Диссертация (Автоматическая система управления температурой тягового асинхронного двигателя тепловоза), страница 3

МИИТа И.Б. Башуком был получен патент на электропередачу переменно-постоянного тока (ЭППТ) [9]. В 60-х гг. прошлоговека ведущие тепловозостроительные предприятия всего мира приступили ксозданию тепловозов с ЭППТ. В СССР этими разработками занимался Луганский тепловозостроительный завод, что привело к появлению в 1963 г. тепловоза ТЭ109, спроектированного НИИЭТМ, электрическое оборудование былоизготовлено на заводе «Электротяжмаш» в г.

Харькове, выпрямительная установка была разработана в г. Таллине на электротехническом заводеПервый зарубежный тепловоз с ЭППТ был разработан во Франции компанией «Alstom» мощностью 1765 кВт серии 67000 (года выпуска 1963–1964),который ранее выпускался с передачей постоянного тока. На протяжении 70х гг. XX века компанией «Alstom» были построены опытные тепловозы серий67300 с ЭППТ мощностью 1765 и 2060 кВт, а также тепловоз мощностью 3530кВт с двумя дизелями, одномоторными тележками и бироторным синхроннымгенератором серии СС70000.

В 1967 г. компанией было начато серийное производство тепловоза СС72000, который имел мощность 2650 кВт.Основными тепловозами с ЭППТ, разработанными в США стали тепловозы мощностью 2200 и 2650 кВт, которые выпускались с 1964 г. компаниями«Alco», «GE» и «GM». В этих же годах английская фирма «Brush» представилапроект тепловоза мощностью 2950 кВт с ЭППТ, который использовался длясерийного производства тепловоза «Kestrel».12Первым грузовым тепловозом с двумя секциями повышенной мощностистал 2ТЭ116, которой был изготовлен Луганским тепловозостроительными заводом в 1971 г. Пассажирский тепловоз с ЭППТ ТЭП70 мощностью 2940 кВтбыл разработан Коломенским тепловозостроительным заводом.

Его изготовление началось в 1973 г. Принцип компоновки передачи, которая была реализована на ТЭП70, был принят на всех магистральных тепловозах СССР и России серийного производства.Первой фирмой, которая спроектировала и изготовила тепловоз с тяговым асинхронным двигателем (ТАД), стала «Brush Traction», а первым отечественным тепловозом стал опытный ВМЭ1А. Отличительной чертой при применении ТАД является потребность в управлении частотой питающего ихнапряжения с целью реализации нужной характеристики. Первым опытнымтепловозом с электрической передачей переменного тока стал ТЭ120, которыйбыл изготовлен в 1975 году на базу ТЭ109. На отечественном маневровом тепловозе ТЭМ21 также применена передача переменного тока.Применение генераторов переменного тока и ТАД в компоновке электрической передачи переменного тока позволяет увеличить ее мощность, повысить надёжность, упростить обслуживание и снизить массу.

В случае, когдатребуется применение промежуточных блоков, например инвертора и выпрямителя, использование синхронного генератора с ТАД является технико-экономически обоснованным [9].Так, начиная с 2006 г., на Брянском машиностроительном заводе серийновпускается тепловоз 2ТЭ25А с передачей переменного тока. При этом используемый на нем электропривод вентилятора охлаждения (ВО) ТАД включает всебя асинхронный двигатель.Таким образом, в настоящее время в Российской Федерации и зарубежомэксплуатируется большое количество локомотивов с ТАД: ЭП20, 2ЭС5,2ЭС10, НПМ2, ДС3, ДЭЛ-02, 2ТЭ25А, ТЭ33А, KZ8A, TGV TMST,Shinkansen Е6.13В связи с этим анализ тепловых режимов тягового привода тепловоза целесообразно проводить для асинхронных двигателей переменного тока.Наряду с этим в последнее десятилетие наметилась очевидная тенденцияв регулируемых электроприводах вентиляторов (РЭПВ) по переходу от двигателей постоянного тока к асинхронным двигателям.

Это обусловлено в первуюочередь более выгодными массогабаритными, эксплуатационными и стоимостными показателями [111, 114, 117].1.2 Влияние температурного режима обмоток тягового асинхронногодвигателя на параметры его работыВ последние годы существенные усилия направлены на развитие методовдиагностики повреждений и неисправностей асинхронных двигателей, а такжена создание методов их защиты. Важнейшей частью любой защиты являетсяналичие тепловой защиты, необходимой для исключения тепловых перегрузок, и, следовательно, продления срока эксплуатации тягового двигателя. Тепловые перегрузки, вызывающие повреждения тягового двигателя приводят кгораздо более интенсивному старению изоляции [10].

Кроме того, они могутпривести к выходу из строя ключевых элементов двигателя: изоляции обмоткистатора, стержней ротора, сердечника статора и ротора и т.д. [82, 84].Анализ данных в работах [51, 110, 127, 128] позволяет заключить, что значительный объем повреждений прямым или косвенным образом вызван перегревом тех или иных частей двигателя.Повышенный нагрев изоляции обмоток тягового электродвигателя чащевсего вызван следующими причинами:– наличием динамических перегрузок во время переходных процессов(пуск, изменение частоты вращения, реверс, торможение);– повышенными нагрузками, а соответственно большими токами в обмотках статора ТАД (тепловые перегрузки);– несимметричностью источников питания;– высокой температурой атмосферного воздуха;14– недостаточными условиями охлаждения.В [117] критерием оценки эффективности работы тягового привода принят коэффициент экономичности:ε( f 2 ) =где I1 – ток обмотки статора;I12 min,M(1.1)М – момент, развиваемый электроприводом.На рисунке 1.1 приведены зависимости коэффициента ε(f2) для тяговогодвигателя ДАТ-305 [117].1 – θ = 165 ºC, 2 – θ = 130 ºC, 3 – θ = 95 ºC,Рисунок 1.1 – Зависимость коэффициента экономичности двигателя ДАТ-305от частоты тока ротора f2* при различных значениях температуры обмотокстатора θАнализ данных, приведенных на рисунке 1.1 позволяет сделать вывод отом, что при увеличении температуры обмоток тягового двигателя оптимальное значение частоты тока обмотки ротора смещается в зону больших скольжений согласно условию ε(f2)→min: при θ = 95 ºC, f2 опт = 0,63 Гц, при θ = 165ºC, f2 опт = 0,87 Гц.

Сами значения тока статора и амплитуды напряжения приε(f2)→min меняются незначительно. Расхождение между действительной частотой тока ротора и ее оптимальным значением приводит к резкому увеличению тока статорной обмотки и возрастанию коэффициента экономичности.15Вопреки тому, что при рациональном управлении ТАД работает во всемдиапазоне температур с минимально возможными значениями тока статора, сувеличением температуры обмоток его экономичность снижается, так как повышается значение коэффициента ε(f2): при температуре обмоток θ = 0 ºC, ε(f2)= 10,5 А2/Н·м; при температуре обмоток θ = 180 ºC, ε(f2) = 14,4 А2/Н·м [117].Поэтому в современных системах управления необходимо учитыватьвлияние температуры обмоток на процессы, протекающие в силовой и управляющей системах.1.3 Системы охлаждения тяговых двигателей локомотивов и требования, предъявляемые к нимС целью поддержания необходимого теплового режима тяговых двигателей в процессе их работы на локомотивах используют системы воздушногоохлаждения.

Основными элементами, которые входят в состав системы охлаждения (СО) являются: вентиляторы, нагнетательные каналы с воздухораспределительными устройствами, фильтры, воздухозаборные устройства, всасывающие каналы, и сам охлаждаемый объект. Согласно эксплуатационным условиям и основным показателям использования материалов тяговые двигатели,применяемые на локомотивах должны оборудоваться принудительным охлаждением [1, 44].

Основные классификационные признаки локомотивных систем охлаждения представлены в [58, 63, 64, 67].При этом СО, используемые на локомотивах должны удовлетворять таким требованиям, как максимально допустимые габаритные размеры, массе,величине мощности потерь на привод вентиляторов охлаждения (ВО), и выполнять свою главную задачу – поддержание заданного теплового режима работы ТАД.Отношение мощности, затраченной на привод вентиляторов охлажденияк мощности, которая была затрачена на тягу определяет экономичность локомотивных СО. Порядка 6-17% от мощности тепловоза затрачивается на при-16вод его вспомогательных механизмов и агрегатов (вспомогательный генератор, вентиляторы охлаждения, насосы, компрессор и т.д.), что отражено в таблице 1.1.

Данные по расходу мощности на вспомогательные нужды некоторыхиностранных электровозов приведены в таблицу 1.2 [91, 104, 116, 131].Таблица 1.1Мощность вспомогательного оборудования отечественных тепловозовТепловозМощность привода вентиляторов холодильнойкамеры, кВтСуммарнаяМощностьвспомогательпривода ВОная мощность,ТАД, кВткВтДоля вспомогательной мощности от мощностидизеля, %2ТЭ116183,294,7225,516,92ТЭ25А13014238115,2ТЭ109107,547,8270,812,3ТЭП60132,540,2266,4122ТЭ10Л121,440,4261,111,8ТЭ358,98,8261,111,8ТЭМ2У,ТЭМ1838,310,5103,111,7ТЭМ237,513,9103,411,7ТЭМ122,88,886,111,7ТЭП7010096,2263,28,952ТЭ12174,4131,3257,28,95ТЭП70А7096,2263,27,93ТЭМ77071,32565,8217Таблица 1.2Мощность вспомогательных систем иностранных электровозовСерияэлектровозаПолная мощность, кВтОбщая вспомогательная мощность,кВтДоля вспомогательноймощности от полной, %182244002565,8246048002004,1741260004407,3340256003205,711526400320514542002405,7110164003605,6412Х64002403,75LE56056002404,29S25256002404,29EA300040001954,86Как видно из таблицы 1.1 доля вспомогательной мощности от полноймощности тепловозов варьируется в диапазоне 5,82…16,9 %.

Как правилобольшее значение затрат энергии на вспомогательные нужды соответствуетгрузовым тепловозам, а меньшее маневровым. Данные таблицы 1.2 позволяютсделать вывод о том, что доля вспомогательной мощности от полной для электровозов в целом ниже чем у тепловозов.Исследованиями СО энергетических установок и тяговых двигателей локомотивов, АСУТ и автоматических регуляторов занимались ученые:А.В. Грищенко, Е.С.

Дорохина, А.А. Зарифьян, А.С. Захарчук, Г.Ф. Кашников, И.Г. Киселев, А.Н. Коняев, А.С. Космодамианский, В.Д. Кузьмич,Ю.А. Куликов, А.С. Курбасов, Н.М. Луков, Е.Ю. Логинова, Ю.И. Миловидов,В.М. Новиков, В.А. Петраков, А.А. Петрожицкий, О.Л. Рапопорт, В.И. Рахманинов, А.Н.