Послеремонтные испытания тяговых электродвигателей (ТЭД) в соответствии с ГОСТ проводятся не только в режиме холостого хода и короткого замыкания, но и в часовом режиме при полной нагрузке. Учитывая, что мощность ТЭД современных тепловозов и электровозов близка или превышает 400 и 1000 кВт, соответственно, актуальным является поиск схем и методов, позволяющих сокращать расход электроэнергии при испытаниях. Особенно остро эта проблема проявляется при послеремонтных испытаниях тяговых электродвигателей современных локомотивов постоянного тока в условиях ремонтных цехов локомотивных депо.
Одним из способов экономии электроэнергии при испытании электрических машин является метод взаимной нагрузки, под которым понимается работа двух электрических машин, соединенных механически и электрически так, что одна из них, работая в режиме генератора, отдает всю вырабатываемую ею электрическую энергию второй машине, работающей в режиме двигателя, а эта последняя расходует всю развиваемую ею механическую энергию на вращение первой машины. Приток энергии извне требуется только для покрытия суммы потерь в обеих машинах и может осуществляться либо электрическим путем, либо механическим, либо обоими путями одновременно [1].
Наиболее распространенной схемой для испытаний тяговых двигателей постоянного тока последовательного возбуждения является схема, представленная на рисунке (рисунок 1).
Схема работает следующим образом. Подводимое из сети питание преобразуется повышающим трансформатором до напряжения требуемой величины. Далее напряжение подается на преобразователь частоты ПЧ. Подведенное к ПЧ напряжение преобразуется в постоянное с помощью выпрямителя В. Выпрямленное напряжение через фильтр, функции которого выполняет звено постоянного тока ЗПТ, подается для питания испытуемого двигателя (схемы в целом).
Рис. 1. Схема с линейным генератором (ЛГ) и вольтодобавочной машиной (ВДМ): Д, Г — двигатель и генератор; ОВД, ОВГ — обмотки возбуждения двигателя и генератора; АД1, АД2 — асинхронные двигатели
Для дальнейших исследований выполнено математическое моделирование процесса испытаний двигателей постоянного тока, при условии реализации классической схемы испытаний двигателей постоянного тока по методу взаимной нагрузки.
Так машины постоянного тока являются многообмоточными машинами. Большинство схем двигателей и генераторов постоянного тока можно привести к упрощенной схеме с двумя обмотками на статоре по осям d и q и одной обмоткой на роторе по осям d и q(рисунок 2). По оси d на статоре располагаются две обмотки возбуждения: wв — число витков обмотки независимого возбуждения; wс — число витков обмотки последовательного возбуждения. Моделирование машин постоянного тока усложняется наличием нелинейных связей, обусловленных насыщением, поперечной, продольной и коммутационной реакцией якоря, а также влиянием вихревых токов. Точно учесть вышеперечисленные факторы невозможно. Поэтому при исследовании машин постоянного тока характеристика холостого хода обычно линеаризуется, параметры считаются неизменными и не учитываются вихревые токи [2].
Рис.2. Пространственная модель машины постоянного тока, учитывающая действие реакции якоря
Используя известную математическую модель, описывающую работу двигателя постоянного тока, выполним формирование математической модели процесса испытаний двигателей постоянного тока методом взаимной нагрузки.
,(1)
гдеiд — мгновенное значение тока двигателя;
iвдп — мгновенное значение тока вольтодобавочного преобразователя (ВДП) или генератора;
Сe — электромашинная постоянная;
n — частота вращения двигателя и генератора;
Ф*рез — результирующий магнитный поток двигателя;
Ф**рез — результирующий магнитный поток генератора;
Rя — активное сопротивление якорной обмотки;
Rв — активное сопротивление обмотки возбуждения;
Lя — индуктивное сопротивление якорной обмотки;
uд — напряжение на зажимах двигателя;
uвдп — напряжение на зажимах ВДП;
σ — коэффициент рассеяния главных полюсов;
Фм –магнитный поток при холостом ходе машины;
Фря — магнитный поток реакции якоря;
ωв — число витков обмотки возбуждения;
Jд — момент инерции двигателя.
Для проверки адекватности сформированной математической модели выполнены экспериментальные исследования: фиксировались параметры токов линейного преобразователя, вольтодобавочной машины и тока двигателя. Результаты сопоставления математической модели и экспериментальных исследований приведены в таблице 1. Экспериментальные исследования выполнены только для нагрузочных режимов, остальные виды испытаний не рассматривались, подробно описаны в следующих источниках [3 — 5].
Таблица 1
Результаты сопоставления математической модели и экспериментальных исследований
|
Режим нагрузки |
Iлп, А |
Iлп*, А |
δIлп,% |
Iвдп, А |
Iвдп*, А |
δIвдп,% |
Iд, А |
Iд*, А |
δIд,% |
|
1 |
1,72 |
1,84 |
7,0 |
12,96 |
13,1 |
1,1 |
15 |
15,5 |
3,3 |
|
2 |
1,8 |
1,9 |
5,8 |
9,6 |
10,4 |
6,2 |
12 |
12,8 |
6,7 |
|
3 |
2,04 |
2,12 |
4,7 |
8 |
8,25 |
1,9 |
10 |
10,6 |
6,0 |
|
4 |
2,28 |
2,35 |
4,1 |
5,28 |
5,39 |
0,8 |
7,72 |
7,84 |
1,6 |
Как видно из таблицы 1, максимальное относительное отклонение результатов моделирования и эксперимента составляет 7 %, что не превышает максимальную погрешность, принятую в инженерных расчетах.
Пример реализации сформированной математической модели выполнен для испытания по методу взаимной нагрузки тяговых двигателей постоянного тока типа ТЛ-2К1.
Исходные данные для моделирования приведены в таблице 2.
Таблица 2
Исходные данные для моделирования
|
Тип ТЭД |
Rя, Ом |
Rгп, Ом |
Rдп, Ом |
Rко, Ом |
∑R, Ом |
|
ТЛ-2К1 |
0,0317 |
0,0268 |
0,01022 |
0,0263 |
0,09522 |
Результаты математического моделирования процесса испытаний тяговых двигателей постоянного тока типа ТЛ-2К1 на нагрев, при реализации метода взаимной нагрузки, приведены на рисунке 3. При этом моделирование проводилось, как регламентирует ГОСТ 2582-81 [4], в процессе которого фиксировались токи, напряжения, частота вращения тяговых двигателей и время испытания (часовой режим).
Рис. 3. Результаты математического моделирования процесса испытаний на нагрев тягового двигателя типа ТЛ-2К1
В заключении стоит отметить, что математическая модель требует более глубокой проработки, а для моделирования процесса испытаний тяговых двигателей постоянного тока требуется проведение экспериментальных исследований, которые будут направлены на корректировку существующей модели с целью повышения ее адекватности.
Литература:
- Жерве Г. К. Промышленные испытания электрических машин / Г. К. Жерве 4 изд., сокр. и перераб. — Л.: Энергоатомиздат, 1984 — 408 с., ил.
- Копылов, И.П. Математическое моделирование электрических машин: Учеб. для вузов. — 3-е изд., перераб. и доп. / И.П. Копылов. — М.: Высш. шк., 2001. –327 с.: ил.
- ГОСТ 11828 — 86. Машины электрические вращающиеся. Общие методы испытаний.
- ГОСТ 2582 — 81. Машины электрические вращающиеся тяговые. Общие технические условия — М., 1981. 37 с.
- ГОСТ 8865 — 93. Системы электрической изоляции. Оценка нагревостойкости и классификация.
