Оценка эффективности применения универсального стенда для испытаний тяговых двигателей



В статье приводится расчетное обоснование применения универсального стенда для испытаний тяговых двигателей постоянного и переменного тока методом их взаимной нагрузки [1–3]. Для удобства проведения оценки эффективности указанного стенда, выполним условное разделение схемы универсального стенда на две части:

‒ первая часть — схема для испытаний тяговых двигателей постоянного тока (рисунок 1);

‒ вторая часть — схема для испытаний асинхронных тяговых двигателей (рисунок 2).

Рис. 1. Схема расчета мощности, потребляемой из сети, при проведении испытаний двигателей постоянного тока методом взаимной нагрузки в номинальном режиме: ПЧ1 — первый преобразователь частоты; ПЧ2 — второй преобразователь частоты; ЛП — линейный преобразователь; ВДП — вольтодобавочный преобразователь; Д — двигатель, работающий в режиме двигателя; Г — двигатель, работающий в режиме генератора; М — муфта, соединяющая испытуемые двигатели

На приведенных схемах (рисунки 1 и 2) стрелками показаны направления передачи мощности (энергии) в процессе работы основных элементов схем испытаний, а также приблизительные значения коэффициентов полезного действия основных элементов схемы: испытуемого двигателя, нагрузочной машины (генератора), преобразователей частоты и его составляющих (выпрямительной установки, звена постоянного тока, инвертора) при работе испытуемого двигателя на номинальной нагрузке.

Расчет проведем на примере тягового двигателя пульсирующего тока НБ 418К6 с номинальным напряжением на зажимах 900 В, часовой мощностью 775 кВт, часовым током 915 А.

В качестве критерия для оценки эффективности предлагаемой схемы испытаний выбрана величина потребляемой из сети мощности, необходимая для компенсации потерь в схеме испытаний [4]. При анализе схем испытаний выбраны реальные тяговых электродвигатели постоянного и переменного тока, эксплуатируемые на локомотивах российских железных дорог.

Выполним расчет мощности линейного преобразователя Р_лп по формуле, Вт,

(1)

где — потери в меди, Вт;

— потери в стали, Вт;

— добавочные потери, Вт;

— потери в местах трения щеток о коллектор, Вт;

— потери на трение в подшипниках, Вт.

Рис. 2. Схема расчета мощности, потребляемой из сети, при проведении испытаний асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки в номинальном режиме: ПЧ1 — первый преобразователь частоты; ПЧ2 — второй преобразователь частоты; ЗПТ1 — первое звено постоянного тока; ЗПТ2 — второе звено постоянного тока; И1 — первый инвертор; И2 — второй инвертор; Д — двигатель, работающий в режиме двигателя; Г — двигатель, работающий в режиме генератора; М — муфта, соединяющая двигатели

Потери в меди рассчитаем по формуле, Вт,

(2)

где — часовой ток, кА;

— сопротивление обмотки якоря, Ом;

— коэффициент ослабления возбуждения;

— сопротивление главных полюсов, Ом;

— сопротивление добавочных полюсов, Ом;

— сопротивление компенсационной обмотки, Ом;

Потери в стали рассчитаем по формуле, Вт,

(3)

где — масса сердечника, кг;

— удельные потери в стали сердечника, Ом;

— масса зубцов якоря, кг;

— удельное сопротивление зубцов якоря, Ом;

2,5 — падение напряжения под щетками обеих полярностей;

Добавочные потери рассчитываем по формуле, Вт,

(4)

где — коэффициент добавочных потерь;

Потери в местах трения щеток о коллектор найдем по формуле, Вт,

(5)

где — суммарная площадь щеток, см²;

— число щеткодержателей;

— плотность тока под щеткой, А/см²;

— окружная скорость коллектора,

Потери на трение в подшипниках , находим по формуле, Вт,

(6)

где 0,002 — коэффициент

— номинальное напряжение двигателя, В;

— часовой ток двигателя, кА;

Мощность вольтодобавочного преобразователя Р_вдп рассчитываем по формуле, Вт,

(7)

Мощность, получаемая двигателем от генератора Р_д, рассчитывается по формуле, кВт,

(8)

Мощность, вырабатываемая первым преобразователем частоты Р_пч1, рассчитывается по формуле, Вт,

(9)

Мощность, вырабатываемая вторым преобразователем частоты Р_пч2, рассчитывается по формуле, Вт,

(10)

Мощность, потребляемая из сети первым преобразователем частоты Р_с1, рассчитывается по формуле, Вт,

(11)

Мощность, потребляемая из сети вторым преобразователем частоты Р_с2, рассчитывается по формуле, Вт,

(12)

Мощность, потребляемая из сети Р_с, определяется по формуле, Вт,

(13)

Далее выполним расчет мощности, необходимой для компенсации потерь, в схеме испытаний асинхронных тяговых двигателей без учета потерь в выпрямительных установках преобразователей частоты (рисунок 2), по следующей формуле, кВт,

(14)

Расчет проведем на примере асинхронного двигателя тепловоза 2ТЭ25А «Витязь» ДТА-350 Т, мощностью 350 кВт,

Полная мощность Р_с^ с учетом потерь в выпрямительных установках преобразователей частоты, потребляемая из сети, определяется по формуле, кВт,

(15)

Рассчитаем мощность, потребляемую из сети, на компенсацию потерь при испытании методом взаимной нагрузки в номинальном режиме тяговых двигателей постоянного и переменного тока по схеме, приведенной на рисунке 3.

Мощность, потребляемая из сети при одновременном испытании асинхронных двигателей и двигателей постоянного тока, вычислим по формуле, кВт,

(16)

Рис. 3. Схема расчета мощности, потребляемой из сети, при одновременном проведении испытаний двигателей постоянного и переменного тока методом взаимной нагрузки в номинальном режиме: ТАД — тяговый асинхронный двигатель; АГ — асинхронный генератор

Таким образом, величина потребляемой мощности из сети составляет 15,2 % при одновременном испытании асинхронных тяговых двигателей и тяговых двигателей постоянного тока, что говорит о высокой энергоэффективности универсального стенда.

Литература:

1. Пат. 170708 Российская Федерация, МПК G01R 31/34, 2006. Стенд для испытания асинхронных двигателей и двигателей постоянного тока с параллельным (независимым) возбуждением / Харламов В. В., Попов Д. И., Литвинов А. В., Данковцев В. Т., Лузин В. М., Молчанов В. В.; заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщ. — № 2016139744; заявл. 10.10.2016; опубл. 03.05.2017, Бюл. № 13. — 5с.
2. Пат. 168633 Российская Федерация, МПК G01R 31/34, 2006; G01M15/00, 2006. Стенд для испытания асинхронных двигателей и двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением / Харламов В. В., Попов Д. И., Литвинов А. В., Данковцев В. Т., Лузин В. М., Молчанов В. В.; заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщ. — № 2016139746; заявл. 10.10.2016; опубл. 13.02.2017, Бюл. № 5. — 5с.
3. Универсальный энергоэффективный стенд для нагрузочных испытаний асинхронных тяговых двигателей и двигателей постоянного тока / В. В. Харламов, Д. И. Попов, А. В. Литвинов. «Известия Транссиба». № 3 (27), 2016. С. 58–66.
4. Методика определения потребляемой мощности во время испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки с учетом особенностей их питания/ В. В. Харламов, Д. И. Попов, А. В. Литвинов. «Известия Транссиба». Научно-технический журнал. ОмГУПС, № 3, 2015. С. 53–62.