автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Возмущающие воздействия со стороны асинхронного тягового двигателя на привод маневрового тепловоза

91« 011

. , до ®

На правах рунописи

ИВАХИН Александр Иванович

ВОЗМУЩАЮЩИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ СО СТОРОНЫ АСИНХРОННОГО ТЯГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ПРИВОД МАНЕВРОВОГО ТЕПЛОВОЗА

05.22.07 Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Брянск-1996

ívvlorj >«••::? !.•■•.• о Г.; ..

.-.-■ii-'i-cos КЛМАЕЗ Hay*.-.:.' г-»1 ¿кг• «ajy,

С.h Г-ОРОЬЬЕЬ С-4 ч—сглос.,;..!- ¿3m¿>TWitMSCnuc

ЛС. ЕЕС1 ÍV.70C • is^vair Тлалмо»;«

8.3. ПИТСВЧЕНКО

Essju;,« íys^wírv.j - АС

î^.'taCwTCiK.-! ' ? " : • •-.-'■ t 10SI ttsßl S 4¿C«i

г. ■ ?í-«»С ю £чсс?тац-.»:«,сго tuvua Д CS3.28.0i &яж»ся»

'.О-ГиТ.иОлТ;-.;;,, T.

v;,>¡cos;.-T&4..~-; CJ -г.»мис; aСь&гистсквСрлисийгагосударств .ото

vw-i.-. v..

»i ¿,-TC.pîîiî «__»_ J

/ОПТ/- O

&«сертгцлом|+сто соьсп ¡^/(уЛ,!^1^' ^ П.Тихомлроз

ОЕЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА Л.БСТУ

Актуальность. Одма; из ваянеЯ'лих Пу?ей по видения эффективности перспективных локомотивов является применение- в гягоссм приводе асинхронных эле ктрод в и гаг еле й с ксротхозалгньуты; ротором (АД).

Для создания надежного асинхронного тягового привода (АТТ7) необходимо учитывать различнье факторы, касакциеся как его электрической, так и механической частей, реоать вопросы взаимодействия всех элементов привода. К числу наиболее важных вопросов относится задача исследования динамических процессов, происходящих в АТП, цель которой заключается в выявлении ссновиъх воз-мущакщих факторов, дейс'ТЕувг^х на привод, их влияния на ку, в поиске возможных путей снижения воздействия, вщаче реуо-мендациЯ и методик для разработки АТП.

■ В работе маневрового тепловоза преобладает режимы, связные с частьми переходньми процессами, с многократно повторяю-впмися троганием и разгоном. Преимущественными являются скорости движения из диапазона 0...10 км/ч.

Для обеспечения требуемой надежности АТП маневрового тепловоза необходим учет возмущающего воздействия на элемента привода со стороны вала АД, результаты теоретических и экспериментальных исследований которого в указанные въае режимах изложены в настоящей работе.

Цель и задачи работы. Целью работы является определение качественных и количественных показателей возмуча:с:ц8го воздействия со стороны вала АД на тяговкЯ привод маневрового тепловоза в различиях режимах работу, а также предложение новъх технические реаенкЯ, снижающих переменную составлявшую крутящем «сух-н-

п:а двигателя..

Поставленная цель достигается решенном следуюцих задач:

- разработка методики расчета электромагнитного момента частотноуправляеыого асинхронного двигателя, учитывающей дискретность активной зоны АД;

- разработка и создание электродинамической модели АТП тепловоза;

- определение качественных к количественна показателей возмущения со стороны вала АД на тягоъьй привод тепловоза б различных режимах работы;

- экспериментальная проверь' результатов расчета электро-•кагнитного момента АН, шгаасвргосу. ке. жусопдальниг напряжение (током);

- оценка возможных путей скк ¡¡ия пул-.сачки крутящего момента двигателя.

Методика исследования. 3 '•¡•пользованы теоретически

и экспериментальные методы ксс::* -.'ж-,... 3. П.-и репении теореткче ких задач использованы методы г-э» ¿.и: ¿.'ектр^чзсккх капай, рас* та динашческих показателей злектрзярйьода тепловоза, числеюа методы решения дифференциальных уравнений. Расчеты выполнялись на современной ЯЭЕЫ типа 1Е£. Экспериментальные исследована проводились в условиях лаборатории университета на физической модели привода, разработанной на основе методов теории подобия и моделирования.

Нг.учкан новизна.

I. Разработана математическая Модель пирокого применения асинхронного ткгсзого привода тепловоза, позволяющая исследова элеироиагнитныа момент АД в различных рекймах работы при лита нии его кесинусоидальнш напряжение« (током) от статического

пре0бра50»а-:едк час: усы {-ЯРО.

>

2. Получены регрессионные модели возмущающего воздействия со стороны АД на тягобьй привод тепловоза в реяадае пуска при различных законах управления СПЧ, позволяющие с достаточной степенью точности прогнозировать динамические качества А'ГП.

3. Установлены амплитудные значения и характер знакопеременного ударного момента АД в аварийном режиме (опрокидывания инвертора) при питании двигателя от автономного инвертора тока (AÍ-ГГ) и напряжения (АИН).

4. Предложены способы снижения зозмущашцего воздействия со стороны тягового двигателя на привод путем применения в АД дугового статора, позволявауге снизить величину относительной пульсации момента до 4 % и увеличить частоту следования пульсаций

до значений, превызаших низ'дие собственна частоты АТП.

Практическое значение.■ Результаты работы приняты для использования при разработке маневрового тепловоза с AHI на АО "Лзодиновский тепловозостроительный завод".

Предложенные способы снижения пульсаций момента АД могут быть применены для создания новых типов тяговых двигателей и AHI с улучсенньми динаиическкни свойствами.

Апробация. Диссертационная работа обсуждалась на расширенном заседании кафедры "Локомотивы" БГТУ в 1996 году. Основные результаты работы доложены на III Всесоюзной конференции "Проблемы развития локомотивостроения" (Луганск, 1990 г.), V21 конференции "Проблемы механики железнодорожного транспорта" (Днепропетровск, 1992 г.), международной конференция^'Состояние и перспективы развития локомотивостроения" (Новочеркасск. 1994 г.), пятьдесят третьей научной конференции-профессорско-преподавательско-

ro cocTCüa ЕПУ

(19W г,).

Публикации. По результатам исследований опубликовано S печатная работ.

Структура v объем саботы. Диссертация состоит из введения, четырех глас, общих выводов, списка литературы и приложения. Г.злсжена на 187 страницах, включая рисунки и таблицы.

Библиография. Список использованной литературы содержит 118 наименований.

• СОДЕНШИЕ РАБОТЫ

Глава I. Анализ состояния вопроса и задачи исследований

Одним из направлений развития локомотивостроения является переход на бесколлекторнье, в частности,асинхронные тяговые двигатели, которые по сравнению с используемыми в настоящее время коллекторными двигателя).!« обладают следующими основнши преимуществами:

- увеличение в 2...2,5 раза удельной мощности.;

- повшение m 1*5...2 % коэффициента полезного действия;

- снижение на 50 % стоимости и расходов на содержание.

Применение АД в качестве тяговых стало возможным после создания СПЧ. Однако в этом случае на валу АД имеет место пульсация крутящего момента, обусловленная ступенчатой формой питающего напряжения Стока). Таким образок, на механическую часть АТП помимо возмущающих факторов от пути действует и возмущение со стороны вала двигателя. Исследованию динамики тягового привода при наличии возмущений со стороны пути посвящено большое количество работ, заполненных учекилк И. Б. Бирюковым, А -11. Ееляевьм,

А.С.£встраговыл, М.Я.Суздальцевш, В.И. Иьаноаьы, В. А.Герасимовым, А.П.Павленко, Е.П.Елбаевьм, А.Гюгом, М.ПаЕличекбм и др.

Исследования проводились для случая, когда в качестве тягового двигателя использовались электрические машины постоянного тока.

Реализация на тепловозах электрической передачи переменного тока связана с решением двух взаимосвязанных проблем: созданием надежно работаю:цих СПЧ и систем регулирования АД; разработкой механической части привода с учетом возмущений как со стороны пути, так и со стороны вала ротора двигателя.

Над разработкой СПЧ, систем управления и автоматического регулирования работают коллектизы ЛГУПС, ЭДШТа, ШИТИ, ЕЭлНИИ, МГУПС, МЭУ, НИИ заЕОда "Электротялзлаш" и других организаций.

БольаоП вклад в разработку теории и решение задач частотно-управляемого привода с асинхронными электродвигателями внесли учение: И.П.Костенко, А.Е.Алексеев, А.Т.Бурков, Ю.Г.Толстов, Я.Ю.Пармас, А.С.Цурбасов, Е.Н.Тихмекев, В.А.Еубенко, В.В.Шумейко, В.В. Литовченко,' Д.Л.Киржнер, Р.Вагнер, Р.Рот, В.Рунге, й.Кёрбер и др..

Имеется ряд теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследование работы асинхронного электродвигателя при ' питании несииусонцальньн напряжением. Показано, что в области низких частот напряжения питания при. законах' управления СПЧ X = 160-f эл.град, \ = 150 эл. град, и Л ■* 120 эл.град, пульсации момента на валу АД могут достигать 20 и более процентов-от его среднего значения.

Применительно к АТП Локомотива область**М1зких частот соответствует режимам пуска, разгона и движения с низкими скоростями, наиболее характерная для работы маневровых тепловозов.

В практике мирового локомотнэосгроеьия получили распрсстра-

1/<<М|1<п нпл ГПУ «а тц<"Л«1л»х л пй^.Ч г'ллг^мп? млплтц

соответственно автономныг инверторы напряжения и тока.

{'заветно, что в кривой фазного напряжения содержатся выс-□ие гармоники ряда V « б к - 1 (к > 0( 1, 2, 3,...). Б ряде работ показано, что пульсация электромагнитного момента возникает, в основном, вследствие взаимодействия силового магниткогс поля первой гармоники с токами высших гармоник ротора, и что наиболее существенными являются переменные моменты, образуемые пятой и седьмой гармониками тока.

Для снижения амплитуды высших гармоник напряжения (тока) ( следовательно, для уменьшения переданного момента при пуске на локомотивах применяют АТП с исполгаовакмек в выходном эвене СП* автономных инверторов с широтно-кмпудьеиой модуляцией (ШИМ). Однако введение в преобразователь частота ШМ наряду с его услс нением снижает КОД электропривода, поэтому гллрос о массовок применении такого варианта СПЧ поке из решек.

В настоящее время опубликовано небояьоое количество работ (работы '¿.В.Львова, В.А.Еарова, А.Л.Павленко, В.И.Воробьева, А.Т.Еуркова), в которых сделана рог.игка рассмотреть динамику АТП с учетом взаимодействия его энергетической и механической частей. Хииь в отдельных работах проведена оценка динамических качеств тягового привода локомотива с подачей на него возмущающего воздействия со сторону АД, полученного экспериментально ' или расчетаьм путем с усреднением дискретных свойств активной зены двигателя.

Пульсирующий момент, являясь входная розмущагсщим воздействием, мотет привести к значительном осложнениям в работе механической части тягоеого приьода, к резонаненш явлениям в систе 1-е лриьода и, как следствие, к многократному увеличению динамических иагрузох-на его элементы.

«

Для гтап работы ъл-чсврсЕзго тепловоза хграктернь- частое переходные процессы, многократно повторяющиеся трогание ;t разгон, преимущественные скорости двтения 0...10 км/ч, на которых наблюдается значительная пульсация крутящего момента АД.

Цельо реферируемой работу было определение качественных и количественных показателей возмущающего воздействия со стороны вала АД на сягозый привод маневрового тепловоза в различных ре-кгз/дх работк, a такяе предложение но а их технически решения, сшг-ающ:::: перекенцуэ составляющую крутящего момента двигателя.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- разработка методики расчета электромагнитного момента частотноупрзвляеыого асинхронного двигателя, учитывающей дискретность активной зоны АД;

- разработка создание электродинамической модели АТП тепловоза;

- определеиле качественных и количественных показателей зозц/щенип со стороны вала АД на тяговый привод тепловоза;

- зкепергаенталькая проьерка результатов расчета электромагнитного момента АД, питающегося иесинусоидальнш напряжением (током);

- оценка возможных путей снижения пульсации крутящего момента двигателя.

Глава 2. Разработка методики расчет?, электромагнитного ыомента асинхронного тягового двигатзля, питающегося от статического преобразователя частоты

При разработке катематическоЯ модели AHI были учтены факторы, наиболее существенно вяиятадаг на дшш-аку привода э режимах пуска и разгона, а именно: нескнусокдальность питающего асин-

хрониьй тяг о г,1-й двигатель (А1Д/ напрясения Сто«); дискретность активной зоны двигателя.

Б связи с этга были сделаны следуйте допущения: СПЧ является источником напряжения (тока) произвольной формы бесконечно больсой мощности; механическая нагрузка является абсолютно жесткой системой с сосредоточенной ыасссТ:; насыщением стали пренебрегаем (хотя аоз-можеи з:вазиставдон£.рнкЗ учет каеьзцекия).

В качеств математической- моде*;: ДТП принята система уравнений движения привода в переменных состояния к с АТД, представленные :«ак индуктивный мнсгополюсньй элемент, параметры которого определяются методой проводимостей Рубцовых контуров (ШЗК).

Пр;: принятых допущениях система дифференциальных уравнения движения привода будет состоять га уравнений электрического и уехак-чесазго равновесия:

77 йШ/В = № - й/ЧКЛ! , (I)

где , 1/1! , и й/*11 - соответственно хожурньз изцун-тивкостк, токи, источники ЭДС и сопротивления, записанные в блочной ш.трлчной форме к относящиеся к электрический контурам статора к ротора;

^ = > (2)

где J - момент инерции всех касс, приведенных к валу АД;

СО - угловая скорость вращения ротора; М2 - электромагнитный иомент двигателя;

Мь ~ внешний тормозной комент;

= и , (3)

где у - угол.поворота ротора.

Электромагнитный момент определялся как частная пта^овод-

нал от энергии магния ого поля по у г ¡.у ротор1

А/ — ^ ;!/П". д'Ш/и ...

ПЗ - 7 8/:! • ----. (4)

~ . а у .

-В соответствии с методов ПЗК электрическая кабина рассматривается как система индуктивно сгязанкьт: кату-яок, расположенных вблизи ферромагнитных тел. При этом слотшые обмотки разбиваются на отделып'е смежные контуры, ох^атквзкщне зубцу машины. Так, обмотки АТД имеют Е-г контуров статора и 1г контуров ротора (где и сг - соответственно число зубцов статора и ротора). В этом случае магнитное полз в зазора масины создастся разностью скалярного магнитного потенциал* мсгду сердечниками статора и ротора и токами зубцов« контуров. Такта образом, по-токосцепления (ук контуров и поток через сердечник Ф пропорциональны контурньм токам ¿к и магнитному потенциалу (рн , т.е.

= ¿¿-¿\а (||Л/гл{1-!1/х|| + \\Ь$с\\-(рн), &

Ф = Д^/и» (||ЛмШ4 + \с ' (рн), (о)

где Её - эквивалентная длина воздушного зазора; ЦЛлсН -матрица коэффициентов взаимно? проводимости ( Л/- ) метду отдельной контурами, рассчитанных по потокосцеглению; -матрица коэффициентов взаимной проводимости ( Ау ) между эуб-цовъми контурами и сердечниками статора и ротора, рассчитанных по потокосцепленкз; ||/Аг*[| - матрица коэффициентов взаимной проводимости Ду) мсгду зубцовы<<н контурами и сердечниками статора и ротора, ра-ссдаты-так то потоку; Кс - коэффициент взагс/ной проводимости мегду' сердечниками статора к ротора (униполярная проводимость).

Элементе перечисленных матриц рассчитываются методом скалярного гагнитного потенциала при поочередном задании токоз контуров ;< потэнцкалп гл"Н'-":: едините и отсутттгчгл остальных. При

я?ои хоззфдаягнта kju определились путей интегрирования катнет кого потока по части поверхности сердечника, коэффициенты Л/ -по повержости всего сердечника, Кс - по поверхности всего сердечника лрл унилолярном соэбугдении.

Не основе 1.ШЗК к численного метода решения дкфференпиаль-ных уравнений Адаыса разработаны методика и алгоритм расчета динамического режима АТД» позволяющие, в частности, определять электромагнитный коыент двигателя при питании его несинусоидаль нш напряжением (током). "

Методика расчета электромагнитного момента заключается в реаекки системы дифуравнений (I... ч) при задании основных параметров ЛТП и напряжения (тока). При pit;: напряжение (ток) задается аналитически или в ьиде массива оычений в расчетные точках. Расчет производится в катрично? |op.ve. >Ьтр;щи ицдукткг-.ко-

3

стей обмоток двигателя ILB и иг ярс-юводкг-з -г- RLIi , необходимые для определения потокосцудгения йу.-S и электромагнитного момента двигателя Me ( рьсстатаватся на каэдоы саге интегрирования на основе матрицы л;-оюдкдастеЛ IIЛ В , полученной при помощи ШЗК.

Результаты исследований электромагнитного момента, и, следовательно, возхфпцающего воздействия со стороны АД на тяговъй привод тепловоза приведены в главе 4 настоящей работы.

Глава 3. Физическая модель частотноуправляемого асинхронного привода тепловоза

В энергетической цепи тепловоза с электрической передачей переменного тока и электромеханической системе его тягового при вода с асинхронным двигателями целесообразно моделировать сило вую часть, ,посколь5г/-кз-за большой установленной кстциости пере-

/ч^п.'рм^пголу.г" /. - услолн.чх

Требум? затраты Бр^К.ЖИ V СрСгДСгД.-

Что тсавтся аппаратуры систем астси<атичесяого регулирования (САР), те их следует вндзчать в модель з реальном виде. Это облегчает построение силовой части модели и позволяет избегать сснбск, которъе могут возникнуть при моделировании САР и СУ. Исходя из этого принципа на кафедре "Локомотивы" ЕГТУ при участии автора была создан?, физическая модель энергетической цегги и асинхронного тягового привода тепловоза (рис. I), содержащая гее физические звенья натурного образца.

Генераторная группа I, включающая сикхронньй генератор ZT с приводом АЛ, вырабатывает электроэнергию, поступакаую на статический преобразователь частоты 2. Регулируемое по амплитуде и частоте напряжение с выхода СПЧ поступает на электродвигатель 14, вал которого соединен через зубчат:.-!. редухтср 3 с колесной парой 5. Колесная пара 5 опираетел на катки 9, связаннье с маховиком 7, имитирующим массу поезда, а далее с нагрузочным устройством, включающим фрикционной тормоз б, нагрузочную малину 8 и моделирующим сопротивление движению поезда. Сила налатия колесной пары 5 на катки 9 регулируется с помощью винтовых пру-линвых устройств 4, позволяющих имитировать сцепной вес локомотива, приходящийся на колесну» пару. Генератор возмущений ' содержит электродвигатель 10, через редуктор II и кулачек 12 приводящий в движение толкатель-13. Имитация возмущения со стороны пути на привод определяется формой кулачка 12 и регулированием скорости вращения вала пригодного двигателя 10.

СПЧ содержит трехфазный зкпрямитель и два типа автономно икзертороз (Affi и АКТ)'с собственны;«! системами управления.

Модель асинхронного тягового двигателя. 3 настоящей габсте АД рассматривается как элемент электромеханической систсмъ..

1л

Рис. I. Общая схзш экспериментальной установки

моделирующий Еозмущ^ицее воздействие. Поп?с!.у при построении модели ДД использовано приближенное подобие. В качестве модели двигателя принята машина средней мощности общепромышленного назначения типа АО-62-4.

Для определения критериев подобия АД использован метод относительных единиц. В связи с эти?.: б гаи записаны уравнения для действующих значений величин, характеризующих работу г.ЕИгател;::

I/ -¿V

__д/__

(7)

ф=Ж_у_

СгШ 3 1/СТг

1/ гг ^

(8)

г-сгИ2

^ (б2-гдо- I/ - гок статора, 0 - :.<дгнитньй поток,

И - элсктроглгнитнхЛ

¿'етаноалены оскэвньз парг-тэтри, определяете протекание процесса: Г/ , - активное и индуктивнее сопротивления обмотки статора; г/ , Хг - принеденнке едткзиое и индуктивное сопротивления обкотки ротора; Ха - индуггтявкон•сопротивление памагничивагацзго контура; // , 1о - токи статора и наиагки-чивавцего контура; ./.г • - пригедеиньЯ ток ротора; щ ' - фазное напряжение статора; Ф - магннтньЯ поток; Л - частота, тока статора; (О/ - угловая скорость магнитного поля.

3 качестве независимых параибтров прнняту ток I , потоко-сцепление (У и угловая скорость , базовьзга величинами которых зыбраны'соответственно: 1з = 1т - номинальное значение тока фазы; (р& = (р.ц - номинальное потокосцепление; Ое =2ИС.

3 результата деления уравнений (7), (3) и (9) на соотзет-ствукщие им базовые величины независимых и зависимых параметров получена запись указанных уравнений в относительна единицах:

' «о

= у(II)

А * *

с

где а = А , л . , У = - по-змгтры, определя-

ем пя » с//*

сдие ргяпм ргбоги двигателя: отно'.т.гельиая частота напряжения питания а относительная частота тона ротора, относительное напряжение.

Уравнения (10), (II) и (12) является критериями подобия, и з случае полного подобия для подели и оригинала они идентичны, и позволяет осуществить пересчет результатов эксперимента на натурний образец. Так, зависимость для электромагнитного момента имеет гид

М20 • Vа ' Рмо {Ко, во)

У^М» Ч л , (13)

тм • Ун • Рим {ОСмфя)

где индексами Н и О обозначены величины, относящийся к ма-сине-модели и иааине-оригииалу.

Е случае приближенного моделирования необходимо произвести сценку погрешности эксперимента. При использовании в качестве оригинала тепловозного тягового двигателя ЭД-9С0 и при равенстве относительных параметров ( ¿Ъ~ Ум ) погрешность моделирования по величине среднего момента и его

.......-к _ . _ - __________ __________________ ..__. ______ ТЛ с/

отнисительми»! пульсации па. вгыу д^игагслп пс и^свшиы п л>.

При отсутствие подобия режимов работу ( <Х.от-<Хм, рэ т=/3м , УЪ -А у» ) погрешность возрастает.

Для проведения исследований разработана и изготовлена кг. основе магнитной системы двигателя типа ¿10-63-4 модель дугоста-тор!^.-1. машины с относительными активным углами дуг обмоток

статора = 0,444, а* « 0,333 и Я* «• 0,167.

¿'сдель механической .части привода. При моделировании механической части тягового привода. был использован способ неполного подобия и приняты следующее допущения: не учитывалось влияние сертикальных и боковых колебаний телекки на динамику привода; зазор в зубчатом зацеплении не моделировался.

Вывод критериев моделирования проводился методом анализа размерностей физических величин, определяющие процесс крутильных колебаний в приводе, а именно: массы ( т ), силы ( Р ), крутязего момента ( ), крутильной жесткости (С ), линейной скорости ( V ), момента инерции вра^аю^исся тел { J ), линейного размера С £ )» времени С Т ), модуля упругости материала ( £ ), мощности ( N ), угловой скорости (СО ), углового ускорения ( <1) ). В качестве основных размерно-незани-екмых величин приняты ГТ1 % I. п Т .

Определены выражения для критериев моделирования

ЗЬ-££; Зй--££;

ш-и т-и т'Сг '

; Я5 = 5Гб =

I ' * т

#? г

Выполнено преобразование критериев к индикаторам подобия с вводом соответствующих маситабных коэффициентов:

' Ст =.Сн• а; С)гСт-Сп-Си-, Сс Ст = Ст-с1;

С^'Ст - С1 ; С£-СгСг = Ст ;

Си-С? С»-Сг = Г; Си>-С? ~ { .

С учетом угасатаЗОБ С г = I и С/ ■ I подучены следующие соотношения «¿жду коэффициентами, м-ракенниз через Cl '•

£р — Ci ; C^CLj Ce — Cl; £V = ; Cl ; Cm ~ CL ;

C>/=Cl; Ccj= / ; Cd-1 .

При известной мощности модельного двигателя, учитывая, чт< - У Сn , ыскно определить остальные характеристики модели механической части привода.

Глава 4. Исследования возьущ^ощих воздействий со стороны асинхронного тягового двигателя на привод . маневрового тепловоза

Исследования динамических регищзв AHI г-шолнены путем рис-чета электромагнитного момента АД при питакии его нескнусолдал; нш капрякением (токои) при разные г иконах управления СПЧ, а также путем проведения экспериментаг кг. установке, рассмотренной в третьей глаге настоящей рсбэтк. Задачами; исследований являлись

1) определение качественных к количественных показателей возмущения со стороны вала АД на тяговый привод с целью представления их в математической форме;

2) определение влияния частоты тока ротора Í2 на велкчи:

n^uo^umo rrvwníf rT\rTn./»«*f»ví» % mito и»т»г» »» «тmi mo rr« K4 •

— »*•«< * VMU'.W.. Alj 4« Ui %f * * f

3) оценка якцггЕя на величину пульсации момента АД возмуц. ¡osero гоедейстаия «о- стороны железнодорожного пути;

4) определение величины ударного момента в аварийном реки: при пктенкл АД с.' JJÍ-i АИТ;

5) ^ззмущагссрго пзздейстп::. со сторона АД

тяговые приводы ианеоровке тс.олоезьзз;

о) оценка'восмогльх путей скккенкя пульсации крутящего момента-двигателя.

На первой этапе исследований выполнены расчеты электромагнитного момента ДЦ по методике, описанной во второй главе.

Исследован рекгаз пуска двигателя, в процессе которого былк определены качестиеинье а количественные показатели возмущения со стороны АД при питании его несинусоидальнш напряжением (то-кой) с пусковыми частотами fin я fi. с (0,5.. .1,3) Гц и действующими значениями тока фазы я (0,о 1<н ...l,Zlt» ), где 1«и - номинальное значение тока I/ . Напряжение (ток) задавались в веде массива значений в расчетньх точках в идеализированной форме.

В качестве примера на рис. 1П (приложение) показан расчетный электромагнитный момент двигателя АО-ъЗ-4, питающегося с? АКН с законом управления А. « 160-J' эл.град., fi » 0,5 Гц и h « 1,2/й* а 33 А.

Результаты расчетов показали полное соответствие качественной картины пульсация ?{0мзнта АД с результатами экспериментальных исследований. Погрешность расчетов по величше среднего момента и его относительной пульсации не превылала II %.

Второй гтал исследований заключался в проведении группы экспериментов на физической модели асинхронного тягового привода тепловоза.

Для выполнения поставленных задач программой испытаний предусмотрено определение пульсации момента АД при питании его от АКН с законами управления А = 180-f эл.град, и Л =» 150 эл.град, а таю»8 при питании от АИТ с законом Л « 120 эл.град.

Испытания проводились при следующих режимах:

тч >J

• I) г^лпше полного гормгженет вала двигателя;

2) резкие куска к разгона;

3) аварийном peas» (опрсь^кзангл инвертера).

Результату эксперимента показали, что аашйгеуда пульсации

момента на Banj' АД, обусловленная кесинусоздалькостью напряжения (тока) питания, зависит, главки образом, or частоты тока ротора гз (пусковой частоты f<n ) и величины тока статора If . При повшенки частоты г£ о? 0,5 Гц до 1,3 Hj и изменении тока h от 1,2 Ьм до 0,8/fW пульсащу* уменьшается

- при питании ДЦ от АЙН ( А » 130-у эл.град.) -от б И s 0,44 до dM = 0,10;

- при питании ДЦ от AKR ( А » 150 эл. град.) -от » 0,40 до дМ с 0,03;

- при питании ЛД от МП ( л. » 120 эл.град.) -от ЗИ » 0,57 до <Ш 8 0,11.

По результатам эксперимента. бгли полуцены регрзссконньа модели Bsaiysssspro всодейств:« со стороны ДД на т,~гови1 пр;;ь;:д тепловоза в реззе&з пуска при различных законах упреххогцз СПЧ, кгввгрю вид

у = В» +6fXi + вг-хг+&iz-xv;;i + вн-х?+ Sa-xi, <и)

где U - расчетное значение 6И ; Mi и Х2 - кодирование значения соответственно частоты гс и тока JV ; 6о ... Вг2 ■ коо^фициентч регрессии.

Зависимость 6М » f ( fz , if ) при закона управления АШ А = ISO-^" эл.град., построенная на основании регрессионной цодели, показана на рис. 2.

При приближении частоты пульсациииокеита к одной из собственных частот механической части привода исблвдалось -значительное увеличение екялатуда пульсации кь паху

В реазасе соропцдивания автекошого шаертора аээш&<а>:т зна-колерекеннгД у^арша! шиент приводя^; »: icpz-x&taxa fzuxzizx.

Амплитуда как положительного, так и сгркц&тедьного (тормозного) момента существегао зависит о? величины напряжения (тока), приложенного к двигателю в момент, предяеетвуещй аварийному режиму, а такне от типа инвертора. При пуске амплитуды ударных моментов ( Муд) превосходят среднее значение момента АД ( Мер )

при питании.АД от АШ ( \ - 180-^эл.град.)

При разгоне двигателя опрокидывание АИН приводит к ЩЬ* = (б...8) Мер ; при аварийном режиме АИТ практически отсутствует тормозной момент, а положительная составляющая'' Иуд достигает (2...3) Мер . Время действия импульсов' Муд составляет 0,01. ..0,1 ;с.

Результаты испытаний показали, что в зоне пуска и вращения вала АД с мальки скоростями, соответствующей характерны* для работы маневрового тепловоза сксростяы движения 10 км/ч, возмущающие факторы со стороны пути не оказывают существенного влияния на величину пульсации крутящего момента двигателя.

/

Сса?нен'.!е результатов эксгесютс-нтоэ, проведенных на физической мод ел и, с результатами натурные испытаний макетных тепловозов ВМЭ1-С24 и ТЭ120-001, показало полное соответствие качественной картины пульсаций момента. При близких по частоте ?! , напряжение питания и частоте тока ротора /г режимах работы привода различие между результатами модельных и натурных испытаний не превшает 14 %.

С целью выявления резонансных областей в частотноуправляе-мых приводах маневровых тепловозов были выполнены расчеты собственных частот индивидуальных тяговых приводов тепловозов типа ТЗМ2УМ, ТЗМ18 и ТЭМ7, которья показали, что низшие собственные частоты указанных приводов лежат ь зоне действия пульсирующего момента. Зто обстоятельство может привести к резонансна явлениям и, как следствие, к многократно^.' увеличению динамических нагрузок на элементы привода.

Для уменьшения переменной состаЕ-дяхщзй крутящего момента двигателя следует либо уменылить ажпитуды Ьа-соих гармоник напряжения (тока), либо повысить щ'сющт частоту.

В настоящее время основнш способен уменьшения <5М является использование в выходном ЗЕекг СПЧ автономных инверторов с 111»;.!. Однако вопрос о массовом применении такого варианта преобразователя пока не решен.

Предложены следующие способы снижения воздействия со стороны тягового двигателя на привод тепловоза:

1) применение в АД дугогсго статора с увеличением пусковой частоты напряжения питания ff ;

2) использование в двигателе статора с необходимы.» числом к дуговьзе сбмотск, подключению: к отдельнш автономны,! инверторам, тохи которьх сдвинуты д^зуг относительно ъруга на угол

В* Ж. . ' ■ Со)

Проведены исследования модели дугастаторного асинхронного двигателя, рассмотренной я главе 3, на экспериментальной установке. При этом пусковая частота напряжения (тока) питания определялась по Екралзнюс

.е

где тт - пусковая частота обычного двигателя с круговьм статором, К и ос* — центральный и относительный углы обмоток статора.

Результаты экспериментов (рис. 2П) показали, что возможно снихекке переменной составляющей крутящего момента до значений 6М = (4...6) %, с одновременны« увеличением частоты следования пульсаций f¿ до 40...60 Гц.'

Расчеты, выполненные по методике, описанной в главе 2, соответствовали экспериментальным данным с погреиностьв 9...II %.

Кроме того, по результатам исследования аварийного режима модели дугостаторцого двигателя отмечены меньшие, по сравнения с обычнш АД, величины ударного тормозного момента Муд , достигающие значений МуЭ = .Мер .

ОСКОШЫЕ ВЫВОДИ '

I. Разработана математическая модель асинхронного тягового привода тепловоза, позволяющая исследовать электромеханические процессы в ДТП в различных режимах работы при питании АД несину-совдалЬным напряжением'(током) от статического преобразователя частоты. Погрешность расчетов на. математической модели не превышает 11%'..

■ 2. Разработан и создан стенд, физического моделирования час-"Ъотноуправляемого' асинхронного призода тепловоза, включающий в

себя все осногчуе заекал казуркс.го • ГЬ; >' гььость ^'..¿ульта-

тов, получению: ка физической яодели i. пересчи!?.нньк на натурный образец, не правша'.? 14 %.

3. Результаты модельных исследований позволили выявить качественную и количественную стороны созкущалщего воздействия со стороны Еала ДД на тяговый привод в режимах пуска, разгона, а также в аварийном режиме.

4. Получены регрессионные модели возмущающего воздействия со стороны вала АД на тягозкй привод тепловоза, позволяющие с достаточной степенью точности прогнозировать динамические качества AHI.

5. Предложены способы снижения возмущающего воздействия со стороны тягового двигателя на привод путем применения в АД дугового статора. Результаты исследований модели дугостаторного АД показали, что возмгасно снижение переменной составляющей крутящего момента двигателя до 4 % и увеличение частоты следования пульсация момента до значений, превышающих низлие собственные частоты тяговых приводов маневровых тепловозов.

Результаты работы приняты для использования при разработке маневрового тепловоза с АТП на АО "Дюдиновский тепловозостроительный завод", что 'подтверждается приведенным в приложении к диссертации актом указанного предприятия.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Воробьев В.П., Ивахян А.И., Семаков В.В. К вопросу применения асинхронного двигателя в тяговом приводе маневрового тепловоза.- W., I3S3.- 9 е.- Деп.. в ЩШИГЭЛ ТЯШАШ 27.09.88,

» 210-тм 88.

2. Еоробьев В.И., Ивахин А.И., Семаков В.В. Исследование динамической нагруженности элементов тягового привода локомоти-

2С с пгинхрмдило; •элз^рдвага'.-и.-иа:?:.- , 19ЕЬ.- Э с. - Дел. в ШЮР-атгТРО 14.09.83, J? 265-эт 63.

3. Воробьев Б. И., Пгахин АЛ., Семаков 5. В. Определение устойчивости реяимов работы преобразователя частоты с трехфаз-ньм асинхронньм электродвигателем.- М.19Б8,- 14 е.- Деп. в

I!HC0PIffiJEKTF0 24.11.88, № 343-эт 63.

4. Воробьев В.И., Ивахин А.И., Семаков Б.В. Комплексная экспериментальная установка для исследования динамических процессов в тяговом приводе локомотива с бесколлекторньми электродвигателями. - К., 1939.- 16 е.-Деп. з УлХТКЭШгТПО, !> 147-эт£3.

5. Воробьев В.И., Ивахин А.И., Семаков В.В. Экспериментальное исследования динамических процсссоз в бесколлехтсрных тяговых приводах локомотивов //Проблемы развития локсмэткво-строения. Тез. до гл. Q Воесоюз. науч.-техн. конф. 22-24 мая 1920 г. - Луганск, 1990.- С. 105.

6. Исследование тягового привода переменного тока. Диагностика механической части и разработка элементов САП? тепловозов. Отчет о НИР /о!ТГМ. Камаев A.A., Воробьев В.И., Ирахин А. И. и др. - 9 ГР 01900009234.- Брянск, 1991.- 278 с.

7. Воробьев В.И., Ивахин А.И. К -вопросу уменьшения динамических нагрузок в асинхронном тяговом приводе локомотива // Проблемы механики яселезнодороаного транспорта. Тез. докл. Y13 конф. май 1992 г.- Днепропетровск, 1992. - С. .10.

8. Воробьев В. IJ., Ивахин АЛ. Применение-дугостаторного электродвигателя для снижения динамических нагрузок в асинхронном тяговом приводе локоиотнЕа //Состояние и перспективы развития'лономотивострсения. Тез. докл. ..нездунар. конф. 7-9 меня 1994 г. -.Новочеркасск, 1994.- С. 139.

Приложение

■1 4 0 II.! 1 1 1 1 ЬЧ,21(н =* I 1 1 1 ГЧ "ЗА и \ Ф к -ч! яи - N

МММ \ 0 -ч \ ч N "С? и г*. "Л / -у>«к 7Ь ; = ■-2 А в, \ 'н * А «Л' 1'

к 0 1 1 6 р. V. V М ■IX Не \ ~1 «*> и ч| 1 1 3: \ с 1 К ( \ X \ к ] т \ * * ■А У 1 1 % * г г У •к 1 1 \ тят /к \ МИт м ч 1 г I 1 1 \ Ч ] \ ч М* 1 N

1 1 I ! 1—г ^ 1 ! 1

Рис. 1П. Результаты исследования ..з/ -Ты дш лри литэлии

АД от АГЛ

—— расчет; — - ¿спгаа^енг

питаздцимся от АШ