении двигателей и коэффициенте регулирования возбуждения 1,3 установившаяся скорость движения по подъему крутизной 10%о составляла 25 км/ч при наибольшем значении тока якоря 550 А.

Для регистрации величин токов и напряжений во время опытных поездок использовались: датчики тока типа LT500S, датчики напряжения типа ¿Fl00,

портативный персональный компьютер с шиной расширения PCIMCA, плата ввода-вывода DAQCard-2600 фирмы National Instruments.

Представленная на рис. 19а осциллограмма иллюстрирует процесс боксо-вания колесных пар обеих тележек секции электровоза, вызванный увеличением тока якоря после вывода элемента пускового резистора. В результате увеличения частоты вращения потерявших сцепление колесных пар происходит уменьшение тока якоря. Однако за счет повышенной жесткости характеристики значительного увеличения их частоты вращения не наблюдается. Пользуясь скоростной характеристикой при боксовании можно определить увеличение скорости, которое не превышает 7-8 км/ч, что способствует восстановлению сцепления. Боксование прекратилось после ввода секции пускового резистора, а его длительность составила 3,5 с.

На рис. 196 зафиксировано проскальзывание колесных пар одной из тележек электровоза. В результате параллельного соединения обмоток якорей между собой уменьшение тока в одной из групп двигателей вызывает его увеличение в смежной с ней. При этом в результате разности противоЭДС возникает уравнительный ток, который направлен встречно с направлением протекания тока якоря боксующей группы и согласно - с реализующей силу тяги. Уменьшение тока якоря боксующей группы двигателей при ограничении частоты вращения колесных пар способствует восстановлению их сцепления. Длитель-

а б

Рис. 19-Осциллограммы токов силовой цепи при боксовании

Приведенные осциллограммы подтверждают отсутствие развития боксо-вания до стадии разносного. Ток якоря уменьшается незначительно, в результате чего электровоз не теряет силу тяги.

Сравнение результатов, полученных при моделировании электромагнитных процессов в силовой цепи опытного электровоза (рис. 14, 15), с результатами его испытаний (рис. 20, 21) позволяют сделать вывод об адекватности модели.

Необходимо особо отметить, что при следовании поезда массой 4200 т по подъему крутизной 10%о с равномерной скоростью 40 км/ч возникали кратковременные перегрузки тяговых двигателей (ток якоря достигал 600 А в течение 1-2 мин.). В этом случае электровозом при коэффициенте регулирования возбуждения 1,3 реализовывался максимальный коэффициент тяги, представляющий собой отношение развиваемой силы тяги к сцепному весу, равный 0,28. По сравнению с расчетным режимом последовательного возбуждения это соответствует его увеличению на 10-11%.

Рис. 20-0сциллограмма процесса перегруппировок П-СП при усиленном возбуждении двигателей

Рис. 21-Осциллограмма процесса размагничивания группы двигателей при усиленном возбуждении

Таким образом, эксплуатационные испытания опытного электровоза со схемой усиленного возбуждения тяговых двигателей током якорей подтвердили возможность увеличения его силы тяги и улучшение противобоксовочных свойств.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований позволили сделать следующие выводы:

1. Установлено, что усиление возбуждения током якорей дает возможность реализовывать тяговые характеристики, идентичные характеристикам тяговых двигателей при последовательно-независимом и независимом возбуждении;

2. Опытным путем подтверждено увеличение до 15-17% развиваемой электровозом силы тяги при улучшении его противобоксовочных свойств за счет повышения жесткости тяговых характеристик;

3. Получено значение реализуемого опытным электровозом коэффициента тяги, которое составило 0,28, что по сравнению с расчетным режимом последовательного возбуждения выше на 10-11%;

4. Предложено для уменьшения разности токов двух параллельных ветвей обмоток якорей включение в их цепь стабилизирующих резисторов, раздельное по группам регулирование тока возбуждения, импульсное регулирование напряжения каждой группы тяговых двигателей в отдельности;

5. Определена амплитуда пульсаций тока в цепи якорей при импульсном регулировании сопротивления резистора шунтирующей обмотки возбуждения цепи с частотой 400 Гц, которая не превышает 20 А, что, по сравнению с системой импульсного регулирования напряжения, существенно улучшает массо-габаритные показатели входного фильтра и снижает его стоимость;

6. Показано, что продолжительность работы электровоза в режиме усиленного возбуждения тяговых двигателей ограничивается нагревом обмоток главных полюсов и может составлять не более 25-30 мин. в зависимости от

нагрузки.

Основные положения диссертации опубликованы

в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Баранов В.А. Использование магистральных электровозов постоянного тока в условиях горных предприятий // Горное оборудование и электромеханика, 2010, №11. с. 9-13.

2. Баранов В .А. Совершенствование электрооборудования электропоездов с коллекторным тяговым приводом // Вестник ВЭлНИИ: науч. изд. / ОАО «Всерос. н.-и. и проектно-конструк. ин-т. электровозостроения» (ОАО «ВЭлНИИ»).- Новочеркасск, 2010. - №2 (60). с. 147-154.

3. Баранов В.А., Мазнев A.C. Импульсное регулирование в цепях тяговых двигателей при последовательно-независимом возбуждении // Электроника и электрооборудование транспорта, 2011, №2-3. с. 37-40.

4. Мазнев A.C., Калинин М.В., Калинина A.A., Баранов В.А. Расчет пульсаций тока тяговых двигателей при последовательно-независимом возбуждении в многофазной схеме импульсного регулирования напряжения // Электроника и электрооборудование транспорта, 2011, №5-6. с. 40-42.

в других научных изданиях:

1. Баранов В.А. Математическое моделирование электромагнитных процессов в силовой цепи электровоза постоянного тока при последовательно-независимом возбуждении тяговых двигателей // Вестник ВНИИЖТ, 2009, №2. с. 43-47.

2. Баранов В.А. Последовательно-независимое возбуждение тяговых двигателей магистральных электровозов постоянного тока // Вестник ВЭлНИИ: науч. изд. / ОАО «Всерос. н.-и. и проектно-конструк. ин-т. электровозостроения» (ОАО «ВЭлНИИ»).-Новочеркасск, 2009. - №1 (57). с. 170-177.

3. Баранов В.А. Импульсное регулирование при последовательно-независимом возбуждении тяговых двигателей электровозов постоянного тока // Вестник ВЭлНИИ: науч. изд. / ОАО «Всерос. н.-и. и проектно-конструк. ин-т. электровозостроения»

(ОАО «ВЭлНИИ»).- Новочеркасск, 2009. - №2 (58). с. 187-194.

4. Баранов В.А. Улучшение тяговых свойств электровозов постоянного тока // Вестник ВНИИЖТ, 2008, №6. с. 29-32.

5. Мазнев A.C., Баранов В.А. Использование электровозов BJI10 для нужд промышленного транспорта // Известия ПГУПС, 2008, №4. с. 62-72.

6. Мазнев A.C., Баранов В.А., Богдан A.A. Тяговые характеристики электровозов BJI10 в режиме усиленного возбуждения // Известия ПГУПС, 2007, №2. с. 62-69.

7. Баранов В.А. Последовательно-независимое возбуждение тяговых двигателей электровозов постоянного тока // Тезисы докладов научно-технической конференции

"Неделя науки- 2008", ПГУПС, С.-Пб, 2008. с. 112-113.

патенты:

1. Устройство регулирования скорости электроподвижного состава: пат. 76293 Рос. Федерация: МПКВ 60 L 15/00 / Мазнев А. С., Баранов В.А.; заявитель и патентообладатель Петербургский гос. ун-т путей сообщ.-№ 2008119986/22; заявл. 20.05.08; опубл. 20.09.08, бюл. № 26.

2. Устройство регулирования скорости электроподвижного состава: пат. 79496 Рос. Федерация: МПК В 60 Ь 15/04 / Баранов В.А., Мазнев А. С.; заявитель и патентообладатель Петербургский гос. ун-т путей сообщ.-№ 2008132031/22; заявл. 04.08.08; опубл. 10.01.09, бюл. № 1.

3. Устройство регулирования скорости электроподвижного состава: пат. 86150 Рос. Федерация: МПК В 60 Ь 15/04 / Мазнев А. С., Баранов В.А.; заявитель и патентообладатель Петербургский гос. ун-т путей сообщ.-№ 2009117877/22; заявл. 12.05.09; опубл. 27.08.09, бюл. № 24.

4. Устройство регулирования скорости электроподвижного состава: пат. 97302 Рос. Федерация: МПК В 60 Ь 15/04 / Баранов В.А., Мазнев А. С.; заявитель и патентообладатель Петербургский гос. ун-т путей сообщ.-№ 2010113639/11; заявл. 07.04.10; опубл. 10.09.10, бюл. № 25.

Личный вклад соискателя в работы, опубликованные в соавторстве, состоит в расчете характеристик тяговых двигателей [5,6] при регулировании коэффициента возбуждения и разработке схемо-технических решений [3,4] в объеме 60%.

Автор выражает искреннюю благодарность коллективу железнодорожного цеха ОАО "Апатит", оказавшему значительную помощь при подготовке и проведении испытаний.

Баранов Валерий Александрович

УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД МАГИСТРАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА ДЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА УЧАСТКАХ С ТРУДНЫМ ПРОФИЛЕМ

Автореферат

Подписано в печать 15.12.2011. Формат 60x84 '/i6. Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 48-3981.

Отпечатано в ИД «Политехник» 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132, тел., факс (8635)25-53-03

61 12-5/1816

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

си

УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД МАГИСТРАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА ДЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА УЧАСТКАХ С ТРУДНЫМ ПРОФИЛЕМ

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

на соискание ученой степени кандидата технических наук

БАРАНОВ Валерий Александрович

ДИССЕРТАЦИЯ

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Мазнев А.С.

Санкт-Петербург

2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

4

1 ВЛИЯНИЕ УСИЛЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА 10

1.1 Схемные решения систем усиления возбуждения тяговых двигателей электровозов 13

1.2 Характеристики электровоза при усиленном возбуждении 23

1.3 Применение накопителей энергии в цепях возбуждения 26

1.4 Схемно-параметрический способ усиления возбуждения при импульсном регулировании 30 Выводы по первой главе 34

2 ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР СХЕМНЫХ РЕШЕНИЙ УСИЛЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА 35

2.1 Усиление возбуждения тяговых двигателей током якорей 36

2.2 Характеристики электровоза ВЛ10 при усиленном возбуждении тяговых двигателей 40

2.3 Применение импульсного регулирования в цепях возбуждения 45 Выводы по второй главе 71

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЦЕПЯХ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ УСИЛЕННОМ ВОЗБУЖДЕНИИ

3.1 Условия работы тяговых двигателей 72

3.2 Математическая модель силовой цепи электровоза 73

3.3 Результаты моделирования 78

3.3.1 Прекращение - восстановление питания тяговых двигателей 79

3.3.2 Изменение напряжения на токоприемнике 81

3.3.3 Перегруппировка двигателей 82 3.4 Тепловой режим работы тяговых двигателей 87

Выводы по третьей главе 89

4 ИСПЫТАНИЯ СИСТЕМЫ УСИЛЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ТОКОМ ЯКОРЕЙ

4.1 Исследования на физической модели электровоза 90

4.2 Испытания опытного электровоза ВЛ10У 93

4.2.1 Измерительные средства 102

4.2.2 Результаты испытаний опытного электровоза 106 Выводы по четвертой главе 120

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 121

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 122

ПРИЛОЖЕНИЕ А 123

ПРИЛОЖЕНИЕ Б 125

ПРИЛОЖЕНИЕ В 126

ПРИЛОЖЕНИЕ Г 127

ПРИЛОЖЕНИЕ Д 128

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 129

ВВЕДЕНИЕ

Промышленный железнодорожный транспорт выполняет перевозки грузов на территории предприятий и осуществляет доставку сырья от мест его добычи к местам переработки [60]. Развернутая длина путей промышленного транспорта Российской Федерации составляет 71% длины линий общего пользования, а выполняемый объем перевозок почти в 3 раза превышает этот показатель для магистрального железнодорожного транспорта [25].

Работа промышленного транспорта характеризуется более тяжелыми эксплуатационными условиями. Его особенностью является достаточно низкая, по сравнению с магистральным, скорость движения, в основном не превышающая 40-50 км/ч. Поезда при этом имеют достаточно большую массу, часто близкую к нормам магистральных железных дорог. В качестве тягового подвижного состава могут используются тяговые агрегаты (ОПЭ1, ПЭ2М, НП1), тепловозы, электровозы отечественного (серии ВЛ41, НПМ2), и зарубежного производства (серии ЕЬ) [82,86].

На сегодняшний день технические средства промышленного железнодорожного транспорта морально устарели, практически полностью выработали свой эксплуатационный ресурс и нуждаются в замене. При значительных эксплуатационных расстояниях и достаточно больших объемах перевозок в качестве тягового подвижного состава могут применяться магистральные локомотивы, которые имеют малую осевую нагрузку (23-25 тс/ось) и высокую расчетную скорость движения (около 50 км/ч), что приводит к неполному использованию их мощности.

В настоящее время указанные магистральные локомотивы эксплуатируются в ОАО "Апатит" на участках с уклонами до 30%о и кривыми малого радиуса, расположенных в том числе, на подъемах. В верхнем строении пути уложены рельсы типа Р65 на деревянных и железобетонных шпалах и щебеночном балласте. Установленная скорость движения составляет 40 км/ч, а на отдельных участках - 25 км/ч. Рудовозные поезда состоят из 25 шестиосных думпкаров грузоподъемностью 105 т. Масса порожнего состава - 1250 т, а груженого - 3900 т. Перевозки осуществляются магистральными электровозами серий ВЛ10, ВЛ10У и ВЛ15А.

Железнодорожный транспорт обеспечивает основную долю перевозок грузов. Экономическая эффективность его работы определяется уровнем эксплуатационных расходов, снижение которых является одной из важнейших задач. Для ее решения необходимо более эффективное использование технических средств, пропускной и провозной способности, что можно достичь за счет увеличения массы поездов [38-40]. Это, в свою очередь, кроме удлинения станционных путей, требует использования более мощных локомотивов или применения кратной тяги.

На магистральных линиях железных дорог существуют участки с трудным профилем, наличие которых приводит к снижению величины унифицированной массы поезда на направлении. Ее увеличение при одиночной тяге и отсутствии подталкивания возможно только за счет улучшения тяговых свойств эксплуатируемых локомотивов, имеющих достаточно большую мощность. Поэтому дальнейшее увеличение критической массы поездов на участке до величины унифицированной нормы конкретного направления зачастую ограничено силой сцепления, а также прочностью автосцепки [14,41,78]. На напряженных участках

локомотивы работают в интенсивном режиме [41]. Следствием этого является повышенная повреждаемость узлов и агрегатов локомотивов (электрические машины и механическая часть), что требует дополнительных затрат на их восстановление.

Для повышения эффективности использования тяговых свойств

магистральных электровозов в условиях ограниченной скорости движения и изменяющегося в широких пределах коэффициента сцепления необходима разработка мер, позволяющих решить поставленную задачу. Одной из таковых является увеличение жесткости тяговых характеристик локомотива.

В настоящее время существующие серии электровозов постоянного тока, такие как ВЛ10, ВЛ11, ВЛ15 всех индексов, практически полностью выработали свой ресурс и морально устарели. Возможность их полной замены в короткий срок на локомотивы других серий отсутствует. В результате увеличение объемов перевозок привело к достаточно сложной ситуации с обеспечением электровозами постоянного тока на сети дорог [38,39,43].

Для решения данной проблемы ОАО «РЖД» в 2003-2004 гг. разработало программы создания и освоения производства нового подвижного состава на перспективу.

В настоящее время сформированы основные требования к тяговому подвижному составу нового поколения: улучшение тяговых свойств на 15-20%, экономия энергоресурсов на 10-15%, повышение КПД электровозов постоянного тока до 90%.

Создание нового тягового подвижного состава с использованием современных достижений локомотивостроения позволит обеспечить высокие потребительские качества, а универсальность — возможность его

использования в изменяющихся условиях перевозок. Преимущества нового подвижного состава должны обеспечивать существенное повышение надежности, производительности и сокращение эксплуатационных расходов [18].

Вместе с тем, результаты исследований, выполненных ВНИИЖТ, подтверждают слабые преимущества тягового подвижного состава с асинхронным тяговым приводом в условиях Российских железных дорог. В результате в настоящее время разработана и принята следующая стратегия развития электроподвижного состава (ЭПС), состоящая из трех этапов:

• создание и освоение производства подвижного состава с коллекторными двигателями;

• разработка опытных образцов ЭПС с асинхронным тяговым приводом;

• в случае успешной эксплуатации опытных образцов ЭПС с асинхронным тяговым приводом дальнейшее его внедрение на локомотивах и моторвагонном подвижном составе [76].

С учетом вышеизложенного, цель настоящей работы состоит в улучшении тяговых свойств магистральных электровозов постоянного тока в условиях работы на промышленных предприятиях, а также на участках железных дорог с трудным профилем за счет регулирования жесткости их характеристик.

Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:

• определены факторы, влияющие на реализацию электровозом максимальной силы тяги в условиях ограниченной скорости движения;

• выполнен анализ существующих способов питания обмоток возбуждения тяговых двигателей и оценено их влияние на характеристики локомотива;

• для усиления возбуждения разработан способ использования суммы токов якорей смежных параллельных ветвей;

• выполнен расчет тяговых характеристик электровоза при регулировании тока возбуждения статическим преобразователем;

• проанализировано влияние разных способов регулирования возбуждения тяговых двигателей на работу электрооборудования локомотива;

• выполнены экспериментальные исследования на лабораторном стенде, состоящем из двух тяговых двигателей мощностью 55 кВт и маховика;

• проведены эксплуатационные испытания опытного электровоза ВЛ10У-580 при следовании с поездами на участках ОАО "Апатит".

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основе обзора существующих способов и систем усиления возбуждения тяговых двигателей предложено техническое решение, обеспечивающее реализацию указанного режима без использования дополнительных источников питания;

2. Разработаны и обоснованы схемотехнические решения, позволяющие осуществлять управление жесткостью тяговых характеристик электровоза, а также определена область их эффективного использования;

3. Выявлены факторы, влияющие на эффективность использования магистральных электровозов постоянного тока в условиях работы на промышленных предприятиях, а также на участках железных дорог с тяжелым профилем;

4. Разработана математическая модель, позволяющая исследовать установившиеся и нестационарные режимы в силовой цепи опытного электровоза, вызванные изменением величины питающего напряжения (в т.ч. полным его прекращением) и перегруппировкой двигателей при разных способах их возбуждения;

5. Предложена методика определения величины пульсаций тока якорей тяговых двигателей в режиме усиленного возбуждения при импульсном регулировании сопротивления шунтирующей цепи;

6. Оценена эффективность предложенных рекомендаций по устранению разности токов параллельных ветвей групп якорей тяговых двигателей за счет регулирования возбуждения и величины сопротивления стабилизирующих резисторов.

Практическая ценность. Результаты работы были использованы при модернизации магистральных электровозов постоянного тока для улучшения их тяговых свойств при эксплуатации в условиях ОАО "Апатит", а также могут быть применены на участках магистральных железных дорог с трудным профилем.

По результатам диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, получено 4 патента на полезные модели.

1. ВЛИЯНИЕ УСИЛЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Недостатки ЭПС постоянного тока известны: потери в пуско-регулирующей аппаратуре, необходимость перегруппировок двигателей, малое число ходовых позиций, броски тока при перегруппировках, склонность к разносному боксованию, сложность реализации электродинамического торможения, морально устаревшая система управления [37,53,70].

На отечественных магистральных электровозах в качестве тяговых используются двигатели постоянного тока последовательного возбуждения, имеющие "мягкую" характеристику. Поэтому в случае срыва сцепления колеса с рельсом боксование может принять характер разносного, особенно при последовательном соединении двигателей. Однако, несмотря на данный недостаток, по сравнению с двигателями независимого возбуждения, они обладают рядом преимуществ, к которым можно отнести равномерное распределение тока по параллельным ветвям, а также его меньшие изменения при колебаниях напряжения в контактной сети.

На характер сцепления влияют многие факторы, носящие случайный характер. Важнейшими из них являются погодные условия, состояние верхнего строения пути, степень износа колесных пар и рельсов. Как показали исследования [20,31,41,42,45,65], коэффициент сцепления при реализации силы тяги изменяется в достаточно широких пределах: от 0,46 (максимальный) до 0,2 и ниже (при влажных рельсах). На его величину помимо внешних факторов существенно влияют особенности механической части и способа регулирования силы тяги данной серии локомотивов, а также профиль и диаметр бандажа колесной пары. При движении по неровностям

пути происходят разгрузки колесных пар, достигающие в динамике 25-30% при их продолжительности 0,02-0,03 с, которые также могут стать причиной возникновения боксования.

После превышения скоростью упругого скольжения колесной пары критического значения, равного около 1-2% скорости поступательного движения локомотива, происходит срыв сцепления [32]. Процесс боксования колесных пар локомотива (особенно при трогании с места) представляет существенную опасность и требует дополнительных затрат на устранение его последствий. В случае срыва сцепления при реализации наибольшей силы тяги происходит значительный ее "провал", что вызывает появление больших продольно-динамических реакций в составе поезда и в некоторых случаях может стать причиной его обрыва. При реализации максимальной силы тяги часто имеет место перемежающееся боксование, которое в случае непринятия мер по его прекращению, может постепенно принять характер разносного.

Помимо различных случайных факторов на реализацию силы тяги существенно влияют и особенности конструкции механической части локомотива. Так, на грузовых электровозах постоянного тока серий ВЛ10, ВЛ11 всех индексов передача тяговых и тормозных усилий от рамы кузова на раму тележки осуществлялась при помощи шаровой связи. Для компенсации опрокидывающего момента, возникающего при реализации силы тяги, используется противоразгрузочное устройство. На более поздних сериях электровозов, таких как ВЛ15, ВЛ65, ВЛ85, ЭП1 соединение тележек с кузовом в продольном направлении выполнено при помощи наклонных тяг.

Экспериментально установлено, что в экипаже с наклонными тягами достигается большее значение статического коэффициента сцепления, а также отсутствуют лимитирующие оси по условию развития боксования из-за уменьшения вертикальной осевой нагрузки. Однако, в экипаже с

наклонными тягами наиболее вероятно возникновение синхронного боксования.

По результатам расчетов, выполненных во ВНИИЖТ, установлено, что при реализации значительных сил тяги наблюдается улучшение тяговых свойств локомотивов с наклонными тягами, позволяющими выровнять распределение вертикальных нагрузок [16].

Применение в качестве противобоксовочного средства песка приводит к быстрому засорению балластного слоя и требует сложной и дорогостоящей его очистки, а также увеличивает основное сопротивление движению. Поэтому требуется более широко использовать электрические средства повышения сцепления [65].

Наибольшую жесткость характеристик имеют двигатели независимого возбуждения [21,52,71]. Локомотив с такими двигателями менее склонен к боксованию и реализует большую силу тяги. Однако существенным недостатком данного способа возбуждения является значительная неравномерность распределения тока по параллельным ветвям тяговых двигателей.

Создание более современного ЭПС требует значительных затрат, связанных в частности с необходимостью модернизации смежных систем (электроснабжения, СЦБ и связи), а также ремонтной базы [56,57]. Другой путь улучшения использования ЭПС - его модернизация, предпосылки к которой существуют и которая может быть достаточно просто реализована.

Известно, что основным недостатком электровозов постоянного тока является наличие лишь трех ступеней регулирования питающего тяговые двигатели напряжения, определяемых их группировкой. Поэтому для улучшения тяговых свойств единственным путем является регулирование возбуждения и управление жесткости тяговых характеристик.

1.1 Схемные решения систем усиления возбуждения тяговых двигателей электровозов

Тяговые, сцепные и противобоксовочные свойства электровоза с двигателями последовательного возбуждения можно улучшить, сохранив основные достоинства каждого способа возбуждения.

В настоящее время в качестве тяговых становится актуальным применение двигателей постоянного тока независимого и смешанного возбуждения, т.к. по сравнению с двигателями последовательного возбуждения они имеют большую жесткость харак