Практическое занятие № 5;pdf

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ ОмГУПС (ОмИИТ)
На правах рукописи
Литвинов Артем Валерьевич
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИСПЫТАНИЙ
АСИНХРОННЫХ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛОКОМОТИВОВ
Специальность 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог,
тяга поездов и электрификация
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор Авилов Валерий Дмитриевич
доктор технических наук, профессор Харламов Виктор Васильевич
ОМСК 2014
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................ 6
1 АНАЛИЗ
СУЩЕСТВУЮЩИХ
МЕТОДОВ
И
СРЕДСТВ
ДЛЯ
ИСПЫТАНИЙ АСИНХРОННЫХ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ .............................. 11
1.1 Основные задачи ОАО «РЖД» по обновлению парка локомотивов ...... 11
1.2 Внедрение подвижного состава с асинхронным тяговым приводом ...... 12
1.2.1 Развитие полупроводниковой техники .................................................... 13
1.2.2 Полупроводниковые
силовые
электронные
устройства
(преобразователи частоты) ........................................................................................... 14
1.2.3 Основные схемные решения в применяемых преобразователях
частоты ........................................................................................................................... 17
1.2.4 Создание первых локомотивов с асинхронным тяговым приводом .... 19
1.2.5 Современное состояние подвижного
состава с асинхронным
тяговым приводом ......................................................................................................... 20
1.3 Технологическая
оснащенность локомотивных
ремонтных депо
и заводов ......................................................................................................................... 23
1.4 Выбор способа и схемы испытаний асинхронных тяговых двигателей . 25
1.4.1 Виды испытаний электрических машин .................................................. 25
1.4.2 Периодичность
проведения
испытаний
тяговых
асинхронных
двигателей ...................................................................................................................... 29
1.4.3 Анализ существующих методов испытаний асинхронных тяговых
двигателей локомотивов ............................................................................................... 31
1.4.4 Анализ
применяемых
схем
испытаний
асинхронных
двигателей ...................................................................................................................... 34
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 ..................................................................................... 41
2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ
ИСПЫТАНИЙ
МОДЕЛИРОВАНИЕ
АСИНХРОННЫХ
ТЯГОВЫХ
ПРОЦЕССА
ДВИГАТЕЛЕЙ
ЛОКОМОТИВОВ МЕТОДОМ ВЗАИМНОЙ НАГРУЗКИ ...................................... 43
2.1 Математическое описание работы основных элементов схемы .............. 43
2.1.1 Выбор
математической
модели,
описывающей
процессы
в
трехфазном асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором ....................... 44
2.1.2 Математическое
описание
преобразователей
частоты
для
выбранного закона управления.................................................................................... 48
2.2 Система уравнений для описания работы асинхронных двигателей при
их испытании методом взаимной нагрузки ................................................................ 55
2.3 Анализ
влияния
преобразователей
на
высших
гармоник
мощность
напряжения
испытуемых
на
выходе
асинхронных
двигателей ..................................................................................................................... .58
2.4 Проверка адекватности разработанной математической модели ............ 64
2.5 Математическое моделирование процесса испытаний асинхронных
тяговых двигателей НТА-1200 методом взаимной нагрузки .................................. 70
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 ..................................................................................... 75
3 ФИЗИЧЕСКОЕ
АСИНХРОННЫХ
МОДЕЛИРОВАНИЕ
ТЯГОВЫХ
ПРОЦЕССА
ДВИГАТЕЛЕЙ
ИСПЫТАНИЙ
ЛОКОМОТИВОВ
ПРИ
ИСПОЛЬЗОВАНИИ МЕТОДА ВЗАИМНОЙ НАГРУЗКИ ...................................... 76
3.1 Определение критериев подобия процессов в асинхронных двигателях
физической модели и тяговых асинхронных тяговых двигателях при их
испытании методом взаимной нагрузки .................................................................... 76
3.2 Предварительная оценка эффективности метода взаимной нагрузки
при испытании асинхронных двигателей .................................................................. 80
3.3 Расширение функциональных возможностей физической модели
стенда для испытаний асинхронных тяговых двигателей методом их взаимной
нагрузки .......................................................................................................................... 84
3.4 Экспериментальные
на
физической
модели
исследования
процесса
метода
испытаний
взаимной
асинхронных
нагрузки
тяговых
двигателей ...................................................................................................................... 90
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 ..................................................................................... 95
4 РАЗРАБОТКА
СХЕМ
ДЛЯ
ИСПЫТАНИЙ
АСИНХРОННЫХ
ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛОКОМОТИВОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА
ВЗАИМНОЙ
НАГРУЗКИ
И
МЕТОДИК
ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ПОТЕРЬ
В
ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ЭТИХ СХЕМ ............................................................... 97
4.1 Предлагаемые схемы испытаний асинхронных тяговых двигателей
методом взаимной нагрузки ......................................................................................... 97
4.2 Выбор схемы для испытаний тяговых асинхронных двигателей
методом взаимной нагрузки ....................................................................................... 104
4.3 Разработка методики определения мощности, потребляемой схемой, и
потерь в её основных элементах при испытании асинхронных двигателей
методом взаимной нагрузки ....................................................................................... 105
4.4 Применение разработанных методик определения мощности для
уточнения математической модели процесса испытаний асинхронных тяговых
двигателей методом взаимной нагрузки т формирования алгоритмов выбора
коммутационного оборудования и схемы испытаний ............................................ 125
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 ................................................................................... 132
5 АЛГОРИТМ
ПРОВЕДЕНИЯ
ИСПЫТАНИЙ
АСИНХРОННЫХ
ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛОКОМОТИВОВ МЕТОДОМ ИХ ВЗАИМНОЙ
НАГРУЗКИ .................................................................................................................. 134
5.1 Измерение сопротивления изоляции обмоток относительно корпуса .. 134
5.2 Измерение сопротивления обмоток постоянному току .......................... 137
5.3 Прокрутка двигателей................................................................................. 140
5.4 Испытание электрической прочности междувитковой изоляции ......... 142
5.5 Определение тока и потерь холостого хода ............................................. 144
5.6 Определение тока и потерь короткого замыкания .................................. 145
5.7 Испытание на нагревание........................................................................... 147
5.8 Испытание при повышенной частоте вращения ...................................... 150
5.9 Испытание электрической прочности изоляции обмоток относительно
корпуса ......................................................................................................................... 151
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5 ................................................................................... 155
6 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СХЕМЫ
ДЛЯ
ИСПЫТАНИЙ
ЛОКОМОТИВОВ
С
АСИНХРОННЫХ
ПРИМЕНЕНИЕМ
ТЯГОВЫХ
МЕТОДА
ДВИГАТЕЛЕЙ
ВЗАИМНОЙ
НАГРУЗКИ .................................................................................................................. 156
6.1 Расчет затрат на выполнение НИОКР ...................................................... 157
6.2 Расчет затрат на материалы и комплектующие изделий для создания
схемы испытаний асинхронных тяговых двигателей.............................................. 165
6.3 Расчет амортизационных отчислений....................................................... 171
6.4 Расчеты по оплате труда основных работников для изготовления схемы испытаний .............................................................................................................. 173
6.5 Расчет затрат на энергетические ресурсы ................................................ 175
6.6 Сводная таблица расходов на изготовление, проектирование схем
испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки ........ 178
6.7 Расчет экономической эффективности, срока окупаемости и чистого
дисконтированного дохода схем испытаний асинхронных тяговых двигателей
методом взаимной нагрузки ....................................................................................... 180
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 6 ................................................................................... 186
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................. 187
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................................ 189
ПРИЛОЖЕНИЕ .................................................................................................. 203
6
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность исследования. Одной из задач «Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 г.» является замена
коллекторного привода частотно-регулируемым асинхронным. Эта задача реализуется ОАО «РЖД» путем создания и внедрения локомотивов с асинхронным тяговым приводом: электровозы (ЭП10, НПМ2, ЭП20, 2ЭС5, 2ЭС10, 2ЭС20), электропоезда (ЭН3, ЭТ4А), поезда метрополитенов, тепловозы (2ТЭ25А, ТЭМ9Н,
ТЭМ35), а также переход на преобразовательную технику на основе новых достижений в области силовых управляемых полупроводниковых элементов. Ежегодно ОАО «РЖД» приобретается несколько сотен локомотивов с асинхронным
тяговым приводом, разрабатываются новые и модернизируются существующие.
Внедрение принципиально нового подвижного состава требует решения ряда задач, например: выполнение строительства или дооснащения существующих
локомотивных ремонтных депо и заводов для проведения ремонта и испытаний
основных узлов подвижного состава; разработка Правил ремонта подвижного состава с асинхронным тяговым приводом и Правил ремонта электрических машин
железнодорожного транспорта, включающих положения по ремонту и обслуживанию асинхронных тяговых двигателей. При этом внедряемое оборудование
должно быть энергоэффективным. Одним из наиболее энергозатратных видов
оборудования является испытательная станция для тяговых двигателей, которая
предполагает проведение их испытаний под нагрузкой.
Известно множество методов испытаний, позволяющих добиться экономии
электрической энергии при испытании тяговых электродвигателей, которые принято называть схемами возвратной работы. Их разновидностью являются схемы,
обеспечивающие испытание электродвигателей методом взаимной нагрузки. Данный метод успешно применяется при испытании тяговых двигателей постоянного
тока и имеет известные преимущества. В настоящее время известно несколько
схем, позволяющих обеспечить испытание асинхронных двигателей по методу их
7
взаимной нагрузки. Каждая них имеет свои достоинства и недостатки, которые
раскрываются в настоящей работе при выполнения их анализа.
Таким образом, разработка новых методов и средств испытаний асинхронных тяговых двигателей, позволяющих устранить недостатки существующих и
повысить эффективность процесса испытаний асинхронных тяговых двигателей в
условиях локомотивного депо, является актуальной задачей.
Степень разработанности задачи. Существенный вклад в исследование
процесса испытаний асинхронных двигателей внесли следующие ученые
Авилов В. Д. , Бахвалов Ю. А., Бейерлейн О. Л., Булазо Г. А., Винокуров В. А.,
Гольдберг О. Д., Зарифьян А. А., Жерве Г. К., Слоним Н. М., Ротанов Н. А., Каминский М. Л., Костенко М.П., Копылов И. П., Попов Д. А., Цукублин А. Б. и др.
Различными учеными разработаны способы, методы и правила проведения
ремонта и испытаний асинхронных двигателей, составлены государственные
стандарты по проведению испытаний асинхронных двигателей, созданы и внедрены схемы для проведения их испытаний. Применительно к асинхронным тяговым двигателям разработан ряд схем, которые имеют свои преимущества и недостатки.
Целью диссертационного исследования является разработка методов и
средств для проведения испытаний асинхронных тяговых двигателей в условиях
локомотивных депо.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
1) сформировать математическую модель процесса испытаний асинхронных
тяговых двигателей методом их взаимной нагрузки при их питании от преобразователей частоты;
2) усовершенствовать схему испытаний асинхронных тяговых двигателей,
позволяющую проводить испытания в соответствии с условиями работы на локомотивах;
3) провести экспериментальные исследование на физической модели испытательной станции асинхронных тяговых двигателей с целью установления достоверности полученных результатов математического моделирования;
8
4) разработать методику определения мощности и потерь в основных элементах схем испытаний, позволяющую выполнить определение параметров преобразователей частоты при испытании различных типов асинхронных тяговых
двигателей;
5) составить алгоритм выбора схемы для испытаний асинхронных тяговых
двигателей методом взаимной нагрузки;
6) разработать алгоритм проведения испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки.
Методы исследования.
При решении поставленных задач использовались методы математического
моделирования электрических машин, физического моделирования работы асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки, теории планирования эксперимента и теории подобия, математического и системного анализа, теории электрических измерений.
При проведении математического моделирования для решения системы
дифференциальных
уравнений
использовался
программный
продукт
Mathcad 2014. Для обработки результатов эксперимента был использован программный продукт MS Excel 2010.
Научная новизна:
1) сформирована математическая модель процесса испытаний асинхронных
тяговых двигателей методом взаимной нагрузки при их питании от преобразователей частоты, с учетом потерь мощности в основных элементах преобразователей;
2) предложен алгоритм выбора схемы испытаний асинхронных тяговых
двигателей методом взаимной нагрузки при питании от преобразователей частоты, с учетом условий работы двигателей на локомотиве;
3) разработана методика определения мощности и потерь в основных элементах схемы испытаний, позволяющая определить параметры преобразователей
частоты при испытании различных типов асинхронных тяговых двигателей.
9
Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена экспериментальными исследованиями. Расхождение результатов математического моделирования с результатами,
полученными в эксперименте на физической модели, не превышают 7 % при номинальной мощности испытуемого двигателя.
Практическая ценность основных результатов работы:
1) сформированная математическая модель процесса испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки позволяет оценить эффективность применения данного метода для различных типов асинхронных двигателей, определить требуемую величину мощности питающей сети, коммутационного, испытательного и защитного оборудования;
2) разработанные схемы испытаний асинхронных тяговых двигателей (защищенные патентами РФ) позволяют проводить испытания в соответствии с действующими стандартами и обеспечивают высокую энергоэффективность процесса испытаний;
3) разработанная методика определения мощности и потерь в основных
элементах схемы испытаний позволяет определить электрическую мощность, потребляемую и генерируемую асинхронными тяговыми двигателями в условиях
локомотивных депо;
4) сформированный алгоритм выбора схемы испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки позволяет проводить требуемые виды
испытаний двигателей в условиях локомотивных депо.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1) математическая модель процесса испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки;
2) схемы испытаний асинхронных тяговых двигателей;
3) методики определения мощности и потерь в основных элементах схемы
испытаний;
4) алгоритм выбора схемы испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки и проведения испытаний двигателей.
10
Реализация результатов работы.
Разработанная технология испытаний асинхронных тяговых двигателей с
применением метода взаимной нагрузки принята к использованию в технологическом процессе ремонта электровозов в локомотивном депо Московка ЗападноСибирской железной дороги – филиала ОАО «РЖД».
Результаты работы, полученные автором, применяются в учебном процессе
ФГБОУ ВПО «ОмГУПС» при подготовке инженеров по специальности «Подвижной состав железных дорог», специализация «Локомотивы».
Апробация результатов работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались
на всероссийской научно-технической конференции с международным участием
«Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного подвижного состава» в 2011 г. (г. Омск); на четвертой научнопрактической конференции, посвященной Дню российской науки и 110-летию
ОмГУПСа в 2012 г. (г. Омск); материалы всероссийской научно-технической
конференции с международным участием «Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов» в 2012 г. (г. Омск);
материалы всероссийской научно-практической конференции «Актуальные вопросы транспортной отрасли: проблемы и решения» в 2013 г. (г. Воронеж); материалы IX международной научно-технической конференции «Повышение эффективности эксплуатации коллекторных электромеханических преобразователей
энергии» в 2013 г (г. Омск).
Публикации.
По результатам проведенных исследований опубликовано 15 работ, в том числе три статьи в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных
ВАК Минобрнауки России; получены четыре патента на полезные модели.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения,
шести глав, заключения, приложения, библиографического списка из 126 наименований и содержит 188 страниц основного текста, 66 рисунков и 32 таблицы.
11
1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ
ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ АСИНХРОННЫХ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
1.1 Основные задачи ОАО «РЖД» по обновлению парка локомотивов
Компания «Российские железные дороги» является крупнейшей транспортной
компанией России. Удовлетворяя рыночный спрос на железнодорожные транспортные
услуги со стороны бизнеса и населения, она осуществляет деятельность во всех сегментах железнодорожного транспорта, а также в смежных и сопутствующих перевозкам
отраслях экономики [40, 55, 124].
Общее сравнение применяемых производственных средств в ОАО «РЖД» с зарубежными аналогами показывает отставание по ключевым показателям характеристик вагонов, локомотивов, электротехнических и электронных устройств, рельсов,
стрелочных переводов и др. [40, 55]
В сфере локомотивостроения проблема заключается в отсутствии серийного
производства магистральных грузовых тепловозов, двухсистемных локомотивов и локомотивов с бесколлекторным тяговым приводом, отвечающих современным требованиям и конкурентоспособных на транспортном рынке. В сфере производства моторвагонного подвижного состава – в отсутствии серийного производства высокоскоростных
(свыше 200 км/ч) электропоездов с бесколлекторным тяговым приводом [40].
Стратегией развития железнодорожного транспорта до 2030 г. (далее Стратегия)
на период 2008 – 2015 гг. определен объем необходимых инвестиций на модернизацию
и развитие железнодорожного транспорта общего пользования в размере 4 165 млрд. р.,
как по минимальному, так и по максимальному варианту развития [115].
В Стратегии можно выделить следующие мероприятия по совершенствованию
подвижного состава российских железных дорог:
- замена и обновление локомотивного парка на локомотивы нового поколения с
повышенной энергоэффективностью, улучшенными тяговыми свойствами, с рекуперацией энергии;
12
- создание нормативно-методической базы для управления жизненным циклом
подвижного состава;
- использование новых материалов и конструкций при ремонте и изготовлении;
- создание и внедрение асинхронного тягового привода для локомотивов и
электроподвижного состава;
- переход на преобразовательную технику на основе достижений в области силовых управляемых полупроводниковых элементов и безмасляное, бездуговое коммутационное электрооборудование.
Следует отметить, что в настоящее время ОАО «Российские железные дороги»
проводит активную работу по обновлению собственного парка подвижного состава.
Ежегодно приобретаются несколько сотен локомотивов различных типов. Практически все закупаемые образцы производятся на российских предприятиях (исключение
составляют магистральные грузовые тепловозы, часть которых импортируется с
Украины).
Для электровозов применение асинхронных двигателей позволяет получить
осевую мощность 1200 кВт и более. Для тепловозов, где осевая мощность
лимитирована возможностями дизель-генераторной установки, на первый план
выходят такие преимущества асинхронных двигателей, как надежность и
практическое отсутствие операций по техническому обслуживанию из-за отсутствия
коллекторно-щеточного узла [20, 101].
1.2 Внедрение подвижного состава с асинхронным тяговым приводом
В России первые попытки использования асинхронного привода на подвижном составе железных дорог были предприняты более полувека назад. Одной из главных проблем, которая препятствовала внедрению тягового асинхронного привода на железнодорожном транспорте можно назвать слабый уровень
развития управляемой полупроводниковой техники [86]. Выделим основные эта-
13
пы, которые способствовали внедрению асинхронного привода в качестве тягового на подвижном составе:
- развитие полупроводниковой техники;
- создание силовых электронных устройств на базе полупроводниковой техники (преобразователей частоты);
- создание первых локомотивов с асинхронным тяговым приводом;
- развитие подвижного состава с асинхронным тяговым приводом на современном этапе.
1.2.1 Развитие полупроводниковой техники
В 1955 г. был впервые создан полупроводниковый управляемый прибор, имеющий четырёхслойную структуру и получивший название «тиристор» [32, 61, 62, 65, 97].
Он включается подачей импульса на электрод управления при положительном напряжении между анодом и катодом. Выключение тиристора обеспечивается снижением
протекающего через него прямого тока до нуля, для чего разработано множество схем
индуктивно-ёмкостных контуров коммутации. Они не только увеличивают стоимость
преобразователя, но и ухудшают его массогабаритные показатели, снижают надёжность. Одновременно с созданием тиристора начались исследования, направленные на
обеспечение его выключения по управляющему электроду.
Первые подобные тиристоры появились в 1960 г. в США. Они получили название Gate Turn Off (GTO) [59, 85, 104]. В нашей стране они больше известны как запираемые или выключаемые тиристоры. Основной недостаток GTO заключается в больших
потерях энергии в защитных цепях прибора при его коммутации. Повышение частоты
увеличивает потери, поэтому на практике тиристоры GTO коммутируются с частотой
не более 250 – 300 Гц.
В середине 90-х годов фирмами «ABB» и «Mitsubishi» был разработан новый вид
тиристоров Gate Commutated Thyristor (GCT) [59, 85, 104]. Собственно, GCT является
дальнейшим усовершенствованием GTO, или его модернизацией.
14
Основной особенностью тиристоров GCT, по сравнению с приборами GTO, является быстрое выключение, которое достигается как изменением принципа управления, так и совершенствованием конструкции прибора.
В настоящее время практически все виды силовых полупроводниковых приборов
освоены на российском предприятии ОАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск) [59].
В 1985 г., был разработан биполярный транзистор с изолированным затвором
(IGBT) с полностью плоской структурой и более высокими рабочими напряжениями
[59, 85, 104, 123]. Это устройство имеет:
- малые потери в открытом состоянии при больших токах и высоких напряжениях;
- характеристики переключения и проводимость биполярного транзистора;
- управление производится подачей напряжения.
На сегодняшний день IGBT как класс приборов силовой электроники занимает и
будет занимать доминирующее положение для диапазона мощностей от единиц киловатт до единиц мегаватт.
Особую роль IGBT-модули играют в развитии железнодорожного транспорта.
Применение этих перспективных приборов в тяговом преобразователе позволило повысить частоту переключения, упростить схему управления, минимизировать загрузку
сети гармониками и обеспечить снижение потерь в обмотках трансформатора и дросселей [59, 85, 104, 123].
1.2.2 Полупроводниковые силовые электронные устройства
(преобразователи частоты)
Преобразователи частоты, применяемые в регулируемом электроприводе
переменного тока, в зависимости от структуры и принципа работы силовой части
разделяются на два класса [49, 98]:
- преобразователи частоты с явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока;
15
- преобразователи частоты с непосредственной связью (без промежуточного
звена постоянного тока).
Исторически первыми появились преобразователи с непосредственной связью (рисунок 1.1), в которых силовая часть представляет собой управляемый выпрямитель и выполнена на незапираемых тиристорах [126]. Система управления
поочередно отпирает группы тиристоров и подключает статорные обмотки двигателя к питающей сети.
Система управления
А
В
С
М
Рисунок 1.1 – Схема преобразователя частоты с непосредственной связью
В таких преобразователях частота выходного напряжения не может быть
равна или выше частоты питающей сети. Она находится в диапазоне от 0 до 30 Гц
[126]. Как следствие малый диапазон регулирования частоты вращения двигателя
(не более 1 : 10). Это ограничение не позволяет применять такие преобразователи
в современных частотно регулируемых приводах с широким диапазоном регулирования технологических параметров. Подобные схемы преобразователей используются в старых приводах. Их новые конструкции практически не разрабатываются.
Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых приводах находят преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока (рисунок 1.2) [19, 34, 113, 125].
В преобразователях этого класса используется двойное преобразование
электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется элементом В, фильтруется элементом Ф,
16
сглаживается, а затем преобразуется инвертором И в переменное напряжение требуемой частоты и амплитуды.
В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные модификации GCT, IGCT, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.
Главным достоинством тиристорных преобразователей частоты, как и в
схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия.
Применение IGBT с более высокой частотой переключения в совокупности
с микропроцессорной системой управления в преобразователях частоты снижает
уровень высших гармоник, характерных для тиристорных преобразователей [59,
85, 104, 122]. При одинаковой выходной мощности они отличаются меньшими габаритами, массой, повышенной надежностью в силу модульного исполнения
электронных ключей, лучшего теплоотвода с поверхности модуля и меньшего количества конструктивных элементов.
А
А
U
В
С
В
Ud
Ф
Uф
И
В
Uинв
С
Рисунок 1.2 – Структурная схема преобразователя частоты с явно выраженным
звеном постоянного тока
Следует отметить, что лишь асинхронные двигатели с частотным управлением
могут составить конкуренцию двигателям постоянного тока по регулировочным характеристикам, что в совокупности с известными преимуществами по простоте конструкции, надежности и стоимости обслуживания делает такие двигатели особо привлекательными [21, 22, 35, 37, 39, 42, 64, 71, 73, 78, 80, 99, 119, 122, 124].
17
1.2.3 Основные схемные решения в применяемых преобразователях частоты
1.2.3.1 Преобразователь частоты с автономным инвертором напряжения и
управляемым выпрямителем
Такой преобразователь частоты включает в себя автономный инвертор
напряжения (АИН) и управляемый выпрямитель (УВ) (рисунок 1.3). На выходе
выпрямителя предусмотрен LC-фильтр, предназначенный для сглаживания
выпрямленного напряжения Ud. В тормозном резисторе Rт, который включается
тормозным прерывателем Kт при переходе двигателя в тормозной режим,
рассеивается энергия торможения. Управляющим воздействием для управляемого
выпрямителя является сигнал задания напряжения от системы управления
выпрямителем (СУВ) [113, 118].
Автономный инвертор напряжения (АИН) выполнен
по трехфазной
мостовой схеме, состоящей из шести управляемых ключей, которые выполняются
на транзисторах, которые пропускают ток в прямом напрявлении. В обратном
направлении
ток
проходит
по
диодам
обратного
тока,
подключенным
параллельно транзисторам.
U
А
В
С
+
АИН
L
Rт
УВ
Ud
C
Kт
М
-
СУИ
СУИ
Задание
напряжения
Задание
частоты
Рисунок 1.3 – Преобразователь частоты с автономным инвертором напряжения и
управляемым выпрямителем
18
1.2.3.2 Преобразователь частоты с автономным инвертором напряжения и
широтно-импульсной модуляцией
Данный тип преобразователей является самым распространенным. Состоит
из неуправляемого выпрямителя на входе, звена постоянного тока и управляемого
выпрямитель-инвертора на выходе преобразователя частоты. Регулирование подаваемого на двигатели напряжения осуществляется за счет широтно-импульсной
модуляции [113, 118].
1.2.3.3 Преобразователь частоты с автономным инвертором напряжения и
векторной широтно-импульсной модуляцией
Конструктивно
ничем
не
отличается
от
рассмотренного
ранее
преобразователя с широтно-импульсной модуляцией (рисунок 1.4). В основу
данного преобразователя положен принцип управления инвертором с помощью
векторной широтно-импульсной модуляции, где используется понятие о базовых
векторах напряжения, рассматриваемых как пространственые, формируемые из
трех фазных напряжений, действующих на выходе автономного инвертора
напряжения [113, 118].
U
А
В
С
+
АИН
L
Rт
В
Ud
C
Kт
М
-
СУИ
Задание
напряжения и
частоты
Рисунок 1.4 – Преобразователь частоты с автономным инвертором напряжения и
широтно-импульсной модуляцией
19
1.2.3.4 Преобразователь частоты с автономным инвертором тока
Принципиальное отличие автономного инвертора тока от автономного
инвертора напряжения состоит в том, что инвертор получает питание от
источника тока, а не от источника напряжения (рисунок 1.5). В качестве такого
источника используется управляемый выпрямитель (УВ) с системой управления
выпрямителем (СУВ), которому придают свойства источника тока путем создания
контура регулирования выпрямленного тока Id [113, 118].
Особенности принципа работы определяют его схемные отличия от
преобразователя с инвертором напряжения: сглаживающий фильтр, в качестве
основного элемента содержит не конденсатор, а дроссель L, отсутствие диодов
обратного тока в ключах автономного инвертора.
U
А
В
С
+
L
АИТ
УВ
-
СУВ
РТ
М
Id
СУИ
Задание
частоты
Задание
тока
Рисунок 1.5 – Преобразователь частоты с автономным инвертором тока
1.2.4 Создание первых локомотивов с асинхронным тяговым приводом
В 1965 году ВНИИЖТ начал разработку первого отечественного электровоза с
асинхронным тяговым приводом [86, 87]. В 1971 году Новочеркасским электровозо-
20
строительным заводом (НЭВЗ) построен электровоз ВЛ80а № 751, на котором установлены тяговые асинхронные двигатели НБ602 мощностью 1200 кВт, что являлось
наивысшим достижением в мировой практике локомотивостроения [86]. Уровень разработок полупроводниковых приборов, использованный на этом электровозе, не позволил обеспечить требуемую эксплуатационную надежность. После этого Ворошиловградский тепловозостроительный завод спроектировал и совместно с электротехническими заводами создал макетный шестиосный грузовой тепловоз ТЭМ120-001 с асинхронными тяговыми электродвигателями. Монтаж оборудования на этом тепловозе
был закончен в 1975 г., а испытания электрического оборудования начались с января
1976 г. В 1979 г. были проведены испытания тепловоза в эксплуатационных условиях,
которые показали, что при скорости 35 – 100 км/ч коэффициент полезного действия
тепловоза составляет 0,29, а к.п.д. передачи при скорости 55–57 км/ч достигает 0,85.
Установлено также, что тепловоз при скоростях ниже 35–40 км/ч склонен к боксованию [86].
Позднее в 1985 году был построен опытный электровоз ВЛ86ф (самый мощный
электровоз в мире вплоть до настоящего времени), который в силу ряда причин не вошел в серию и так и остался опытным [86]. После этого, в течение последующих десяти
лет, в связи со сложной экономической ситуацией в стране работы по проектированию
новых электровозов с асинхронным тяговым приводом были прекращены. В 1995–
2000 гг. МПС были созданы электровоз ЭП10 и электропоезда ЭТ2А, Сокол-250. Электропоезда ЭТ2А и Сокол-250 так и не прошли сертификационных испытаний [86, 87].
1.2.5 Современное состояние подвижного состава
с асинхронным тяговым приводом
Работы по проектированию энергоэффективного подвижного состава ведутся в двух направлениях [40, 55]:
- разработка подвижного состава с коллекторным тяговым приводом;
- разработка подвижного состава с бесколлекторным тяговым приводом.
21
Наиболее перспективным является второе направление развития подвижного состава. Это во многом обусловлено тем, что при использовании в электрической тяге асинхронного тягового привода могут быть реализованы следующие
преимущества: значительное упрощение тягового двигателя по сравнению с коллекторным и повышение его надежности; улучшение тяговых свойств электровозов благодаря использованию жесткой тяговой характеристики при боксовании
(увеличение коэффициента сцепления на 20 – 40 %); увеличение мощности и момента тягового двигателя при тех же габаритных размерах (в 1,5 – 2 раза); сокращение расхода меди на изготовление тяговых двигателей [4].
В 2004 г. на Брянском машиностроительном заводе был изготовлен опытный образец четырехосного маневрового тепловоза ТЭМ21 (мощность 1500 л.с.) с
электрической передачей переменно-переменного тока, он был предназначен для
вывозной, маневровой и легкой магистральной работы. Тепловоз успешно выдержал все испытания, подтвердил заявленные характеристики, однако железнодорожникам такой тепловоз в то время не требовался. Поэтому ТЭМ21 так и остался
в единственном экземпляре [87].
Электровоз двойного питания ЭП10 серийно выпускался лишь в 2005 –
2007 гг. Параллельно велись разработки электропоезда ЭН3 (мощность 5600 кВт).
Электропоезд позволял сократить расход электроэнергии на тягу на 15 – 18 %,
снизить расходы на обслуживание и ремонт на 20 – 25 % по отношению к другим
типам электропоездов. Был сдан в эксплуатацию на Магнитогорском металлургическом комбинате первый четырехосный электровоз постоянного тока 1,5 кВ типа
НПМ2 (мощность 1400 кВт) с асинхронными тяговыми двигателями [87].
В июле 2006 г. Брянский машиностроительный завод выпустил новый магистральный грузовой двухсекционный тепловоз 2ТЭ25А «Витязь». Эксплуатационные испытания тепловоза 2ТЭ25А показали, что по тяговым характеристикам
он значительно превосходит тепловозы, которые находятся в эксплуатации у
ОАО «РЖД». В 2007 г., во время испытаний, «Витязь» успешно провел на участке
Брянск – Орел поезд общим весом 7 600 тонн. Этот показатель находится на
уровне лучших мировых аналогов и значительно превышает возможности тепло-
22
возов, составляющих основу парка железных дорог стран СНГ – весовая норма
основного грузового тепловоза ОАО «РЖД» 2ТЭ10М составляет 5 200 тонн [87].
В 2007 г. специалисты ОАО «РЖД» совместно с ЗАО «Трансмашхолдинг»
при участии ведущих мировых машиностроителей начали разработку модели
мультисистемного пассажирского электровоза ЭП20 [87].
В 2008 г. начали разработку грузового электровоза постоянного тока 2ЭС10
с асинхронными тяговыми двигателями. Разработкой асинхронного тягового привода занималась компания «Сименс». А в ноябре 2010 г. специалисты
ООО «Уральские локомотивы» (совместное предприятие группы «Синара» и концерна «Siemens AG», Германия) представили первый опытный образец нового
грузового электровоза 2ЭС10-001 постоянного тока с асинхронным тяговым приводом, который получил название «Гранит». «Гранит» не имеет аналогов в России и других странах, где ширина колеи составляет 1520 мм. В нем внедрено 60 %
инженерных решений, ранее не применявшихся в российском машиностроении. В
общей сложности ОАО «РЖД» планирует до 2016 г. закупить 221 электровоз
2ЭС10 [87].
В 2011 г. ОАО «РЖД» подписала контракт на поставку 200 инновационных
электровозов переменного тока с асинхронным тяговым приводом 2ЭС5 [87].
В 2011 г. подписано техническое задание на разработку межрегионального
электропоезда с двухэтажными вагонами, который создан конструкторами
«Трансмашхолдинг» [87]. Тяговые секции будут представлять собой однокабинные четырехосные электровозы постоянного тока мощностью по 4000 кВт каждый. Они имеют асинхронный привод, микропроцессорную систему управления,
элементы пассивной безопасности и другие современные системы. «Трансмашхолдинг» получил задание на изготовление 50 двухэтажных спальных вагонов
дальнего следования, работы планируется начать в 2014 г.
В 2011 г. подписано техническое задание на разработку гибридного тепловоза ТЭМ9Н «SinaraHybrid», он представляет собой четырехосный локомотив с
электрической передачей переменно-переменного тока, асинхронными двигателями. Опытный образец был изготовлен на Людиновском тепловозостроительном
заводе в конце 2011 г. Выпуск установочной партии выполнен в 2013 г. [87].
23
В 2012 г. введен в эксплуатацию электропоезд ЭТ4А предназначен для
обеспечения пригородных пассажирских перевозок на электрифицированных
участках железных дорог, оснащённых высокими и низкими платформами, с
питанием от контактной сети постоянного тока 3000 В [87].
Весной 2013 г. ЗАО «Трансмашхолдинг», ОАО «РЖД» и «Альстом
Транспорт» подписано соглашение о разработке двухсистемного магистрального
грузового электровоза 2ЭС20 с асинхронными тяговыми двигателями. Поставки
электровозов ожидаются в декабре 2014 г. [87].
Осенью 2013 г. на экспозиции EXPO 1520 представлен маневровый
тепловоз ТЭМ35 с асинхронными тяговыми двигателями [87].
Ввод в эксплуатацию принципиально нового подвижного состава, которым
является подвижной состав с асинхронным тяговым приводом, требует
разработки соответствующих стандартов, норм и правил как в отношении
эксплуатации, так и в отношении ремонта и технического обслуживания.
Разработка документации по правилам ремонта должна быть выполнена в
соответствии с нормами, правилами и инструкциями по периодичности ремонта и
осмотра отдельных частей подвижного состава. На основании этого должна
проводится подготовка персонала необходимой квалификации, а также внедрение
современных методов и устройств для обеспечения качественного ремонта и
обслуживания.
1.3 Технологическая оснащенность локомотивных ремонтных депо и заводов
В настоящее время особенно острой является проблема технологической
оснащенности локомотивных ремонтных депо и заводов, в связи с тем, что объемы
ремонта неуклонно растут за счет непрерывного износа парка подвижного состава,
а переход от ручного труда к механизированному осуществляется медленными
темпами. Применение механизации и автоматизации производственных процессов
приводит как к уменьшению тяжести труда, повышению культуры производства,
24
так и к уменьшению влияния человеческого фактора на качество выполнения особо
ответственных и сложных работ [1, 2, 7, 13, 87].
Как известно, большая часть отказов происходит из-за ненадлежащего деповского и заводского ремонта подвижного состава. Например, на долю тяговых
электродвигателей приходится приблизительно треть всех отказов электрооборудования локомотивов. Устранение отказов приводит к значительным простоям
локомотивов и существенным затратам на их ремонт [110].
Двигатели подвижного состава эксплуатируются в сложных метеоусловиях,
при наличии пыли и грязи летом, снега и льда – зимой, а также при различных
нагрузках и режимах работы, зависящих от многих факторов (профиль пути, масса состава, квалификация машиниста и др.). Качественный ремонт и в особенности послеремонтные испытания тяговых электродвигателей являются одними из
самых действенных средств повышения безотказности и надежности подвижного
состава. Целью этих испытаний является получение данных, по которым можно
судить о соответствии электрической машины стандартам и техническим условиям [41, 46, 43, 50, 54, 60, 68, 74, 102, 112].
В соответствии с установленными требованиями, тяговый подвижной
состав и его основное оборудование после ремонта подвергаются испытаниям в
условиях,
приближеннных
к
эксплуатационным
по
характеру
нагрузки,
продолжительности воздействия, внешним условиям и т.п [40]. Наиболее
энергозатратными
являются
испытания
тяговых
и
вспомогательных
электрических машин.
В соответствие с «Концепцией комплексной системы диагностики тягового подвижного состава» [2] комплекс средств диагностирования электрических
машин должен может быть разделен на четыре группы:
1) комплекс средств неразрушающего контроля и технического диагностирования при капитальном и ТР-3 ремонтах локомотивов;
2) автоматизированная система послеремонтных испытаний электрических
машин;
25
3) диагностический комплекс переносных средств контроля и диагностирования технического состояния электрических машин;
4) встроенные системы диагностирования на локомотивах.
1.4 Выбор способа и схемы испытаний
асинхронных тяговых двигателей локомотивов
1.4.1 Виды испытаний электрических машин
Число различных испытаний, которым должна подвергаться электрическая
машина для того, чтобы выявить ее соответствие всем техническим требованиям,
достаточно велико. В то же время серийно выпускаемые электрические машины
незначительно отличаются друг от друга. Поэтому испытания готовых электрических машин подразделены на ряд видов, основными из которых являются приемочные, приемо-сдаточные, периодические и типовые [76]. Программы испытаний каждого из видов различны.
Приемочные испытания проводятся по наиболее подробным программам,
установленным стандартами или ТУ для данного вида машин. Их целью является
проверка соответствия выпускаемых машин всем техническим требованиям [41,
46, 43, 50, 54, 60, 68, 74, 76, 102, 112].
Типовые испытания проводят в тех случаях, если в конструкцию выпускаемых машин или в технологию их производства внесены изменения или если заменены материалы, из которых изготовлены детали машин, причем эти изменения
могут повлиять на технические свойства или качество машин. Программа типовых испытаний обычно повторяет ряд пунктов приемочных [76].
Приемо-сдаточным испытаниям подвергаются все машины, выпускаемые
предприятием. Программа приемо-сдаточных испытаний формируется из отдельных пунктов программы приемочных таким образом, чтобы при минимальных за-
26
тратах времени можно было установить соответствие конкретного экземпляра
машины основным техническим требованиям [76].
Периодические испытания проводят в определенные сроки, которые устанавливаются в стандартах или ТУ на данные типы машин для проверки качества
машин, выпускаемых серийно. Программы этих испытаний значительно шире
приемо-сдаточных программ и приближаются к программам приемочных испытаний [76].
Помимо основных регламентированных стандартами видов испытаний
электрических машин существуют также специальные испытания электрических
машин, которые проводят в тех случаях, когда требования стандартов или ТУ на
данные машины выходят за пределы требований общих стандартов [76].
Контроль за техническим состоянием электрических машин, находящихся в
эксплуатации, осуществляется проведением эксплуатационных испытаний.
Приведенные виды испытаний характеризуются высокими затратами
электрической энергии при их проведении, поэтому экономия топливноэнергетических ресурсов (ТЭР) является важным вопросом, требующим
тщательной проработки. Можно выделить следующие основные способы
экономии ТЭР [40]:
1. Применение альтернативных «безнагрузочных» методов в сочетании с
промежуточным неразрушающим контролем в процессе ремонта отдельных
деталей и сборочных единиц.
В работе [67] предлагается проводить безнагрузочные испытания, при этом
приводится следующее обоснование. Испытательные стенды, позволяющие
реализовать
асинхронных
режим
нагружения
машин
с
для
помощью
достаточно
нагрузочных
широкой
номенклатуры
агрегатов,
являются
дорогостоящими. Потребность в дорогостоящей экспериментальной установке, в
конечном счете, приводит к тому, что большинство электроремонтных служб
предприяйтий ограничиваются лишь проведением испытаний двигателей методом
холостого хода на номинальном напряжении, и, соответственно, не располагают
27
достаточным объемом информации для аргументированного заключения о
готовности двигателя к промышленной эксплуатации.
В
основе
методологии
безнагрузочных
испытаний
асинхронных
короткозамкнутых двигателей лежат [67]:
- опыт х.х. проводимый при номинальном и пониженном в 1,5 – 2 раза
напряжения сети;
- опыт к.з. при пониженном в 3 – 4 раза напряжении питания с обрывом одной из фаз питающего напряжения;
- опыт искусственного нагружения (реализация х.х. с обрывом фазы обмотки статора) при пониженном в 1,5 – 2 раза напряжении, подаваемом на обмотки
двух фаз.
При проведении опыта искусственного нагружения в качестве нагрузки АД
выступает тормозной момент обратной последовательности токов.
Порядок расчета приводится основных параметров схемы замещения, погрешность оценки параметров двигателей не превышает 4 % [67].
Хотя предлагаемый метод позволяет экономить значительную часть электрической энергии при испытании по сравнению с методами, обеспечивающими
непосредственное нагружение испытуемых двигателей, а также получить близкие
к реальным значения параметров схемы замещения для расчета рабочих характеристик, однако в любом случае, косвенные испытания противоречат существующим ГОСТам.
2. Внедрение энергосберегающих методик испытаний (испытания по
специальным
и
сокращенным
программам
с
использованием
методов
имитационного моделирования и прогнозирования технологических параметров);
3. Рекуперацией или полезным использованием преобразованной энергии
(механической, тепловой), а также комбинацией перечисленных способов.
Одним из методов 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 электриче-
28
скую 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. Структурная электрическая схема для
испытаний тяговых электродвигателей постоянного тока методом взаимной
нагрузки приведена на рисунке 1.6. [90. 91]
Необходимый токовый режим испытываемых тяговых двигателей (ТЭД)
создается
вольтодобавочным
преобразователем
(ВДП),
компенсирующим
электрические потери в системе испытуемых двигателей. Режим напряжения
обеспечивается
линейным
преобразователем
(ЛП),
возмещающим
потери
холостого хода, добавочные и магнитные потери в испытываемых двигателях за
счет первичной сети.
Экономические
показатели
метода
взаимной
нагрузки
и
качество
испытаний определяются его технической реализацией, схемным исполнением и
элементной базой функциональных устройств, наличие средств автоматизации
испытаний, приборного контроля и диагностирования.
Сеть
ЛП
ТЭД1
ТЭД2
ВДП
Сеть
Рисунок 1.6 – Структурная электрическая схема для испытаний тяговых
электродвигателей постоянного тока методом взаимной нагрузки
29
1.4.2 Периодичность проведения испытаний
тяговых асинхронных двигателей
Правила ремонта элеектрических машин электровозов, тепловозов и моторвагонного подвижного состава устанавливают объем, периодичность выполнения
и организацию работы при текущих видах ремонта и технического обслуживания
в локомотивных депо и пунктах технического обслуживания локомотивов [116].
Предусматривается
обслуживания
и
ремонта
выполнение
электровозов
следующих
видов
постоянного,
технического
переменного
тока,
электропоздов, тепловозов [44]:
- технические обслуживания ТО-1 и ТО-2 для предупреждения появления
неисправностей [44];
- техническое обслуживание ТО-4 для обточки бандажей колесных пар без
выкатки их из под электровоза [44];
- техническое обслуживание ТО-5 выполняется в процессе подготовки
электровоза для постановки в запас; в процессе подготовки к отправке в
недействующем состоянии в капитальный ремонт на заводы или в другие депо, в
процессе подготовки к эксплуатации после постройки, ремонта, выдачи из запаса
[44];
- текущие ремонты ТР-1, ТР-2, ТР-3 для обеспечения или восстановления
работоспособности
электровозов
в
соответствующих
межремонтных
периодах[44]$
- средний ремонт локомотива (СР)
восстановления
исправности
и
– ремонт, выполняемый для
частичного
восстановления
ресурса
локомотива[44]$
- капитальный ремонт локомотива (КР) – ремонт, выполняемый для
восстановления эксплуатационных характеристик, исправности локомотива и его
ресурса, близкого к полному [44].
30
Приведенные
объемы,
периодичность
и
буквенные
обозначения
технического обслуживания и текущих ремонтов относятся к локомотивам
советсткой постройки. Для этих локомотивов составлены Правила ремонта в
которых определены объемы, периодичность, требования, предъявляемые к
основному оборудованию, при их ремонте и техническом обслуживании.
Для подвижного состава с асинхронным тяговым приводом характерна
проблема оснащенности нормативной документаций. Например, отсутствуют
Правила ремонта подвижного состава с асинхронным тяговым приводом, Правила
ремонта электрических машин и т.д.
Разработка новых Правил необходима в связи с принципиальным отличием
современных локомотивов. Как отмечалось выше, принципиальное отличие в
типе привода приводит к изменению межремонтных пробегов и самой программы
ремонта.
Так, для локомотивов серии 2ЭС10 с асинхронным тяговым приводом в
таблице 1.2 приведены виды и периодичность технического обслуживания и
ремонта, из руководства по эксплуатации данного электровоза.
Разборка двух асинхронных тяговых двигателей с их последующим
испытанием предусмотрена в программе текущего ремонта ТР-900. В руководстве
по эксплуатации в данном пункте также отмечено, что для испытания выбираются
двигатели, отличающиеся по нагреву; на основании проведенных испытаний
принимается решение об испытаниях остальных двигателей и уточнении сроков
проведения технического обслуживания, текущих ремонтов. Как видно, никакой
конкретной информации по видам испытаний и методам их проведения в
руководстве по эксплуатации нет, а также не указано на основании каких данных
может проводиться уточнение сроков выполнения технического обслуживания и
текущих ремонтов.
Наличие такой документации вносит неопределенность в технологический
жизненный цикл эксплуатируемого подвижного состава, что неизбежно приведет
к ухудшению качества ремонта и возможному увеличению затрат на проведение
ремонта и диагностирования.
31
Таблица 1.2 – Виды и периодичность технического обслуживания и ремонта электровоза 2ЭС10
Виды обслуживания и ремонта
Межремонтный пробег
Техническое обслуживание (ТО-2)
15 000 км
Текущий ремонт (ТР-150)
150 000 км
Текущий ремонт (ТР-600)
600 000 км
Текущий ремонт (ТР-900)
900 000 км
Средний ремонт (СР)
1 800 000 км
Капитальный ремонт (КР)
3 600 000 км
1.4.3 Анализ существующих методов испытаний
асинхронных тяговых двигателей локомотивов
Согласно ГОСТ 11828.86 «Машины электрические вращающиеся. Общие
методы испытаний» [46], предприятие, проводящее испытания двигателей, вправе
выбирать, сообразуясь с конкретными возможностями наиболее подходящий
метод, если иное не оговорено в стандартах и технических условиях на
конкретные виды электрических машин.
ГОСТ 11828 – 86 [46] устанавливает общие правила проведения испытаний,
требования к измерительным приборам и измерениям, а также методы испытаний.
Программа
приемочных
испытаний
асинхронных
двигателей
по
ГОСТ 183-74 «Машины электрические вращающиеся. Общие технические
условия» [48]:
- измерения сопротивления изоляции обмоток относительно корпуса
машины и между обмотками;
- измерения сопротивления обмоток при постоянном токе в практически
холодном состоянии;
32
- испытание изоляции относительно корпуса и между обмотками на
электрическую прочность;
-
испытание
междувитковой
изоляции
обмоток
на
электрическую
прочность;
- определение тока и потерь х.х.;
- определение тока и потерь к. з.;
- испытание при повышенной частоте вращения;
- испытание на нагревание;
- определение к.п.д., коэффициента мощности и скольжения;
- испытание на кратковременную перегрузку по току;
- определение максимального вращающего момента;
- определение минимального вращающего момента при пуске;
- определение начального пускового момента и начального пускового тока;
- измерение вибрации;
- измерение уровня шума.
ГОСТ 7217 – 87 «Асинхронные двигатели. Методы испытаний» [54] устанавливает следующие методы испытаний:
а) измерение сопротивления обмоток при постоянном токе;
б) определение коэффициента трансформации двигателей с фазным ротором;
в) определение тока и потерь холостого хода;
г) определение тока и потерь короткого замыкания, начального пускового
вращающего момента и начального пускового тока;
д) испытание на нагревание;
е) определение рабочих характеристик, коэффициента полезного действия,
коэффициента мощности и скольжения;
ж) определение кривой вращающего момента, значений максимального и
минимального вращающих моментов;
з) экспериментальное определение параметров схемы замещения с одним
контуром на роторе;
33
и) определение частотных характеристик;
к) определение добавочных потерь.
Стандарт не определяет объем испытаний, но если испытание проводят, то
оно должно выполняться в полном соответствии с ним [48]. Программы испытаний двигателей различных видов, периодичность их проведения, а также количество испытуемых двигателей указывают в стандартах или технических условиях
на конкретные виды двигателей.
В учебном пособии «Асинхронный тяговый привод локомотивов», который
написан на основе действующих стандартов и правил по проведению испытаний
асинхронных
двигателей,
устанавливается
следующий
перечень
приемо-
сдаточных испытаний [20]:
- определение направления вращения ротора;
- измерение сопротивления изоляции относительно корпуса и между обмотками в практически холодном состоянии;
- измерение сопротивления фазных обмоток статора постоянному току в
практически холодном состоянии;
- испытание на нагревание при продолжительной, часовой или другой кратковременной нагрузке;
- испытания при повышенной частоте вращения;
- испытания электрической прочности междувитковой изоляции обмоток
статора;
- измерение сопротивления изоляции обмоток относительно корпуса и между обмотками;
- испытания электрической прочности изоляции обмоток относительно корпуса и между обмотками;
- определение тока и потерь холостого хода при номинальных частоте тока
статора и напряжении;
- определение тока статора и потерь в режиме короткого замыкания при номинальной частоте тока статора и напряжении, обеспечивающем ток статора, не
превышающий более чем на 10% номинальный;
- проверка уровня вибрации.
34
Из приведенных в стандартах перечней испытаний для асинхронных
двигателей можно выделить следующие положения:
- наиболее энергозатратными являются: предполагающие часовой режим
испытаний при номинальной нагрузке испытуемых двигателей: испытание на
нагревание, определение рабочих характеристик, коэффициента полезного действия, коэффициента мощности и скольжения, определение кривой вращающего
момента, значений максимального и минимального вращающих моментов;
- в ГОСТ 7217-87 [54], который устанавливает методы испытаний асинхронных двигателей, не предусматривает проведение испытания на нагревания
при приемосдаточных испытаниях. Однако, как упоминалось выше, в некоторых
источниках предлагается проведение испытания на нагревание приемо-сдаточных
испытаний асинхронных тяговых двигателей. Эти два противоречащих друг другу
положения требуют уточнения путем разработки нормативной документации, регламентирующей проведение испытаний асинхронных тяговых двигателей;
- вспомогательные асинхронные двигатели испытывают на нагревание при
квалификационных и периодических испытаниях, что также требует применения
схем и методов, которые позволят экономить электрическую энергию при
проведении испытаний.
1.4.4 Анализ применяемых схем испытаний асинхронных двигателей
В настоящее время известны множество схем испытаний асинхронных двигателей, реализующих возврат электрической энергии в сеть или обратно испытуемому
двигателю, что позволяет добиться экономии электрической энергии при проведении
испытаний [60, 121].
Так одна из схем, обеспечивающих возврат электрической энергии, состоит из
двух асинхронных машин (рисунок 1.7, а). Обе асинхронные машины подключены к
сети и каждая из них механически связана с машинами постоянного тока, которые
электрически связаны между собой. При этом машины постоянного тока используются в качестве промежуточного (регулировочного) звена [60].
35
Еще одна схема, обеспечивающая возврат электрической энергии (рисунок 1.7,
б), состоит из испытуемого двигателя 1, нагрузочной машины 2, агрегата, в состав которого входят гонный двигатель 3, синхронный генератор 4, машина двойного питания 5, преобразовательное устройство 6, сеть 7 [17].
Гонный двигатель 3 обеспечивает вращение агрегата и покрывает потери в нем,
в испытуемой 1 и нагрузочной машинах 2. Генератор 4 обеспечивает питание испытуемой машины 1 синусоидальным напряжением, не зависящим от формы кривой преобразовательного устройства 6 и сети 7. Машина двойного питания 5 выполняет несколько функций: передает рекуперируемую энергию на вал агрегата, обеспечивает
нагрузочную машину 2 реактивной энергией, суммирует частоты на выходе нагрузочной машины 2 – f1(1 – S1 – S2) и частоты преобразовательного устройства 6 –
f1(S1+S2), уравнивая их с частотами агрегата и сети f1, где S1 и S2 скольжения испытуемой 1 и нагрузочной машины 2 соответственно [17].
Источник электрической
энергии
АД
МПТ
МПТ
АД
АД – асинхронный двигатель, МПТ – машина постоянного тока.
а
б
Рисунок 1.7 – Схемы испытаний асинхронных электрических двигателей, обеспечивающие возврат электрической энергии в сеть
36
К недостаткам приведенных схем можно отнести: наличие дополнительных
электрических машин; испытания электрических машин возможны только при промышленной частоте f = 50 Гц, что не позволяет проводить испытания двигателей,
рассчитанных на работу при частоте отличной от 50 Гц; невозможность проведения
испытаний по определению потерь и коэффициента полезного действия двигателей,
рассчитанных для работы от преобразователей частоты, т.к. согласно ГОСТ 25941–83
[51] такие двигатели дожны быть испытаны совместно с преобразователями частоты.
Разновидностью схем возвратной работы, обеспечивающих испытание электрических машин, является метод взаимной нагрузки, достоинства которого рассмотрены ранее. Метод взаимной нагрузки, при котором реализуется испытание двух однотипных асинхронных двигателей, может быть реализован с использованием преобразователей частоты. Более того согласно ГОСТ 25941–83 [51], испытание
асинхронных двигателей, предназначенных для работы соместно с преобразователями
частоты, должны проводиться с использованием этих же типов преобразователей
частоты.
Одной из схем испытаний [40], реализующих взаимную нагрузку испытуемых
асинхронных тяговых двигателей, с применением преобразователей частоты является
схема, приведенная на рисунке 1.8. Данная схема состоит из двух испытуемых асинхронных тяговых двигателей АТЭД1, АТЭД2, питание которых осуществляется от
преобразователей частоты ПЧ1, ПЧ2 с рекуперацией энергии в сеть.
Источник электрической
энергии
ПЧ1
ПЧ2
АТЭД1
АТЭД2
Рисунок 1.8 – Структурная схема испытаний асинхронных тяговых двигателей
методом взаимной нагрузки с использование двух преобразователей
с возможностью рекуперации энергии в сеть
37
Другой схемой испытаний асинхронных тяговых электродвигателей, при
которой реализуется метод их взаимной нагрузки, является устройство для испытания асинхронных тяговых двигателей (рисунок 1.9) [25 – 30]. Устройство состоит из двух одинаковых асинхронных тяговых электродвигателя АМ1 и АМ2,
механически связанных между собой муфтой 2, преобразователя часты 1, и двух
групп контакторов 3 – 6, которые дают возможность обеспечить работу каждого
из двигателей АМ1 или АМ2 от преобразователя частоты 1, либо от промышленной трехфазной сети. При этом если первый двигатель АМ1 работает от преобразователя частоты в качестве испытуемого двигателя, то второй двигатель АМ2
работает в режиме генератора от сети, и наоборот. Частота и напряжение сети в
этом случае должны соответствовать номинальным значениям для указанных
двигателей.
При замкнутых контакторах 3 и 6, АМ1 работает в двигательном режиме,
питаясь от преобразователя частоты 1, а АМ2 в генераторном режиме возбуждается от сети. АМ1, работающий через преобразователь частоты 1, получает питание напряжением с частотой выше сетевой, а следовательно частота вращения
АМ2 выше синхронной. При этом энергия, вырабатываемая АМ2, отдается в сеть,
а схемой в целом из сети потребляется активная мощность только на покрытие
потерь обеих машин. Для испытания второго двигателя, положение контакторов
переключается таким образом, чтобы теперь АМ2 работал от преобразователя частоты 1, а АМ1 – от сети напрямую [95].
Приведенная схема (устройство) реализует режим взаимной нагрузки испытуемых асинхронных машин. К недостаткам такой схемы можно отнести: необходимость использования дополнительной коммутационной аппаратуры; работа
машины, переходящей в режим генератора, непосредственно на сеть, что требует
потребления схемой реактивной энергии; невозможность испытания двигателя
при номинальной частоте питающего напряжения под нагрузкой.
38
1
3
5
4
АМ1
6
АМ2
2
Рисунок 1.9 – Структурная схема испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки с использование одного преобразователя частоты
без возможности рекуперации энергии в сеть
Одна из
схем испытаний
асинхронных
тяговых
двигателей
была
предложена сотрудниками Омского государственного университета путей
сообщения (рисунок 1.10), в которой используются преобразователи частоты [8].
Основная идея которой состоит в передаче электрической энергии по общей шине
постоянного тока, соединяющей звенья постоянного тока каждого из частотных
преобразователей. К тому же преобразовали выполнены без возможности
рекуперации электрической энергии в сеть, т.е. с неуправляемым выпрямителем
на
входе.
В
схеме
использован
тормозной
резистор,
подключаемый
кратковременно в момент перехода асинхронного двигателя в режим генератора.
Тр
Р
380 В
АВ1
АВ2
5
3
12
6
4
7
8
11
13
+
+
+
Rт
-
-
-
Iг
+
+
-
-
9
10
1
G
2
М
Рисунок 1.10 – Структурная схема испытаний асинхронных тяговых двигателей
методом взаимной нагрузки с использование двух преобразователей
без возможности рекуперации энергии в сеть
39
Идея объединения звеньев постоянного тока преобразователей частоты
между собой, либо с другими устройствами не является новой. Она используется
для передачи, распределения или гашения электрической энергии, поступающей
от двигателя, переходящего в генераторный режим (при торможении), в звено
постоянного тока преобразователя частоты.
В преобразователях частоты с общей шиной постоянного тока энергия торможения может потребляться другим приводом, работающим в двигательном режиме [105].
Схема состоит из двух испытуемых асинхронных электродвигателей 1, 2,
подключенных к однотипным частотным преобразователям 3, 4. При этом каждый преобразователь состоит из выпрямительных блоков 5, 6, звеньев постоянного тока 7, 8, управляемых инверторов 9, 10, цепи связи по постоянному току 11 и
управляемого тормозного модуля 12 с подключенным к нему блоком сопротивлений 12.
Тормозной модуль представляет собой устройство, предназначенное для
работы в составе преобразователя частоты в качестве внешнего устройства торможения асинхронного двигателя. Применяется для рассеивания энергии торможения на подключаемых к нему тормозных резисторах [113].
Для работы схемы необходимо выполнить действия в следующей последовательности. Подключить механически сопряженные асинхронные электродвигатели к однотипным частотным преобразователям с общим звеном постоянного
тока. Далее посредствам частотных преобразователей производится плавный пуск
электродвигателей до испытуемой частоты вращения и при таком режиме в цепи
одного из двигателей снижают частоту питающего напряжения на 2 – 4 Гц. В цепь
звена постоянного тока частотного преобразователя, в котором снижена частота
питающего напряжения, кратковременно в течение 1 – 2 с, подключают активную
нагрузку в виде блока сопротивлений, обеспечивающих гашение энергии в пределах 20 – 25% от номинальной мощности электродвигателя. Что обеспечивает
устойчивость системы самовозбуждения и, как следствие, этот двигатель переходит в режим генератора, который через цепь общего звена постоянного тока пере-
40
дает энергию к сопряженному электродвигателю. При необходимости смена режимов работы сопряженных электродвигателей производится по изложенной выше последовательности.
Недостатком данной схемы является избыточность используемого оборудования: управляемых тормозных модулей, блоков сопротивлений. Назначение
тормозных модулей и блоков сопротивлений состоит в обеспечении гашения избыточной энергии, которая накапливается в звене постоянного тока, при торможении двигателей. При реализации метода взаимной нагрузки по предлагаемой
схеме, вырабатываемая генератором электрическая энергия передается испытуемому двигателю за счет электрической связи звеньев постоянного тока, таким образом, необходимость в применении такого оборудования отсутствует. Наличие
данного оборудования приводит к дополнительным потерям мощности в схеме,
усложнению системы управления, а также общему снижению надежности схемы.
Общей особенностью рассмотренных схем взаимной нагрузки асинхронных
тяговых двигателей является применение преобразователей частоты, которые
обеспечивают питание испытуемых двигателей напряжением несинусоидальной
формы и переменной частоты. Частота питающего напряжения может изменяться
в широком диапазоне нагрузки от режима холостого хода до нагрузки выше
номинальной (например, при снятии рабочих характеристик). При этом в
процессе испытаний необходимо проводить измерения подводимой и отдаваемой
мощности, токи, напряжения, частоты, что выдвигает особые требования к
применяемыем средствам измерения. Поскольку промышленностью серийно
такие приборы не выпускатся, то в ряде источников предлагается использование
различных аппаратно-программных комплексов [16, 26, 93]. Такие комплексы
отличаются высокой стоимостью и сложностью в изготовлении, а также прежде,
чем
их
использовать,
необходимо
подтвердить
их
класс
точности.
В
функциональные возможности преобразователей частоты входит измерение и
расчет показателей, которые должны быть зафиксированы в процессе испытаний
асинхронных
двигателей,
однако
преобразователи
частоты
не
являются
средствами измерения утвержденными в Госреестре, поэтому не могут быть
41
использованы в качестве достоверных средств измерений. Таким образом,
проблема выбора средств измерений при испытании асинхронных двигателей с
применением преобразователей частоты является весьма актуальной.
По сути, при таких условиях, для определения подводимой или генерируемой мощности требуется знать сумму потерь в выпрямителе и инверторе преобразователя частоты как двух его основных составляющих. В большинстве ПЧ
соотношение потерь предварительно может быть оценено следующим образом:
40 % – потери в выпрямителе, 15 % – постоянные потери, не зависящие от
нагрузки (потери в системе управления, в звене постоянного тока), 45 % – потери
в автономном инверторе [18]. В диссертации приводится методика определения
потерь в частотных преобразователях для различных схем измерений, которая
позволяет определить эти потери в зависимости от величины нагрузки испытуемого двигателя.
Как отмечалось выше, высокий уровень развития преобразовательной техники позволяет получить достаточно большой выбор преобразователей частоты,
которые имеют разнообразную элементную базу, принцип действия и функциональные возможности. Это создает возможности для дальнейшего совершенствования рассмотренных схем испытаний, а также предложения методик определения мощности к этим схемам, что показано в главе 4 настоящего исследования.
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1
1. Показана актуальность модернизации существующей и создание новой
инфраструктуры и системы ремонта для внедряемого подвижного состава с асинхронным тяговым приводом.
2. В результате анализа основных схем испытаний асинхронных тяговых
двигателей, выявлены их достоинства и недостатки; среди схем выделены наименее энергозатратные, которыми являются схемы, реализующие метод взаимной
нагрузки с использованием преобразователей частоты.
42
3. Выявленные недостатки существующих схем испытаний асинхронных
тяговых двигателей (невозможность испытания при номинальной частоте, отличной от частоты питания сети, и избыточность используемого оборудования) показывают на необходимость разработки новых схем испытаний.
4. В результате анализа основных видов испытаний, входящих в программу
испытаний асинхронных тяговых двигателей, выделены наиболее энергозатратные, для которых актуально применение схем испытаний, обеспечивающих реализацию метода взаимной нагрузки при проведении испытаний.
43
2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИСПЫТАНИЙ
АСИНХРОННЫХ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛОКОМОТИВОВ
МЕТОДОМ ВЗАИМНОЙ НАГРУЗКИ
2.1 Математическое описание работы основных элементов схемы
Моделирование процесса испытаний асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки выполняется для схемы [9]. В данной схеме можно выделить следующие основные элементы:
- источник трехфазного переменного напряжения;
- два однотипных преобразователя частоты;
- два однотипных испытуемых двигателя;
- механическая связь между испытуемыми двигателями.
Источник трехфазного переменного напряжения полагаем источником бесконечной мощности: изменение режима работы схемы не влияет на величину питающего напряжения.
Преобразователи частоты выполнены двухзвенными, осуществляющими
двойное преобразование энергии: сначала подведенное напряжение выпрямляется
с помощью неуправляемого выпрямителя, затем инвертируется с помощью
управляемого инвертора для питания испытуемых двигателей. Такая конструктивная особенность применяемых в схеме преобразователей частоты требует моделирования работы выпрямительной блока и инверторного.
Испытуемые двигатели выполнены трехфазными асинхронными с короткозамкнутым ротором. Требуется составить математическую модель, адекватно
описывающую работу двигателей в условиях их питаниях трехфазным несинусоидальным напряжением.
Механическая связь испытуемых двигателей выполнена абсолютно жесткой
с коэффициентом передачи равным единице, что обеспечивает равенство угловых
частот вращения валов двигателей. Данное положение требуется учесть при со-
44
ставлении математической модели процесса испытаний асинхронных двигателей
методом взаимной нагрузки.
2.1.1 Выбор математической модели, описывающей процессы в трехфазном
асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором
Круговое поле в воздушном зазоре может быть не только в двухфазной, но
и в трех-, четырех- и m-фазной обобщенной электрической машине. Если многофазная машина симметричная, а напряжения на ее обмотках синусоидальные, то
удобно анализировать многофазную машину, приведя ее к двухфазной. Однако
при исследовании несимметричных машин с учетом пространственных гармоник
или при несинусоидальных напряжениях приводить машину к двухфазной неправомерно, так как поля в зазоре двухфазной и многофазной машин в этих условиях
отличаются друг от друга.
Существует множество математических моделей асинхронных двигателей.
Однако большинство из них сводится к описанию основных процессов либо через
токи, либо через потокосцепления [58, 75, 108, 118, 120]. В качестве математической модели, описывающей работу трехфазного асинхронного двигателя принята
модель, выраженная через токи статора [118]. Выбранная модель является менее
громоздкой, требует меньшего времени для ее расчета в системе MathCAD и позволяет оперировать непосредственно токами, что упрощает расчет параметров,
регистрируемых в процессе испытаний.
Принятая система уравнений для трехфазного асинхронного двигателя
представлена в виде выражения (2.1).
В приведенной системе уравнений приняты следующие обозначения:
- i1a, i1b, i1c – фазные токи статора;
- u1a, u1b, u1c – фазные напряжения статора;
- R1 – активное сопротивление фазы статора;
45
1
 di1a
 dt  L  ( u1a  i1a  R1  k r  ea );
1

 di1b
1

 ( u1b  i1b  R1  k r  eb );

dt

L
1

 di1c
1

 ( u1c  i1c  R1  k r  ec );

dt

L
1

 di2 a
1

 ( k s  ( u1a  i1a  R1 )  ea );

dt

L
2

 di2 b
1

 ( k s  ( u1b  i1b  R1 )  eb );

L2
 dt
 di 
1
 2c  
 ( k s  ( u1c  i1c  R1 )  ec );
L2
 dt
 dw 1

  ( M  M c  signw ).
 dt J
(2.1)
- σ – коэффициент рассеяния, учитывающий связь индуктивности статора
L1, индуктивности ротора L2 и наибольшее значение взаимной индуктивности
трехфазной обмотки L12:
  1
где
L212
L1  L2
(2.2)
L1 – индуктивность обмотки статора, которая определяется двумя составля-
ющими:
L1  L12  L1 ;
где
(2.3)
L1σ – индуктивность рассеяния фазы статора;
L12 – наибольшее значение взаимной индуктивности трехфазной обмотки:
L12 
где
3
Lm ;
2
(2.4)
Lm – максимальное значение взаимной индуктивности между фазами стато-
ра и ротора;
L2 – индуктивность обмотки ротора:
L2  L12  L2 ;
где
(2.5)
L2σ – индуктивность рассеяния фазы ротора;
- kr, ks – коэффициенты магнитной связи ротора и статора трехфазной об-
мотки:
46
kr 
ks 
L12
;
L2
L12
;
L2
(2.6)
(2.7)
- ea , eb , ec – приведенные к статору э.д.с., индуктируемые потокосцеплением ротора:
ea  i2 a  R2  wэл  ( L12  i1cb  L2  i2cb );
(2.8)
eb  i2 b  R2  wэл  ( L12  i1ac  L2  i2ac );
(2.9)
ec  i2 c  R2  wэл  ( L12  i1ba  L2  i2ba ).
где
(2.10)
i2 a , i2 b , i2 c – приведенные к статору токи ротора по ортогональным осям фаз
(рисунок 2.1);
R2 – активное сопротивление ротора;
i1cb, i1ac, i1ba – токи по осям, ортогональным фазам статора:
i1cb 
1
 (i1b - i1c );
3
(2.11)
i1ac 
1
 (i1c - i1a );
3
(2.12)
i1ba 
1
 (i1a - i1b );
3
(2.13)
i2cb, i2ac, i2ba – токи по осям, ортогональным фазам ротора:
i2cb 
1
 (i2b - i2c );
3
(2.14)
i2ac 
1
 (i2c - i2a );
3
(2.15)
i2ba 
1
 (i2a - i2b ).
3
(2.16)
 эл – скорость вращения магнитного поля;
k r  p п  ;
где
pп – число пар полюсов;
 – угловая скорость вращения ротора.
- M – электромагнитный момент двигателя
(2.17)
47
M   pп  L12  ( i1a  i2cb  i1b  i2ac  i1c  i2ba )
(2.18)
- Mс – момент сопротивления на валу двигателя;
- J – момент инерции двигателя.
a
i1a
u1a
i2a
u2a
ω
i2c
u2c
i1c
u1c
i2b u2b
i1b u1b
c
b
Рисунок 2.1 – Пространственное распределение токов, напряжений
в асинхронной машине
2.1.2 Математическое описание преобразователей частоты для выбранного
закона управления
Неуправляемые выпрямители, используемые в преобразователях частоты,
выполняются по шестипульсовой схеме Ларионова [31, 32, 61, 62, 63, 69].
Математическая модель неуправляемого выпрямителя задана в виде пульсаций выпрямленного напряжения, амплитуда и время каждого импульса задаются следующими выражениями [32, 61, 65]:
48

1 
U пульс ( t )  3 U m  sin100  t   
12  

Tвып 
где
(2.19)
1
,
6  fc
(2.20)
Um – амплитуда напряжения сети, В;
fс – частота сети, Гц.
Работа неуправляемого выпрямителя, с учетом приведенных выше выраже-
ний, задается следующей кусочной функцией:
uпульс ( t ), при 0  t  Tвып

uвып (t)  uпульс ( t )  (t - n  Tвып ), при n  Tвып  t  ( n  1 )Tвып

n  N
(2.21)
Двухзвенные преобразователи частоты с неуправляемым выпрямителем являются одним из самых распространенных видов преобразователей (рисунок 2.2).
Регулирование подведенного к двигателям напряжения осуществляется методом
широтно-импульсной
модуляции
посредством
управления
работой
IGBT-
транзисторов, составляющих основу элементной базы второго звена преобразователя частоты – управляемого инвертора [24, 89].
Принцип работы ШИМ основан на сравнении задающих сигналов с
величиной опорного напряжения. Например, если в конкретный момент времени
задающий сигнал какой-либо фазы больше опорного, то открывается нечетный
транзистор, который относится к этой фазе, в противном случае – четный. В
случае, если одновременно три сигнала по трем фазам оказались больше или
меньше опорного, то открываются все нечетные или четные транзисторы, что
приводит к отсутствию напряжения на выходе управляемого инвертора [33, 103,
113, 118].
На рисунке 2.3 представлен сформированный сигнал напряжения фазы a.
49
к источнику питания
А
2
В
С
VD1
VD2
VD3
VD4
VD5
VD6
L1
3
С1
1
+
4
VD7
VD8
VT1
VT2
VD9
VD10
VT3
Система
управления
VT4
VD12
VD11
VT5
VT6
А
В
С
к потребителю
Рисунок 2.2 – Структурная схема двухзвенного преобразователя частоты с неуправляемым выпрямителем:
1 – преобразователь частоты; 2 – неуправляемый выпрямитель; 3 – звено постоянного тока; 4 – управляемый выпрямитель-инвертор с системой управления.
U na vyhode SPCh
50
628.515
250
00
ua,
В
-250
мс
6,7
t
20
 628.515
Рисунок 2.3 – Форма сигнала напряжения 3фазы А на выходе управляемого инвертора (без учета фильтра в звене
0
6.постоянного
6 66710
0.0 133
0.0 2
тока преобразователя частоты)
51
На
рисунке
2.4
показана
принципиальная
схема
трехфазного
преобразователя частоты с системой управления его работой. Система управления
представляет собой источник задающих синусоидальных сигналов u*1A, u*1В, u*1С,
поступающих, одновременно с сигналом опорного пилообразного напряжения uоп,
на вход нуль-органа (НО). Результат сравнения направляется вход формирователя
импулься Ф, который открывает один из IGBT-транзисторов.
Рисунок 2.4 – Принципиальная схема трехфазного преобразователя частоты с
системой управления: 1 – управляемый выпрямитель-инвертор; 2 – система
управления.
Выполнено быстрое преобразование Фурье с помощью встроенной в
MATHCAD функции – БПФ [57, 72, 88, 95, 96, 111] . Функция fft(u) выполняет
прямое БПФ для сигналов напряжения, которые представлены в виде векторов
действительных чисел. В результате были получены порядковые номера
52
гармоник, входящих в сформированный несинусоидальный сигнал напряжения.
На рисунках 2.5 и 2.6 представлены результат разложения на гармоники
сформированного сигнала напряжения фазы a частотой 50 Гц и обратное
преобразование сигнала напряжения с выделением первой гармоники.
Для оценки влияния высших гармоник на основную было выполнено
обратное преобразование Фурье с помощью встроенной функции MATHCAD
ifft(u) [57, 72, 88, 95, 96, 111]. Выделим амплитуды гармоник, входящих в сигнал
напряжения (рисунок 2.4), результаты представим в виде таблицы 2.1.
Таблица 2.1 – Результаты расчета амплитудных значений гармоник напряжения
по фазам
Амплитуда гармоник Um, В, по фазам
Порядковый
номер гармоники
a
b
c
1
312
312
312
5
9,6
8,9
8,9
7
9,9
8,8
8,9
78
104
104,7
104,6
82
103
104,8
104,6
159
60
60,5
60,4
161
60
60,3
60,1
236
51,5
50,7
50,8
244
51
50,6
50,5
313
19
16,6
16,5
315
37,7
39
39
319
22,6
21,8
21,9
По данным таблицы 1 видно, что порядковые номера высших гармоник,
входящих в рассматриваемый сигнал напряжения 50 Гц, формирируемый
пилообразным напряжением частотой 4 кГц, кратны значениям, близким к 80:
k гарм 
где
f п 4000

 80
fc
50
,
fп – частота опорного пилообразного напряжения, Гц;
fс – частота задающего сигнала, Гц.
(2.22)
53
Garmoniki U na vyhode SPCh
312 4
110
3
U5m,10
В
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
200
Номер гармоники
Рисунок 2.5 – Гармонический состав сформированнного инвертором сигнала напряжения частотой 50 Гц
Obratnoe preobrazovanie/1 garmonika
628.515
uоп
ua
0
-uоп
 628.515
0
3
5510
0.01
10
0.015
15
t, мс
Рисунок 2.6 – Обратное преобразование Фурье для сигнала напряжения частотой 50 Гц на выходе инвертора
0.02
20
54
Для моделирования системы управления преобразователя частоты был составлен алгоритм работы генератора линейных импульсов напряжения, фрагмент
которого приведен на рисунке 2.7.
Рисунок 2.7 – Фрагмент алгоритма работы генератора линейных импульсов
напряжения
Алгоритм, представленный на рисунке 2.7, представляет собой задание пилообразного напряжения в виде отдельных линейных функций. На начальном
этапе задаются величина амплитуды сигнала пилообразного напряжения Uп, период формирования сигналов пилообразного напряжения T, начальный период
фронт нарастания импульса (от нуля до амплитудного значения сигнала пилообразного напряжения) T4. В приведенном фрагменте алгоритма результирующий
сигнал пилообразного напряжения задается функцией u(x) (далее по тексту uглин).
55
После этого происходит определение момента времени t в зависимости от которого и формируется требуемый уровень сигнала.
Порядок формирования сигналов напряжения по фазам a, b, c на выходе частотного преобразователя определен уравнениями (2.23), (2.24), (2.25). Формирование сигналов основано на сравнении задающих сигналов с опорным (сигналом
ГЛИН). Величина амплитуды сигнала напряжения и ее знак формируется в зависимости от соотношения знаков задающих сигналов (u′a, u′b, u′c) и сигнала ГЛИН
(uглин).
2
 3 uвып ( t )sign( u a (t) - u глин(t)), sign( ub (t) - u глин(t))  sign( uс (t) - u глин(t))  sign( u a (t) - u глин(t))

1
(2.23)
u a (t)   uвып ( t )sign( u a (t) - u глин(t)), sign( ub (t) - u глин(t))  sign( uс (t) - u глин(t))
3

0, sign( u a (t) - u глин(t))  sign( ub (t) - u глин(t))  sign( uс (t) - u глин(t))


2
 3 uвып ( t )sign( ub (t) - u глин(t)), sign( u a (t) - u глин(t))  sign( uс (t) - u глин(t))  sign( ub (t) - u глин(t))

1
(2.24)
ub (t)   uвып ( t )sign( ub (t) - u глин(t)), sign( u a (t) - u глин(t))  sign( uс (t) - u глин(t))
3

0, sign( u a (t) - u глин(t))  sign( ub (t) - u глин(t))  sign( uс (t) - u глин(t))


2
 3 uвып ( t )sign( uс (t) - u глин(t)), sign( u a (t) - u глин(t))  sign( ub (t) - u глин(t))  sign( uc (t) - u глин(t))

1
(2.25)
uс (t)   uвып ( t )sign( uс (t) - u глин(t)), sign( u a (t) - u глин(t))  sign( ub (t) - u глин(t))
3

0, sign( u a (t) - u глин(t))  sign( ub (t) - u глин(t))  sign( uс (t) - u глин(t))


2.2 Система уравнений для описания работы асинхронных двигателей при их
испытании методом взаимной нагрузки
Система уравнений для описания процессов испытаний асинхронных двигателей должна учитывать работу ее основных элементов с учетом механических и
электрических связей.
56
Разработанная математическая модель представляет собой систему из
13 дифференциальных уравнений [3, 6]:
- уравнения с первого по шестое описывают электромагнитные процессы,
происходящие в первой электрической машине;
- уравнения с восьмого по тринадцатое описывают электромагнитные процессы, происходящие во второй электрической машине;
- седьмое уравнение системы определяет общую частоту вращения механически сопряженных электрических машин, связывая электромагнитные моменты,
моменты сопротивления и моменты инерции этих машин.
Уравнения с первого по шестое и с восьмого по тринадцатое составлено из
значений подведенных напряжений к обмоткам статора u1a, u1a, u1a, активных сопротивлений обмотки статора R1, приведенных сопротивлений обмотки ротора
R2′, числа пар полюсов p, частоты вращения ротора  , индуктивностей обмоток
статора и ротора L11 и L12, взаимных индуктивностей L112. А также как отмечалось выше, дифференциальные уравнения составлены через токи обмоток статора
и ротора.
Седьмое уравнение системы составлено из электромагнитных моментов
первого и второго двигателя, момента инерции J (как суммы моментов инерции
каждого электродвигателя), взаимных индуктивностей обмоток статора и ротора
первой и второй машины L112 и L212 соответственно, момента потерь Mпот (как
суммы моментов потерь в обеих машинах).
В математической модели приняты следующие допущения [3,6]:
- не учитывается влияние высших гармоник напряжения, возникающих в результате ШИМ модуляции – сигналы напряжений приняты идеальными синусоидами. Обоснование принятого допущения приведено ниже;
- не учитываются потери в частотных преобразователях;
- не учитывается насыщение магнитной системы двигателей;
- не учитывается эффект вытеснения тока;
- не учитывается изменение активных сопротивлений с изменением температуры нагрева обмоток машин [79];
- двигатель работает в диапазоне от холостого хода до номинального режима.
57





di11b
1
p




 u1b ( t )  i11b  R1  k1r  i12 b  R 2 
   (L112  (i11c  i11a )  L12  (i12 c  i12 a ) 

dt
1  L11 
3




di11c
1
p




 u1c ( t )  i11c  R 1  k1r  i12 c  R 2 
   (L112  (i11a  i11b )  L12  (i12 a  i12 b ) 

dt
1  L11 
3





di12 a
1
p



 k1s  (u1a ( t )  i11a  R 1 )  i12 a  R 2 
   (L112  (i11b  i11с )  L12  (i12 b  i12 с ) 

dt
1  L12 
3





di12 b
1
p




 k1s  (u1b ( t )  i11b  R1 )  i12 b  R 2 
   (L112  (i11c  i11a )  L12  (i12 c  i12 a ) 

dt
1  L12 
3




di12 c
1
p




 k1s  (u1c ( t )  i11c  R 1 )  i12 c  R 2 
   (L112  (i11a  i11b )  L12  (i12 a  i12 b ) 

dt
1  L12 
3




d
p

 i11a  (i12 b  i12 с )  i11b  (i12 c  i12 a )  i11c  (i12 a  i12 b )  L112 i 21a  (i 22 b  i 22 с ) 

dt

J 3
(2.26)
M

 i 21 b  (i 22 c  i 22 a )  i 21c  (i 22 a  i 22 b ) L212   пот  sign ()

J


di 21a
1
p




 u 2 a ( t )  i 21a  R1  k 2r  i 22 a  R 2 
   (L212  (i 21b  i 21с )  L22  (i 22 b  i 22 с ) 

dt
2  L21 
3





di 21b
1
p



 u 2 b ( t )  i 21b  R1  k 2r  i 22 b  R 2 
   (L212  (i 21c  i 21a )  L22  (i 22 c  i 22 a ) 

dt
2  L21 
3





di11c
1
p




 u 2 c ( t )  i 21c  R 1  k 2r  i 22 c  R 2 
   (L212  (i 21a  i 21b )  L22  (i 22 a  i 22 b ) 
dt
2  L21 

3




di 22 a
1
p

 





 k 2s  (u 2 a ( t )  i 21a  R1 )  i 22 a  R 2 
   (L212  (i 21b  i 21с )  L22  (i 22 b  i 22 с )  
dt
2  L 2 2 
3

 

di 22 b
1
p



 k 2s  (u 2 b ( t )  i 21b  R 1 )  i 22 b  R 2 
   (L212  (i 21c  i 21a )  L22  (i 22 c  i 22 a )  
dt
2  L 22 
3




di 22 c
1
p

 





 k 2s  (u 2 c ( t )  i 21c  R1 )  i 22 c  R 2 
   (L212  (i 21a  i 21b )  L22  (i 22 a  i 22 b ) 
dt
2  L 22 
3

 


di11a
1
p



 u1a ( t )  i11a  R1  k1r  i12 a  R 2 
   (L112  (i11b  i11с )  L12  (i12 b  i12 с ) 
dt
1  L11 
3


Разработанная математическая модель позволяет получить следующие результаты [3, 6]:
- оценить эффективность применения метода взаимной нагрузки при испытании асинхронных двигателей;
- по полученным значениям напряжений, токов, потребляемой и генерируемой мощности [53] определить оптимальные параметры испытательной станции
для асинхронных двигателей с применением метода взаимной нагрузки;
- построить рабочие характеристики испытуемых двигателей.
58
2.3 Анализ влияния высших гармоник напряжения на выходе частотных
преобразователей на мощность испытуемых асинхронных двигателей
При моделировании работы инвертора в спектре гармоник напряжения, как
было отмечено ранее, присутствуют гармоники высших порядков. Выделение
этих гармоник и их последующий учет делают уравнения напряжений громоздкими, увеличивая трудоемкость расчета математической модели. Поэтому была
поставлена задача, оценить влияние высших гармоник в составе напряжения на
одну из основных выходных величин математической модели, например, электрической активной мощности, потребляемой (генерируемой) асинхронными двигателями.
Были рассмотрены следующие моделируемые сигналы напряжения 50 Гц,
45 Гц, 40 Гц при частоте коммутации транзисторов (опорном пилообразном сигнале напряжения), равной 4 кГц.
Сформированные сигналы напряжения на примере фазы а представим на
рисунке 2.8.
Выполнив разложение сформированных сигналов напряжения в ряд Фурье,
получили ряд гармоник для рассмотренных частот напряжения. Результаты математической моделирования по активным мощностям двигателя РI и генератора РII
с учетом высших гармоник в уравнениях напряжений по фазам и без их учета
представлены в таблицах 2.2 – 2.4.
В таблице 2.2 задан режим работы испытуемых машин на холостом ходу
при номинальной частоте питающего напряжения 50 Гц. Рассчитаны значения потребляемой мощности первой и второй электрической машиной РI и РII с учетом
влияния высших гармоник в составе подведенного напряжения и без их учета.
Подсчитано отклонение полученных значений относительно номинальной мощности двигателя.
59
U na vyhode S P Ch
6 28 .51 5
uоп
00
ua
-uоп
 6 28 .51 5
0
0
3
6 .6 6 671 0 -3
6,67х 10
6,6667
t, мс
а
0 .0 1 33
13,3
0,0133
01
0 .0 2
0,02
20
U na vyhode SPCh
uоп
628.515
ua
0
оп
-u
628.515
0
6,6667
х10
10-33
6,67
6.6667
t, мс
13,3
0,0133
0.0133
01
0,02
20
0.02
0,0133
13,3
0.0133
01
20
0.02
б
U na vyhode SPCh
uоп
628.515
ua
0
-u
628.515
оп
0
6,6667
6,67х10
10-33
6.6667
t, мс
в
Рисунок 2.8 – Моделируемые инвертором сигналы напряжения частотой 50 Гц (а), 45 Гц (б), 40 Гц (в)
60
Таблица 2.2 – Высшие гармоники в смоделированном инвертором сигнале напряжения частотой 50 Гц
Порядковый
номер
гармоники
Амплитуда,
В
5
9,6
7
9,9
78
104
82
103
159
606
161
60
236
51,5
244
51
Значение
мощности, Вт,
без учета
высших гармоник
Значение мощности, Вт,
с учетом высших гармоник
РI
РII
РI
РII
216
216
218
218
Относительное
отклонение
значений мощности, %
0,9
В таблицах 2.3 и 2.4 задан режим работы испытуемых машин под нагрузкой
при номинальной частоте питающего напряжения 50 Гц одной из машин и питающего напряжения частотой 45 Гц на другой машине в первом случае, во втором
случае – 40 Гц. Рассчитаны значения потребляемой мощности первой и второй
электрической машиной РI и РII с учетом влияния высших гармоник в составе
подведенного напряжения и без их учета. Подсчитано отклонение полученных
значений относительно номинальной мощности двигателя. Отрицательные значения мощности РII при работе второй электрической машины под нагрузкой соответствуют изменению направления передачи мощности, т.е. переход электрической машины в генераторный режим.
61
Таблица 2.3 – Высшие гармоники в смоделированном инвертором сигнале напряжения частотой 45 Гц
Порядковый
номер
гармоники
f1 =
50 Гц
5
f2 = 45
Гц
2
Амплитуда
f1 = 50
Гц
9,6
f2 = 45
Гц
21,3
7
3
9,9
19,8
78
4
104
17,8
82
5
103
26,7
159
6
60,6
13
161
7
60
14
236
176
51,5
82,3
244
180
51
82,6
Значение
мощности,
Вт, без учета
высших гармоник
Значение мощности, Вт,
с учетом высших гармоник
Относительное
отклонение
значений мощности, %
РI
РII
РI
РII
РI
РII
720
-217
721
-215
0,14
0,93
Таблица 2.4 – Высшие гармоники в смоделированном инвертором сигнале напряжения частотой 40 Гц
Порядковый
номер
гармоники
f1 =
50 Гц
5
Амплитуда
f1 = 40
Гц
2
f1 = 50
Гц
9,6
f1 = 40
Гц
20
7
3
9,9
14,3
78
4
104
15
82
5
103
20
159
6
60,6
23,6
161
7
60
14
236
198
51,5
83
244
202
51
84
Значение
мощности,
Вт, без учета
высших гармоник
Значение мощности, Вт,
с учетом высших гармоник
Относительное
отклонение
значений мощности, %
РI
РII
РI
РII
РI
РII
1270
-497
1267
-481
0,23
3,3
62
Таким образом, выполнив моделирование с учетом высших гармоник в составе подводимого к двигателям напряжения и без их учета, были сопоставлены
значения подводимой и генерируемой мощностей асинхронными двигателями. По
полученным результатам можно сделать вывод о том, что допущение о выборе в
качестве сигналов напряжений синусоидальных сигналов является оправданным.
Результаты расчета математической модели с учетом принятых допущений
представлены на рисунках 2.9 – 2.12.
10
10
i12a
i11a
5
i12b
i11b
0
i11c
0.04
0.08
0.12
0.16
0.2
0
0.04
0.08
0
0,04
0,08
i12c
0.12
0.16
0.2
5
 10
 10
0,04
0
0,08
0,12
t, с
с
0,2
t
t, с
а
t
0,12
с
0,2
б
Рисунок 2.9 – Расчетные значения фазных токов статора асинхронного двигателя
(а) и асинхронного генератора (б)
10
10
i21a
5
i22a
5
i22b
i21b
0
i21c
0.04
0.08
0.12
0.16
0.2
0
i22c
5
5
 10
 10
0
0,04
0,08
t, с
а
t
0,12
с
0,2
0
0.04
0,04
0.08
0,08
0.12
t
0,12
t, с
б
Рисунок 2.11 – Расчетные значения фазных токов ротора
асинхронного двигателя (а) и асинхронного генератора (б)
0.16
с
0.2
0,2
63
12
M1
0
Н·м
 12
0
0.125
0.25
0.375
0.5
t
t, с
а
12
M2
0
Н·м
 12
0
0.125
0.25
0.375
0.5
t
t, с
б
Рисунок 2.10 – Расчетные значения электромагнитного момента
асинхронного двигателя (а) и асинхронного генератора (б)
3
210
3
1.510
nр nр
об/мин
3
110
500
0
0.05
0.1
0.15
0.2
t, с
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
t
Рисунок 2.11 – Расчетное значение частоты вращения
64
3
510
3
410
3
310
3
P 1s
210
Вт
110
3
0
3
 110
0
0.125
0.25
t, с
0.375
0.5
t
а
3
510
3
410
3
310
3
P 2s
210
Вт
110
3
0
3
 110
0
0.125
0.25
t, с
0.375
0.5
t
б
Рисунок 2.12 – Расчетные значение потребляемой электрической мощности асинхронным двигателем (а) и вырабатываемой асинхронным генератором (б)
Каждый из рисунков 2.11 – 2.14 содержит участок с переходным процессом.
С целью уменьшения времени расчета математической модели в качестве начального условия принята частота вращения вала ротора обоих машин, равная
1250 об/мин.
2.4 Проверка адекватности разработанной математической модели
Проверка адекватности математической модели выполнена сопоставлением
результатов моделирования и экспериментов на физической модели. Исходными
параметрами для расчета модели приняты характеристики асинхронных двигате-
65
лей, использованных при физическом моделировании, АДМ71В4У2 [44, 66, 70,
77, 82, 114]:
- активное сопротивление фазы обмотки статора – R1 = 14,5 Ом;
- активное сопротивление обмотки ротора – R2 = 13,8 Ом;
- число пар полюсов – p = 2;
- намагничивающий ток – Iμ = 1,75 А;
- момент инерции обоих двигателей – J = 2·0,00143 кг·м2;
- индуктивное сопротивление рассеяния фазы статора – l1σ = 0,04 Гн;
- индуктивное сопротивление рассеяния фазы ротора – l2σ = 0,036 Гн;
- номинальная мощность двигателя – Pн = 750 Вт;
- номинальная частота вращения – nн = 1350 об/мин;
- номинальный вращающий момент – Mн = 5,3 Н·м;
- фазное напряжение – Uф = 220 В.
- закон управления частотными преобразователями – скалярный.
Эксперимент проводился в следующей последовательности:
- осуществлен пуск испытуемых двигателей на холостом ходу плавно увеличивая частоту подводимого напряжения с помощью преобразователей частоты до
50 Гц;
- оставив частоту питающего напряжения неизменной на первом асинхронном
двигателе, снижали частоту питающего напряжения на втором асинхронном двигателе. Тем самым обеспечивали реализацию режима взаимной нагрузки при которой
второй двигатель работал в режиме генератора, вырабатывая электрическую энергию и передавая ее через подключенный к нему частотный преобразователь, общую
шину постоянного тока, первый частотный преобразователь, первый асинхронный
двигатель.
Сопоставление результатов моделирования и эксперимента по потребляемой электрической мощностью первым асинхронным двигателем и генерируемой мощностью вторым асинхронным двигателем выполнено на рисунке 2.15
и в таблице 2.5 . Рисунок 2.13 представляет собой график зависимости потребляемой мощности первым асинхронным двигателем, генерируемой мощности
66
вторым асинхронным двигателем, полученных по результатам эксперимента и
моделирования. Зависимость мощности представлена в относительных единицах [3, 6].
Данные по режиму работы при номинальной нагрузке испытуемого двигателя приведены на рисунке 2.14 [3, 6], где указано распределение мощностей
по элементам схемы испытаний, полученное в результате измерений на физической модели и в результате моделирования (приведено в скобках).
Сопоставление результатов по мощности выполнено путем определения
отклонения результатов эксперимента и моделирования относительно номинальной мощности двигателя.
1, 6
о. е. .
P 1э ксп.
P 1м од.
1, 2
1, 0
0, 8
0, 6
0, 4
P
0, 2
0
- 0, 2
P 2м од.
- 0, 4
P 2э ксп.
- 0, 6
- 0, 8
1300
nн
1400
об/мин
1500
n
Рисунок 2.13 – Сравнение результатов моделирования и эксперимента: электрическая мощность, потребляемая первой и вырабатываемая
второй машиной
67
Источник электрической
энергии
Источник электрической
энергии
483
503
247
236
ПЧ1
ШПТ
333
170
ПЧ1
ПЧ2
ШПТ
ПЧ2
205
205 (216)
205 (216)
АД 1
АД 2
505 (504)
71 (69)
АД 1
а
АД 2
б
Источник электрической
энергии
Источник электрической
энергии
777
700
462
238
ПЧ1
ШПТ
556
ПЧ1
ПЧ2
ШПТ
ПЧ2
586
460
880 (845)
285 (293)
АД 1
221
АД 2
1092 (1040)
395 (411)
АД 1
в
АД 2
г
Рисунок 2.14 – Распределение мощности между основными элементами схемы:
а – холостой ход 50 Гц – 50 Гц; б – 50 Гц и 47 Гц; в – 50 Гц и 44 Гц;
г – 50 Гц и 42 Гц (номинальный режим нагрузки испытуемого двигателя АД1):
ШПТ – общая шина постоянного тока
На рисунке 2.14 в скобках указаны значения потребляемой и генерируемой
мощностей, полученных по результатам математического моделирования.
68
Таблица 2.5 – Результаты эксперимента и математического моделирования
Место
измерения
асинхронная
машина №1
асинхронная
машина №2
асинхронная
машина №1
асинхронная
машина №2
асинхронная
машина №1
асинхронная
машина №2
асинхронная
машина №1
асинхронная
машина №2
Частота
Pсум, Вт
S, ВА
δP, %
f, Гц
Эксперимент
Моделир.
50
205
216
50
205
50
505
n,
об/мин
δS, %
Экперимент
Моделир.
1,5
1253
1220
2,63
216
1,5
1286
1220
5,13
504
0,1
1197
1268
-5,9
47
-71
-69
0,3
1445
1425
1,38
50
880
845
4,7
1388
1417
-2,1
44
-285
-293
1,1
1519
1453
4,34
50
1092
1040
6,9
1625
1565
3,69
42
-395
-411
2,1
1862
1782
4,3
δn, %
Экперимент
Моделир.
1497
1488
0,7
1449
1440
0,7
1393
1386
0,5
1328
1346
1,3
70
2.5 Математическое моделирование процесса испытаний
асинхронных тяговых двигателей НТА-1200
методом взаимной нагрузки
Для оценки применения метода взаимной нагрузки при испытании асинхронных тяговых двигателей в качестве исследуемого выбран двигатель
НТА-1200, имеющий номинальную мощность 1200 кВт. Выбор сделан в пользу
данного двигателя поскольку, как отмечается в [23], асинхронный тяговый двигатель НТА принят как основной вариант для перспективных электровозов.
Основные параметры двигателя, необходимые для использования в качестве
исходных данных для расчета математической модели приведены в таблице 2.6.
Таблица 2.6 – Основные параметры асинхронного тягового двигателя НТА-1200
Наименование параметра
Обозначение
Величина
Номинальная мощность, кВт
P
1200
Линейное напряжение, В
Uл
2183
Фазный ток, А
Iф
385
nн
1295
fн
65,7
cosφн
0,861
ηн
0,957
Вращающий момент, кН·м
Mн
8,853
Намагничивающий ток, А
Iμ
120
Число полюсов
2p
6
r2
0,0255
Номинальная частота вращения, об/мин
Номинальная частота питающего напряжения, Гц
Коэффициент мощности
Коэффициент полезного действия
Активное сопротивление обмотки ротора при 20 ° С
(приведенное к обмотке статора), Ом
71
Окончание таблицы 2.6
Наименование параметра
Обозначение
Величина
L2σ
0,001071
r1
0,0298
L1σ
0,001348
Индуктивность рассеяния обмотки ротора, Гн
Активное сопротивление обмотки статора при 20 ° С, Ом
Индуктивность рассеяния обмотки статора, Гн
Результаты расчета математической модели, описывающей работу асинхронных тяговых двигателей при их испытании методом взаимной нагрузки приведены на рисунках с учетом принятых допущений представлены на рисунках 2.15 –
2.19.
3
410
3
410
3
i11a
210
3
i12a
i11b
i12b
0
i11c
0.04
0.08
0.12
0.16
0.2
i12c
3
А
210
0
0.04
0.08
0
0,04
0,08
0.12
0.16
0.2
3
 210
А
3
 210
3
 410
 410
0
0,04
0,08 t 0,12
t,с
0,16
0,2
t 0,12
0,16
0,2
t,с
а
б
Рисунок 2.15 – Расчетные значения фазных токов статора асинхронного тягового
двигателя НТА-1200 в режиме двигателя (а) и генератора (б)
72
3
410
3
410
3
210
3
i21a
210
i22a
i22b
i21b
0
i21c
0.04
0.08
0.12
0.16
0.2
3
А
 210
i22c
0
0.04
0.08
0.12
0
0,04
0,08 t 0,12
0.16
0.2
3
 210
А
3
3
 410
 410
0
0,04
0,08 t 0,12
0,16
0,2
t,с
0,16
0,2
t,с
а
б
Рисунок 2.16 – Расчетные значение потребляемой электрической мощности асинхронного тягового двигателя НТА-1200 в режиме двигателя (а) и генератора (б)
4
210
4
1.510
4
110
M1
Н·м
3
510
0
3
 510
4
 110
0
0.4
0.8
1.2
t,с
1.6
2
t
а
4
210
4
110
M2
Н·м
0
4
 110
4
 210
0
0.4
0.8
1.2
1.6
2
t,с t
б
Рисунок 2.17 – Расчетные значения электромагнитного момента асинхронного тягового
двигателя НТА-1200 в режиме двигателя (а) и генератора (б)
73
3
210
3
1.510
np
3
110
nр
500
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
t,с
Рисунок 2.18 – Расчетное значение частоты вращения валов двигателей НТА-1200
6
510
6
410
6
310
6
210
6
110
0
6
 110
6
 210
6
 310
6
 410
6
 510
P 1s
Вт
0
0.4
0.8
1.2
1.6
1.2
1.6
2
t,с t
а
6
P 2s
Вт
510
6
410
6
310
6
210
6
110
0
6
 110
6
 210
6
 310
6
 410
6
 510
0
0.4
0.8
2
t,с t
б
Рисунок 2.19 – Расчетные значение потребляемой электрической мощности асинхронного тягового двигателя НТА-1200 в режиме двигателя (а) и генератора (б)
74
В результате математического моделирования работы двух тяговых двигателей НТА-1200 в режиме взаимной нагрузки получены кривые, приведенные на
рисунке 2.13. Полученные кривые отражают величины потребляемой и генерируемой мощности испытуемыми асинхронными тяговыми двигателями [6].
Приведенные на рисунке 2.20 кривые показывают, что применение метода
взаимной нагрузки при испытаниях машин большой мощности дает значительно
бóльшую экономию электроэнергии. Так если при работе в номинальном режиме
при взаимной нагрузке маломощных двигателей АДМ71В4У2 на питание двигателей расходовалось 40 % от номинальной мощности, то для двигателей
НТА-1200 эта величина, полученная при моделировании, составила 10,3 % [6].
Полученные результаты математического моделирования указывают на
возможность реализации метода взаимной нагрузки при испытании асинхронных
тяговых двигателей с высокой степенью энергетической эффективности и могут
быть использованы при проектировании новых испытательных станций для тяговых асинхронных двигателей.
1,2
о.е.
P1I
0,8
0,6
.
0, 4
P1
0,2
0
-0,2
-0,4
-0,6
-0,8
-1,0
-1,2
nн =1295 1296
P1II
1297
1298
1299
1300
1301
1302
1303
1304
1305
1306
об/мин 1308
n
Рисунок 2.20 – Результаты математического моделирования по суммарной мощности, потребляемой и вырабатываемой первым и вторым асинхронным тяговым
двигателем НТА-1200
75
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2
1. Выбрана математическая модель для расчета асинхронного двигателя,
представляющая собой систему из шести дифференциальных уравнений токов
статора и ротора, что делает расчет более удобным для исследования процесса
испытаний асинхронных двигателей, т.к. токи являются параметрами непосредственно фиксируемыми в процессе испытаний.
2. Сформирована математическая модель двухзвенного преобразователя частоты: неуправляемого выпрямителя и управляемого выпрямитель-инвертора.
3. Выполнен анализ влияния высших гармоник напряжения на выходе преобразователей частоты на мощность испытуемых асинхронных двигателей.
4. Составлена математическая модель работы асинхронных двигателей при
их взаимной нагрузке, представляющая собой систему из 13 дифференциальных
уравнений.
5. Выполнена проверка соответствия результатов математического моделирования результатам экспериментов, проведенным на физической модели. Относительное расхождение мощности потребляемой либо генерируемой асинхронными двигателями при их взаимной нагрузке не превышает 7 % для рассматриваемых режимов работы от холостого хода до номинальной нагрузки асинхронного
двигателя.
6. По результатам математического моделирования показана эффективность
применения предлагаемого метода взаимной нагрузки при испытании асинхронных тяговых двигателей, на примере двигателей НТА-1200. На питание двигателей из сети расходовалось лишь 10,3 % от номинальной мощности.
76
3 ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИСПЫТАНИЙ
АСИНХРОННЫХ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛОКОМОТИВОВ
ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ МЕТОДА ВЗАИМНОЙ НАГРУЗКИ
3.1 Определение критериев подобия процессов в асинхронных двигателях
физической модели и тяговых асинхронных тяговых двигателях при их испытании методом взаимной нагрузки
Данная глава посвящена физическому моделированию процесса испытаний
асинхронных двигателей. Такой вид моделирования характеризуется тем, что исследования проводятся на установках, обладающих физическим подобием, т.е.
сохраняющих полностью или хотя бы в основном природу явлений. Перед выполнением экспериментальных исследований на физической модели испытаний
асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки требовалось установить
подобие ее процессов процессам, возникающим при испытании асинхронных тяговых
двигателей методом взаимной нагрузки [15, 36, 56, 84, 107, 109].
Для этого, используя сформированную математическую модель процесса испытаний (система (2.26)), определили критерии подобия, отношение которых (индикаторы подобия) должны равняться единице, т.е. полученные критерии для всех подобных процессов должны быть численно одинаковыми [15, 36, 56, 84, 107, 109].
Одним из положений теории подобия является то, что данные о протекании
процессов, полученные при изучении одного явления, можно распространить на
все явления, подобные данному [15, 36, 56, 84, 107, 109]. Таким образом, для определения критериев подобия выделим только три основных уравнения для первой
испытуемой машины: уравнение, описывающее изменение тока статора одной из
фаз от времени; уравнение, описывающее изменение тока ротора от времени;
уравнение, описывающее изменение угловой частоты вращения валов испытуемых асинхронных двигателей.
77
Используя правило интегральных аналогов [15, 36, 56, 84, 107, 109], преобразуем уравнение, описывающее изменения тока статора первого электродвигателя к
виду:
u1a t  i11a  R1 k1r  i1  R



σ 1  L11 σ 1  L11
σ 1  L11
'
2a
'
2
k1r 
p
3
 ω  L112  i11b  i11c 
k1r 

σ 1  L11
p
3

 ω  L12  i1'2b  i1'2c
σ 1  L11


di11a
0
dt
(3.1)
Тогда критерии подобия при рассмотрении данного процесса будут определяться как:
1  i11a  R1 ;
(3.2)
 2  k1r  i1'2a  R2' ;
(3.3)
 3  k1r 
p
 4  k1r 
p
3
3
5 
 ω  L112  i11b  i11c  ;


(3.4)
 ω  L12  i1'2b  i1'2c ;
(3.5)
i11a  σ1  L11
.
t
(3.6)
Определим индикаторы подобия для критериев подобия первого уравнения
(индекс «н» и «м» параметры асинхронных тяговых двигателей НТА-1200 и асинхронных двигателей физической модели соответственно; «с» – отношения одноименных параметров рассматриваемой системы):
 1м  i11aм  R1м

 i11aс  R1с ;
 1н  i11aн  R1н
 2м k1rм  i1'2 aм  R2' м

 k1rс  i1'2 aс  R2' с ;
'
'
 2н k1rн  i12 aн  R2н
(3.7)
(3.8)
 3м k1rм  pм  ωм  L112м  i11bм  i11cм 

 k1rс  pс  ωс  L112с  i11b  i11c с ;
 3н k1rн  pн  ωн  L112н  i11bн  i11cн 
(3.9)
 4м k1rм  pм  ωм  L12м  i1'2bм  i1'2cм 

 k1rс  pс  ωс  L12с  i1'2b  i1'2c с ;
'
'
 4н k1rн  pн  ωн  L12н  i12bн  i12cн 
(3.10)
 5м i11aм  σ1м  L11м  t н i11aс  σ1с  L11с


.
 5н t м  i11aн  σ1н  L11н
tс
(3.11)
Используя метод интегральных аналогов, преобразуем уравнение, описывающее изменения тока ротора первого электродвигателя к виду:
78


p
p
 ω  L112  i11b  i11c 
 ω  L12  i1'2b  i1'2c
k1s  u1a t  k1s  i11a  R1 i1'2 a  R2'
di1'



 3
 3
 2a  0
σ1  L12
σ1  L12
σ1  L12
σ1  L12
σ1  L12
dt
(3.12)
Тогда критерии подобия при рассмотрении данного процесса будут определяться как:
1  i11a  R1 ,  2 
3 
4 
i1'2 a  R2'
;
k1s
p    L112  i11b  i11c 
3  k1s

p    L12  i1'2b  i1'2c
3  k1s
;
;
i1'2 a  1  L12
.
5 
k1s  t
(3.13)
(3.14)
(3.15)
(3.16)
Определим индикаторы подобия для критериев подобия второго уравнения:
 1м  i11aм  R1м

 i11aс  R1с ;
 1н  i11aн  R1н
 2м i1'2 aм  R2' м  k1sн i1'2 aс  R2' с


;
 2н k1sм  i1'2 aн  R2' н
k1sс
(3.17)
(3.18)
 3м pм  ωм  L112м  i11bм  i11cм   3  k1sн pс  ωс  L112с  i11b  i11c с


; (3.19)
 3н
k1sс
3  k1sм  pн  ωн  L112н  i11bн  i11cн 
 4м pм  ωм  L12м  i1'2bм  i1'2cм  3  k1sн pс  ωс  L12с  i1'2b  i1'2c с


; (3.20)
 4н
k1sс
3  k1sм  pн  ωн  L12н  i1'2bн  i1'2cн 
 5м i1'2 aм   1м  L12м  k1sн  tн i1'2 aс   1с  L12с


.
 5н k1sм  tм  i1'2 aн   1н  L12н
k1sс  tс
(3.21)
Используя метод интегральных аналогов, преобразуем уравнение, описывающее изменения угловой частоты вращения к виду:
dω
p
p
p

 i11a  i1'2b  i1'2c  L112 
 i11b  i1'2c  i1'2 a  L112 
 i11c  i1'2 a  i1'2b  L112 
dt J  3
J 3
J 3
p
p
p

 i 21a  i 2 '2b  i 2 '2c  L 212 
 i 21b  i 2 '2c  i 2 '2 a  L 212 
 i 21c  i 2 '2 a  i 2 '2b  L 212 
J 3
J 3
J 3
M
 пот  sign(ω)  0
J
(3.22)
79
Тогда критерии подобия при рассмотрении данного процесса будут определяться как:
1 


(3.23)
 i1'2b
;
 i1'2c


(3.24)


(3.25)
2 
3 


 i1
 i1
i11b  i1'2c  i1'2 a
;
i11a  i1'2b  i1'2c
'
2a
'
2b
i11c
i11a


i 21a  i 2 '2b  i 2 '2c  L212
;
i11a  i1'2b  i1'2c  L112


 i 2
 i1


 i 2  L 2
 i1  L1
4 
i 21b  i 2 '2c  i 2 '2 a  L212
;
i11a  i1'2b  i1'2c  L112
5 
i 21c
i11a
'
2b
12
'
2c
;
(3.27)
12
3  M пот
;
p  i11a  i1'2b  i1'2c  L112
(3.28)
3  J ω
.
t  p  i11a  i1'2b  i1'2c  L112
(3.29)
6 
7 
'
2a
'
2b
(3.26)




Определим индикаторы подобия для критериев подобия второго уравнения:
 1м i11bм  i1'2cм  i1'2 aм  i11aн  i1'2bн  i1'2cн  i11bс  i1'2c  i1'2 a с


;
 1н i11aм  i1'2bм  i1'2cм  i11bн  i1'2cн  i1'2 aн  i11aс  i1'2b  i1'2c с
(3.30)
 2м i11cм  i1'2 aм  i1'2bм  i11aн  i1'2bн  i1'2cн  i11cс  i1'2 a  i1'2b с


;
 2н i11aм  i1'2bм  i1'2cм  i11cн  i1'2 aн  i1'2bн  i11aс  i1'2b  i1'2c с
(3.31)
 3м i 21aм  i 2'2bм  i 2'2cм  L212м  i11aн  i1'2bн  i1'2cн  L112н i 21aс  i 2'2b  i 2'2c с  L212с


;
 3н i11aм  i1'2bм  i1'2cм  L112м  i 21aн  i 2'2bн  i 2'2cн  L212н
i11aс  i1'2b  i1'2c с  L112с
(3.32)
 4м i 21bм  i 2'2cм  i 2'2 aм  L212м  i11aн  i1'2bн  i1'2cн  L112н i 21bс  i 2'2c  i 2'2 a с  L212с


;
 4н i11aм  i1'2bм  i1'2cм  L112м  i 21bн  i 2'2cн  i 2'2 aн  L212н
i11aс  i1'2b  i1'2c с  L112с
(3.33)
 5м i 21cм  i 2'2 aм  i 2'2bм  L212м  i11aн  i1'2bн  i1'2cн  L112н i 21cс  i 2'2 a  i 2'2b с  L212с


;
 5н i11aм  i1'2bм  i1'2cм  L112м  i 21cн  i 2'2 aн  i 2'2bн  L212н
i11aс  i1'2b  i1'2c с  L112с
(3.34)
3  M потм  pн  i11aн  i12bн  i12cн  L112н
M потс
 6м
;


'
'
 6н pм  i11aм  i12bм  i12cм  L112м  3  M потн pс  i11aс  i1'2b  i1'2c с  L112с
(3.35)
 7м
3  J м  ωм  tн  pн  i11aн  i1'2bн  i1'2cн  L112н
J с  ωс


.
'
'
 7 н tм  pм  i11aм  i12bм  i12cм  L112м  3  J н  ωн tс  pс  i11aс  i1'2b  i1'2c с  L112с
(3.36)
'
'
80
Определенные индикаторы подобия позволили установить соответствие
номинальных режимов работы асинхронных двигателей физической модели
АДМ71В4У2 номинальным режимам при испытании асинхронных тяговых двигателей НТА-1200.
3.2 Предварительная оценка эффективности метода взаимной нагрузки при
испытании асинхронных двигателей
Для исследования процессов при испытании асинхронных тяговых двигателей было выполнено физическое моделирование. Данный вид моделирования, согласно [36], характеризуется тем, что исследования проводятся на установках, обладающих физическим подобием, т.е. сохраняющих полностью или хотя бы в основном природу явлений.
Решение о разработке физической модели было принято после регистрации
патента [9]. Первоначально планировалось полностью повторить предлагаемую
схему испытаний. Однако после того как монтаж физической модели был выполнен, все оборудование было настроено, оказалось, что для перехода одного из
двигателей в режим генератора не требуется кратковременного подключения
тормозного резистора, как было заявлено в [9]. Т.е. для перевода двигателей в режим взаимной нагрузки необходимо было произвести следующие действия:
1) предварительно выполнить электрическое соединение преобразователей
частоты, получающих питание от трехфазной сети;
2) обеспечить механическое соединение испытуемых двигателей;
3) обеспечить запуск двигателей в режиме холостого хода, т.е. при равенстве частот питающего напряжения, подаваемого на двигатели;
4) снизить частоту питающего напряжения на одном из частотных преобразователей при этом асинхронный двигатель, подключенный к данному частотному преобразователю, перейдет в режим генератора.
81
Физическая модель с целью экспериментальной проверки, предлагаемой
схемы, была выполнена с использованием аналоговых электроизмерительных
приборов [13]. При выполнении данной модели не требовалась высокая точность
показаний приборов, достаточно было лишь предварительной оценки эффективности предлагаемого метода испытаний асинхронных двигателей.
Монтаж модели был выполнен в лаборатории «Электрические передачи локомотивов» кафедры «Локомотивы». Вид физической модели представлен на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1 – Физическая модель стенда для испытаний асинхронных тяговых
двигателей методом их взаимной нагрузки с использованием аналоговых электроизмерительных приборов
Структурная электрическая схема физической модели испытательной станции асинхронных тяговых двигателей с применением метода взаимной нагрузки
на базе аналоговых электроизмерительных приборов представлена на рисунке 3.2.
В физической модели измерение мощности проводили со стороны сети:
фиксировалось потребление электрической энергии схемой. Измерялась мощность в общей шине постоянного тока. После преобразователей частоты также
82
были установлены электроизмерительные приборы: амперметр, вольтметр, ваттметр. Измерение мощности проводились только в одной из фаз, что является допущением о симметричности потребления электроэнергии каждой из фаз электрической машины.
U
В
А
С
PEN
QF1
KM1
FU2
FU1
РV1 V
FU3
РА1 А
РW1
W
РV4
PEN
V1
W1
BRK+
ЧП1
U2
BRK-
V2
FU10
КМ4 РА4
А
FU11
V
КМ5
с
U1
PEN
W1
FU12
BRK+
FU13
PEN
V2
W2
U2
КМ3
FU9
FU4
FU5
FU8
FU7
FU6
КK1
РА2
U1
PEN
BRK-
W2
КМ2
V1
ЧП2
КK2
А
А
V РV3
РV2 V
РW2
РА3
W
W
М1
РW3
М2
Рисунок 3.2 – Структурная электрическая схема физической модели стенда для
испытаний асинхронных тяговых электродвигателей методом взаимной нагрузки
с использованием аналоговых электроизмерительных приборов
Эксперимент выполнялся в следующей последовательности:
1) с помощью преобразователей частоты осуществлялся плавный пуск электродвигателей;
83
2) в цепи одного из испытуемых электродвигателей снижали частоту питающего напряжения при этом данный электродвигатель переходил в режим генератора и начинал передавать через звено постоянного тока вырабатываемую электрическую энергию второй электрической машине, которая работала в режиме
двигателя;
3) фиксировались значения потребляемой и генерируемой мощности асинхронными машинами.
Построим зависимости потребляемой мощности Pд испытуемым двигателем
и генерируемой мощности Pг, а также мощности потребляемой из сети Pc, как разности между значениями мощности Pд и Pг в зависимости от разницы частот
напряжений, подаваемых на испытуемые электрические машины.
Как видно из рисунка 3.3, возврат в сеть электрической энергии при испытании может достигать 60 % от потребляемой электрической энергии нагружаемым двигателем.
Данный предварительный результат, полученный при физическом моделировании процесса испытаний асинхронных двигателей, позволил сделать вывод о
достаточно высокой энергетической эффективности испытаний методом взаимной нагрузки.
После проведения испытаний асинхронных двигателей при разных частотах
питающего напряжения был сделан вывод о необходимости применения специальных средств измерений для достоверного измерения потребляемой и генерируемой мощностей испытуемыми асинхронными двигателями (на выходе преобразователей частоты).
Основным недостатком разработанной физической модели было использование аналоговых электроизмерительных приборов, которые не соответствовали
требованиям точности при проведении испытаний, трудности при реализации автоматизации стенда.
После проведения испытаний асинхронных двигателей при разных частотах
питающего напряжения был сделан вывод о необходимости применения специальных средств измерений для достоверного измерения потребляемой и генери-
84
руемой мощностей испытуемыми асинхронными двигателями (на выходе преобразователей частоты).
1200
Вт
1000
900
800
Pд
700
600
500
Pс
400
Р
300
200
100
0
1
2
3
4
5
6
7
8
-100
-200
9
Гц
11
Pг
-300
-400
-500
Δf
Рисунок 3.3 – Зависимость мощности от разности частот Δf, приложенных к
испытуемым двигателям
Основным недостатком разработанной физической модели было использование аналоговых электроизмерительных приборов, которые не соответствовали
требованиям точности при проведении испытаний, трудности при реализации автоматизации стенда.
3.3 Расширение функциональных возможностей физической модели
стенда для испытаний асинхронных тяговых двигателей
методом их взаимной нагрузки
После получения положительных результатов по оценке применимости метода взаимной нагрузки при испытании асинхронных двигателей была разработа-
85
на физическая модель с использованием цифровых электроизмерительных приборов [5].
По сравнению со схемой (рисунок 3.2), общепромышленные цифровые
электроизмерительные приборы были установлены со стороны сети и в общей
шине постоянного тока (рисунок 3.4). Приборы, установленные со стороны сети,
измеряли общие параметры потребляемой электрической энергии схемой, потребление электрической энергии первым частотным преобразователем и вторым
частотным преобразователем в отдельности. Приборы в шине постоянного тока
были также заменены на цифровые. Со стороны питания двигателей (на выходе
преобразователей частоты) цифровые приборы не установлены, т.к. они не рассчитаны на широкий диапазон частоты питающего напряжения.
В данной физической модели предусмотрено включение или отключение
части схемы с помощью контакторов, установленных до и после преобразователей частоты, а также в общей шине постоянного тока. Комбинацией включенных
и отключенных контакторов можно реализовать следующие схемы:
- питание схемы через выпрямитель одного из преобразователей частоты на
управляемые выпрямитель-инверторы и далее на испытуемые двигатели;
- питание одного из двигателей от собственного преобразователя частоты не
связанного с другим общей шиной постоянного тока;
- питание одного из двигателей через управляемый выпрямитель-инвертор
собственного преобразователя частоты и неуправляемый выпрямитель другого
преобразователя.
Выбор в пользу цифровых электроизмерительных приборов был сделан из-за
их высокой точности, отвечающей требованиям [46], а также возможности дальнейшей автоматизации стенда.
Для определения параметров цепи переменного тока в модели применены
цифровые измерительные многофункциональные приборы ЩМ120 (рис. 3.5,а), которые позволяют фиксировать такие параметры трехфазной электрической цепи
как ток, напряжение, мощность (активная, реактивная, полная), коэффициент мощности по фазам в отдельности, средние значения по фазам, суммарные показатели
86
по трем фазам. Для определения величины передаваемой мощности по общей шине
постоянного тока стенд оборудован амперметром и вольтметром постоянного тока
Щ120П (рис. 3.5,б и 3.5,в). Приборы ЩМ120 и Щ120П имеют интерфейсы RS-485,
что позволяет обеспечивать обмен данными с персональным компьютером.
В
А
С
PEN
Автоматический
выключатель QF1
Устройство защитного
отключения
FU1
FU2
FU3
Многофункциональный прибор
ЩМ 120 №1
1
2
3
PEN
Контактор KM1
Контактор KM3
Многофункциональный прибор
ЩМ 120 №2
Многофункциональный прибор
ЩМ 120 №3
4
5
6
7
8
9
16 17
U1
V1
W1
QS1
FU10
PEN
Частотный
преобразователь №1
PEN
BRK+
РА1
РV1
RS1
FU11
FU13
FU5
FU6
Тепловое реле КК1
PEN
Частотный
преобразователь №2
PEN
V2
W2
18
FU4
U1
BRK-
W2
Контактор KM 3
V1
W1
FU12
BRK+
BRKV2
U2
QS2
U2
19
Контактор KM4
FU7
FU8
FU9
Тепловое реле КК2
10
11
12
13
14
15
Асинхронный двигатель №1
Асинхронный двигатель №2
Рисунок 3.4 – Структурная электрическая схема физической модели стенда для
испытаний асинхронных тяговых электродвигателей методом взаимной нагрузки
с использованием цифровых электроизмерительных приборов
87
а
б
в
Рисунок 3.5 – Многофункциональный прибор ЩМ 120 (а), амперметр постоянного
тока Щ120 П (б), вольтметр постоянного тока Щ120 П
В таблице 3.1 приведены технические характеристики цифрового многофункционального прибора ЩМ120. Применяемые приборы для измерения постоянного напряжения и тока имеют класс точности 0,2.
Таблица 3.1 – Измеряемые параметры цифрового многофункционального прибора
ЩМ120
Параметры
Действующее значение фазного напряжения
Среднее действующее значение фазного напряжения
Действующее значение междуфазного напряжения
Среднее действующее значение междуфазного напряжения
Действующее значение фазного тока
Среднее действующее значение фазного тока
Активная мощность фазы
нагрузки
Суммарная активная мощность
Реактивная мощность фазы
нагрузки
Основная погрешность, %
±0,2
Обозначение
UА, UВ, UС
±0,2
UСР.Ф
±0,2
UАВ, UВС, UСА
±0,2
UСР.Л
±0,2
IА, IB, IС
±0,2
IСР
±0,5
РА, РВ, РС
±0,5
±0,5
Р
QА, QВ, QС
88
Окончание таблицы 3.1
Суммарная реактивная мощность
Полная мощность фазы
нагрузки
Суммарная полная мощность
Коэффициент мощности в
каждой фазе
Общий коэффициент мощности
Частота сети
±0,5
Q
±0,5
SА, SВ, SС
±0,5
±0,5
S
cosф А, В, С
±0,5
cosф
±0,01
F
Общий вид физической модели с использованием цифровых электроизмерительных приборов показан на рисунке 3.6.
Рисунок 3.6 – Физическая модель стенда для испытаний асинхронных тяговых
двигателей методом взаимной нагрузки с использованием цифровых электроизмерительных приборов
По сравнению с ранее спроектированным стендом [13], на данном стенде выведены клеммы для подключения анализатора качества электроэнергии АR-5 или
осциллографа. Клеммы выведены со всех участков цепи (см. рисунок 3.7).
AR-5 способен собрать и проанализировать все параметры электрической сети. Прибор замеряет, рассчитывает и фиксирует значения тока и напряжения и гармоники порядка до 49-го, одно-, трехфазных электросетей.
89
Необходимые замеры можно проводить: на стороне сети, со стороны первого
и второго частотных преобразователей, в общей шине постоянного тока и со стороны питания первого и второго двигателей (см. рисунок 3.7).
Рисунок 3.7 – Клеммы для подключения анализатора качества электроэнергии АR-5
В физической модели применяются преобразователи частоты фирмы АВВ
серии ACS 355 – 03E – 04A1 – 4 (рисунок 3.8). Преобразователь предназначен для
питания трехфазных асинхронных двигателей, а также для управления высокомоментными двигателями с постоянными магнитами на роторе. Оснащен фильтром
электромагнитной совместимости, предназначен для работы при номинальном токе
4,1 А, напряжение питающей сети 380 – 480 В, номинальной мощности 1,5 кВт.
Остальные функциональные возможности приведены в [100].
Все типы электроизмерительных приборов, использованные при создании
физической модели, сертифицированы и внесены в единый реестр средств измерения РФ.
Рисунок 3.8 – Общий вид преобразователей частоты физической модели
90
Помимо научных исследований, стенд предполагается использовать в учебном процессе. Для чего принято решение о дополнительной комплектации стенда
следующим оборудованием [5]:
- ноутбук для приема сигналов с преобразователей интерфейсов и дальнейшей обработки этих сигналов с применением разработанного программного обеспечения;
- принтер для распечатки протокола испытаний;
- преобразователь интерфейсов для приема сигналов от цифровых электроизмерительных приборов и преобразователей частоты;
- цифровой осциллограф для измерения формы сигналов на всех участках
цепи;
- мегаомметр для измерения сопротивления изоляции обмоток;
- измеритель сопротивления обмоток для проведения измерения сопротивления изоляции обмоток постоянному току;
- измеритель температуры и термопары для измерения температуры основных частей электродвигателей.
Автоматизация стенда и его комплектация в соответствии с ГОСТ 7217-87
[54] позволит использовать полученные результаты при проектировании испытательной станции для двигателей подвижного состава с асинхронным тяговым приводом
3.4 Экспериментальные исследования метода взаимной нагрузки
на физической модели процесса испытаний асинхронных тяговых двигателей
Одним из способов испытаний электрических машин является проведение
опыта холостого хода. Используя функциональные возможности стенда: включение или отключение части электрической цепи с помощью контакторов КМ1 –
КМ4 возможно осуществление питания испытуемого двигателя от неуправляемого
91
выпрямителя и управляемого выпрямителя-инвертора – другого. В дальнейшем
указанная особенность стенда будет использована при составлении методики определения потерь в основных элементах схемы.
Эксперименты при выполнении опыта холостого хода были выполнены с
использованием анализатора качества электрической энергии AR-5, который подключался к испытуемому двигателю. При этом на управляемом выпрямительинверторе изменяли частоту коммутации транзисторов – 4 кГц, 8 кГц и 16 кГц с
помощью преобразователей частоты. Результаты проведенного опыта холостого
хода для номинальной частоты питающего напряжения приведены в таблице 3.2.
Таблица 3.2 – Измерение основные параметров электрической цепи при выполнении опыта холостого хода
fк,
Iс,
Uc,
P с,
S с,
кГц
А
В
Вт
ВА
cosφс
Параметры, измеренные
ΔPвыпр,
АР-5
Вт
Pшпт,
Вт
Uд,
Wд,
Iд,
В
Вт
А
ΔPинв,
Вт
cosφд
4
0,629
228 227
424
0,53
213
236
162
1,79
0,13
14
51
8
0,594
228 224
410
0,54
209,72
227
182
1,78
0,15
14
28
16
0,619
228 234
424
0,55
217,93
232
174
1,78
0,14
16
44
При выполнении опыта холостого хода фиксировались следующие значения:
- параметры, потребляемые из сети: ток сети Iс, фазное напряжение в сети
Uc; активную мощность сети Pс, реактивную мощность Rс, полную мощность Sс;
- ток и напряжение в общей шине постоянного тока, в таблице приведено
расчетное значение мощности Pшпт, передаваемой по общей шине постоянного тока, определяемой как произведение, измеренных значений тока и напряжения;
- параметры, потребляемые испытуемым двигателем: фазные напряжения
Uд (приведено среднее значение по фазам); активная мощность Pд; реактивная
мощность Rд; ток Iд.
92
Частота коммутации транзисторов fк задавалась с помощью частотного преобразователя.
В таблице 3.2 приведены так же расчетные значения потерь мощности в выпрямителе первого частотного преобразователя ΔPвыпр, к которому подводится питание из сети, и потерь в инверторе второго частотного преобразователя ΔPинв, который обеспечивает питание испытуемого двигателя. Расчет и порядок сборки
схемы для определения потерь в выпрямителе и инверторе приведены в главе 4.
По проведенным экспериментам можно сделать следующие выводы:
- частота коммутации транзисторов не влияет на потери в неуправляемом
выпрямителе частотного преобразователя;
- минимальные потери в управляемом выпрямитель-инверторе были получены при частоте коммутации транзисторов 8 кГц.
Эксперименты под нагрузкой проводились в двух вариантах:
1) обеспечив питание стенда через выпрямитель одного преобразователя частоты, а задание режима нагрузки обеспечивалось изменением частоты питающего напряжения, формируемого инверторами;
2) обеспечив питание стенда через выпрямители обоих частотных преобразователей, при этом задание режима нагрузки обеспечивалось, так же как и по
первому варианту.
Результаты экспериментов по первому варианту приведены в таблице 3.3.
Таблица 3.3 – Результаты экспериментов при питании стенда от неуправляемого
выпрямителя одного из преобразователей частоты
fк,
f1,
f2,
кГц
Гц
Гц
4
Параметры, потребляемые из сети
Pс,
Sс,
Iс,
Вт
ВА
А
cosφс
Параметры, измеряемые
AR-5
Pшпт,
Вт
Uд,
Iд,
В
А
Pд, Вт
cosφд
50
50
400
748
0,345
0,53
197,69
238
1,76
136
0,11
47
50
495
896
1,28
0,55
599,55
232
1,77
526
0,43
44
50
730
1260
1,83
0,58
986,58
228
2,05
915
0,65
93
Окончание таблицы 3.3
Параметры, потребляемые из сети
fк,
f1,
f2,
кГц
Гц
Гц
4
8
16
Pс,
Sс,
Iс,
Вт
ВА
А
cosφс
Параметры, измеряемые
AR-5
Pшпт,
Вт
Uд,
Iд,
В
А
Pд, Вт
cosφд
41
50
1080
1800
2,6
0,6
1333,4
229
2,4
1266
0,77
53
50
490
870
1,26
0,56
111,33
236
2,1
179
0,12
56
50
656
1128
1,63
0,58
326,03
241
2,47
404
0,23
59
50
895
1475
2,13
0,6
433,76
230
2,75
530
0,28
62
50
1124
1837
2,67
0,61
473,76
231
2,9
568
0,28
50
50
407
744
1,1
0,55
199,75
237
1,79
168
0,13
47
50
490
900
1,3
0,54
594,88
228
1,77
562
0,46
44
50
715
1267
1,85
0,56
1007,1
230
2,1
965
0,67
41
50
1065
1827
2,66
0,58
1406,2
235
2,5
1350
0,77
53
50
510
918
1,33
0,56
110,02
232
2,1
155
0,11
56
50
680
1196
1,74
0,57
339,75
223
2,48
390
0,24
59
50
922
1587
2,31
0,58
454,86
233
2,8
497
0,25
62
50
1170
1975
2,84
0,59
516,88
227
2,97
554
0,27
50
50
459
844
1,24
0,54
224,25
230
1,79
193
0,16
47
50
530
982
1,42
0,54
562,52
222
1,74
524
0,45
44
50
726
1306
1,89
0,56
922,53
223
1,95
884
0,68
41
50
1027
1781
2,58
0,58
1282,5
224
2,34
1224
0,78
53
50
530
982
1,43
0,54
63,14
226
2,06
103
0,07
56
50
675
1214
1,76
0,56
273,89
228
2,42
320
0,19
59
50
890
1542
2,2
0,58
406,12
224
2,7
452
0,25
62
50
1120
1897
2,74
0,59
466,58
229
2,9
507
0,25
Результаты экспериментов по второму варианту для частоты коммутации
транзисторов 4 кГц представим в виде таблицы 3.4.
Таблица 3.4 – Результаты экспериментов при питании стенда через выпрямители
обоих частотных преобразователей
Преобразователь частоты
f1,
Гц Гц
49
№1
f2,
50
Параметры, измеряе-
Преобразователь частоты №2
мые AR-5
Pшпт,
Pс1
Sс1,
Iс1,
Вт
ВА
А
170
320
0,48
cosφс1
0,53
Pс2
Sс2,
Iс2,
Вт
ВА
А
240
427
0,62
cosφс2
0,56
Вт
107
Uд,
Iд,
Pд,
В
А
Вт
231
1,7
301
cosφд
0,26
94
Окончание таблицы 3.4
Преобразователь частоты
f1,
№1
f2,
Гц Гц
Параметры, измеряе-
Преобразователь частоты №2
мые AR-5
Pшпт,
Pс1
Sс1,
Iс1,
Вт
ВА
А
cosφс1
Pс2
Sс2,
Iс2,
Вт
ВА
А
cosφс2
Вт
Uд,
Iд,
Pд,
В
А
Вт
cosφд
47
50
168
317
0,45
0,53
316
555
0,79
0,57
301
239
1,8
563
0,44
45
50
330
580
0,83
0,57
442
755
1,1
0,59
480
233
1,9
820
0,62
43
50
253
458
0,65
0,55
580
970
1,4
0,60
575
240
2,2
1065
0,67
41
50
330
590
0,74
0,56
730
1200
1,08
0,61
656
235
2,4
1270
0,75
51
50
260
463
0,67
0,56
170
330
0,97
0,52
278
238
2
115
0,08
55
50
432
750
0,99
0,58
180
356
0,98
0,51
450
232
2,3
263
0,16
57
50
540
910
1,23
0,59
200
375
0,81
0,53
577
232
2,6
364
0,20
59
50
650
1080
1,35
0,60
237
435
0,71
0,54
691
240
2,7
430
0,22
По результатам проведенных экспериментов можно сделать следующие выводы:
- потребляемая из сети мощность изменяется от холостого хода до полуторного значения номинальной мощности испытуемого асинхронного двигателя;
- коэффициент мощности при испытании асинхронной машины в режиме
двигателя изменяется от 0,11 до 0,75; при испытании асинхронной машины в режиме генератора – от 0,08 до 0,28;
- наименьшие потери в инверторе обеспечиваются при частоте коммутации
8 кГц;
- передаваемая мощность по общей шине постоянного тока может достигать
значений сопоставимых с мощностью преобразователя частоты. Данное положение требует учесть при подборе преобразователя частоты по мощности под конкретный тип двигателей, т.к. согласно руководства по подключению общей шины
постоянного тока [105], передаваемая мощность не должна превышать номинальной мощности преобразователя частоты;
- полученные результаты использованы при составлении методики определения потерь в основных элементах схемы (см. главу 4).
На рисунке 3.9 показан график зависимости отношения потребляемой мощности двигателя к его номинальной мощности от мощности, потребляемой из се-
95
ти. Как видно из рисунка 3.9, при одной и той же потребляемой мощности из сети,
служащей для компенсации потерь в схеме, мощность, подведенная к двигателю в
случае изменения питающего напряжения вниз от 50 Гц, оказалась больше мощности двигателя, в случае регулирования питающего напряжения выше 50 Гц [14].
По рисунку 3.9 можно также сделать вывод о том, что известный метод регулирования нагрузки вверх от номинальной частоты питающего напряжения [2530], в диапазоне f = 50, 51 … 60 Гц не только противоречит ГОСТ 7217-87 [54],
но и является более энергоемким при снятии рабочих характеристик.
Повторно проведя эксперименты, изменив частоту коммутации транзисторов на 8 кГц и 16 кГц, проводилась оценка ее влияния на мощность, потребляемую из сети. Как оказалось, мощность, потребляемая из сети для компенсации потерь в схеме, при 4 кГц, 8 кГц и 16 кГц изменяется в пределах 10 %.
2
1,8
1,6
вниз от 50 Гц
1,4
1,2
1
Рд/Pдн
, Вт
0,8
вверх от 50 Гц
0,6
0,4
0,2
0
400
500
600
700
800
900
1000
1100
Рс, Вт
Рисунок 3.9 –Зависимость отношения мощности, потребляемой двигателем к его
номинальной мощности от мощности, потребляемой из сети
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3
1. Определены критерии подобия объектов физического моделирования и
тяговых асинхронных двигателей НТА-1200 при их испытании методом взаимной
96
нагрузки. Полученные критерии позволили установить параметры физической
модели, соответствующей испытанию тяговых асинхронных двигателей.
2. Выполнено физическое моделирование процесса испытаний асинхронных
двигателей при их испытании методом взаимной нагрузки, которое позволило
оценить эффективность применения данного метода; при этом экономия электрической энергии при испытании составила 60 % от номинальной мощности испытуемого двигателя.
3. Эксперименты, проведенные на физической модели, позволили сделать
вывод о влиянии частоты коммутации транзисторов в управляемых выпрямительинверторах на потери в преобразователях частоты и в каждом конкретном случае
необходимо подбирать требуемую частоту с целью уменьшения энергоемкости
схемы.
4. Конструктивные особенности созданной физической модели позволили
определить зависимости потерь мощности в основных элементах двухзвенных
преобразователей частоты, которые использованы в качестве входных данных для
дополненной математической модели.
5. Известный способ регулирования нагрузки испытуемого двигателя изменением частоты питающего напряжения свыше его номинальной частоты питания
является более энергоемким, поэтому целесообразным использоване способа регулирования нагрузки испытуемого асинхроннного двигателя при фиксированном
значении номинальной частоты этого двигателя и снижении частоты питания машины, работающей в режиме генератора.
97
4 РАЗРАБОТКА СХЕМ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ АСИНХРОННЫХ ТЯГОВЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ ЛОКОМОТИВОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА ВЗАИМНОЙ НАГРУЗКИ И МЕТОДИК ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТЕРЬ
В ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ЭТИХ СХЕМ
4.1 Предлагаемые схемы испытаний асинхронных тяговых двигателей
методом взаимной нагрузки
Таким образом, рассмотрев известные схемы испытаний асинхронных тяговых двигателей, обеспечивающие экономию электрической энергии при их испытании, был выделен ряд недостатков по каждой из схем. Исходя из этого, можно
сформулировать ряд положений, которые должны учитываться при разработке
новых схем испытаний:
- рациональный подбор оборудования для проведения испытаний, отказ от
использования оборудования, способствующего снижению эффективности процесса испытаний, в том числе отказ от использования большого количества дополнительных машин и коммутационной аппаратуры;
- реализация испытаний асинхронных двигателей, предназначенных для работы от преобразователей частоты, с использованием аналогичных преобразователей, в качестве элементов, обеспечивающих регулирование нагрузки [51];
- предварительный расчет мощности источника питания схемы для испытаний асинхронных двигателей с учетом потребления как активной, так и реактивной энергии схемой испытаний;
- обеспечение проведения испытаний асинхронного двигателя в широком
диапазоне регулирования нагрузки;
- обеспечение проведения испытаний асинхронного двигателя при номинальной частоте питающего напряжения;
4.1.1 Схема для испытаний асинхронных тяговых двигателей методом
взаимной нагрузки с использованием одного преобразователя частоты
98
Прототипом предлагаемой схемы испытаний служит схема, приведенная в
п. 1.4.4 (рисунок 1.9).
Недостатком прототипа по сравнению с предлагаемой схемой является невозможность снятия механической характеристики двигателя при неизменной частоте напряжения, подаваемого на его обмотку статора от преобразователя частоты, т.к. для увеличения нагрузки испытываемого двигателя необходимо увеличивать частоту питающего его напряжения.
Целью предлагаемой схемы является обеспечение снятия механической характеристики двигателя при неизменной частоте питающего напряжения, подаваемого на его обмотку статора [12].
Указанная цель достигается за счет применения в схеме преобразователя
частоты, в составе которого используется два управляемых выпрямительинвертора, что позволяет передавать электрическую энергию через преобразователь частоты не только от промышленной сети к асинхронному двигателю, но и в
обратном направлении, благодаря чему, в отличие от прототипа, испытываемой
машиной в режиме двигателя является машина, подключенная непосредственно к
промышленной сети, а нагрузочной – подключенная к преобразователю частоты.
Структурная схема предлагаемой схемы испытаний приведена на рисунке 4.1.
Схема состоит из двухзвенного преобразователя частоты 1, состоящего из
управляемых выпрямитель-инверторов 1.1 и 1.3, звена постоянного тока 1.2, двух
однотипных испытуемых асинхронных двигателей АМ1 и АМ2, муфты 2, которая
механически связывает между собой валы двигателей АМ1 и АМ2, позволяя их
роторам вращаться с одинаковой угловой скоростью вокруг общей оси вращения,
контакторов 3, 4, 5, 6.
Предлагаемая схема имеет следующий принцип работы. Трехфазное напряжение от промышленной сети подается на вход преобразователя частоты 1 и на
вход контакторов 5 и 6. Напряжение, поданное на вход преобразователя частоты
1, подается на вход его управляемого выпрямитель-инвертора 1.1. С выхода выпрямитель-инвертора 1.1 выпрямленное напряжение подается в звено постоянно-
99
го тока 1.2. С выхода звена постоянного тока 1.2 напряжение подается на вход
управляемого выпрямитель-инвертора 1.3. С выхода выпрямитель-инвертора 1.3,
который является выходом преобразователя частоты, напряжение подается на
вход контакторов 3 и 4. При этом контакторы могут находиться в двух рабочих
положениях: 1) когда испытывается двигатель АМ2, а нагрузочной машиной является АМ1, контакторы 3 и 6 замкнуты, а 4 и 5 – разомкнуты, 2) когда испытывается двигатель АМ1, а нагрузочной машиной является АМ2, контакторы 4 и 5 замкнуты, а 3 и 6 – разомкнуты. С выхода замкнутых контакторов напряжение подается на соответствующие входы (обмотки статора) двигателей. Для создания
испытываемому двигателю нагрузки, частота напряжения, подаваемого на вход
нагрузочной машины уменьшается, при этом она переходит в генераторный режим [81, 83].
1.1
1
1.2
1.3
3
4
6
5
АМ1
АМ2
2
Рисунок 4.1 – Предлагаемая схема испытаний асинхронных тяговых двигателей
методом их взаимной нагрузки с использованием одного преобразователя частоты
Таким образом, предлагаемая схема позволяет снять механическую характеристику двигателя при неизменной частоте питающего напряжения, подаваемого на его обмотку статора.
100
4.1.2 Схема для испытания асинхронных тяговых двигателей методом
взаимной нагрузки с использованием двух преобразователей частоты
Прототипом предлагаемой схемы испытаний является схема, упомянутая в
п. 1.4.4 (рисунок 1.10), и состоящая из двух испытуемых асинхронных электродвигателей, подключенных к однотипным частотным преобразователям. При этом
каждый преобразователь состоит из выпрямительных блоков, звеньев постоянного тока, управляемых инверторов, цепи связи по постоянному току и управляемого тормозного модуля.
Целью предлагаемой полезной модели является упрощение схемы испытаний и, вследствие этого, процесса испытаний асинхронных двигателей с сохранением высокой энергоэффективности [9].
Указанная цель достигается за счет исключения управляемых тормозных
модулей и блоков сопротивлений из схемы испытаний. Возможность реализации
режима взаимной нагрузки при испытании асинхронных двигателей возможна без
использования тормозных резисторов и модулей. Полученные выводы были полностью подтверждены экспериментально [2, 3, 4, 5, 6, 7, 13, 14].
На рисунке 4.2 приведена предлагаемая схема испытаний.
Схема испытаний состоит из двух однотипных преобразователей частоты 1
и 2, получающих питание от трехфазной сети, двух однотипных испытуемых
асинхронных двигателей АМ1 и АМ2, механически связанных между собой посредством муфты 3 и получающих питание от преобразователей частоты 1, 2.
Преобразователи частоты 1 и 2, используемые в схеме испытаний, состоят из неуправляемых выпрямителей 1.1 и 2.1, звеньев постоянного тока 1.2 и 2.2, управляемых инверторов 1.3 и 2.3. Связь преобразователей частоты 1 и 2 реализуется с
помощью шины постоянного тока 4, соединяющей звенья постоянного тока 1.2 и
2.2 частотных преобразователей 1 и 2.
Схема работает следующим образом. Подведенное трехфазное напряжение
поступает к неуправляемым выпрямителям 1.1 и 2.1, где оно преобразуется в постоянное напряжение, инвертируется с помощью управляемых инверторов 1.3 и
2.3 в переменное напряжение, требуемой амплитуды и частоты и подается для пи-
101
тания испытуемых асинхронных двигателей АМ1 и АМ2. Для реализации режима
взаимной нагрузки необходимо уменьшить частоту вращения магнитного поля на
одном из асинхронных двигателей АМ1 или АМ2 по сравнению с частотой вращения вала: разогнав двигатели АМ1 и АМ2 на холостом ходу до определенной
частоты вращения, снизить частоту питающего напряжения на одном из частотных преобразователей 1 или 2. Например, если АМ1, получает напряжение от
преобразователя 1 с меньшей частотой, то АМ1 переходит в генераторный режим.
Вырабатываемая генератором АМ1 электрическая энергия поступает в звено постоянного тока 1.2 преобразователя частоты 1, и далее по шине постоянного тока
4 поступает в звено постоянного тока 2.2 преобразователя частоты 2, который
осуществляет питание испытуемого двигателя АМ2.
U
А
В
С
1.1
2.1
4
1
1.2
+
+
-
-
2.2
1.3
А
В
2
2.3
С
А
В
С
3
АМ1
АМ2
Рисунок 4.2 – Схема испытаний асинхронных тяговых двигателей методом их
взаимной нагрузки с использованием двух преобразователей частоты
Таким образом, предлагаемая схема испытаний позволяет добиться ее
упрощения и, вследствие этого, процесса испытаний асинхронных двигателей с
сохранением высокой энергоэффективности.
102
4.1.3 Схема для испытания асинхронных тяговых двигателей методом
взаимной нагрузки с использованием нестандартного преобразователя частоты
Прототипом предлагаемой схемы испытаний асинхронных двигателей служит схема, рассмотренная в п. 4.1.2 (рисунок 4.2).
Недостатком указанного прототипа является избыточность используемого
оборудования: использование двух неуправляемых выпрямителей, которые получают питание от одного и того же источника питания и преобразуют электрическую энергию для питания одной системы постоянного тока, а также применение
двух однотипных звеньев постоянного тока.
Целью предлагаемой полезной модели является упрощение схемы испытаний за счет исключения избыточных элементов, повышение ее надежности и
уменьшение стоимости.
Указанная цель достигается за счет использования в схеме одного неуправляемого выпрямителя и звена постоянного тока вместо двух, что позволит упростить электрическую схему испытаний и повысить ее надежность.
На рисунке 4.3 приведена предлагаемая схема испытаний.
Схема испытаний состоит из нестандартного преобразователя частоты 1 в
состав которого входит неуправляемого выпрямителя 1.1, получающий питание
от трехфазной сети, звена постоянного тока 1.2, двух однотипных управляемых
инверторов 1.3.1 и 1.3.2, двух однотипных испытуемых асинхронных двигателей
АМ1 и АМ2, муфты 2, которая механически связывает между собой валы двигателей АМ1 и АМ2, позволяя их роторам вращаться с одинаковой угловой скоростью вокруг общей оси вращения [10].
Схема работает следующим образом. Подведенное трехфазное напряжение
поступает на вход неуправляемого выпрямителя 1.1, где оно преобразуется в постоянное напряжение. Постоянное напряжение с выхода неуправляемого выпрямителя 1.1 передается на вход звена постоянного тока 1.2. Постоянное напряжение с выхода звена постоянного тока 1.2 подается на входы управляемых инверторов 1.3.1 и 1.3.2, где оно преобразуется в переменное напряжение требуемой
формы и частоты. Инвертированное напряжение далее подается на вход (обмотки
103
статора) асинхронных двигателей АМ1 и АМ2. Валы асинхронных двигателей
имеют механическую связь 2, за счет чего вращаются с одинаковой угловой частотой. Для реализации режима взаимной нагрузки необходимо с помощью
управляемого инвертора 1.3.1 или 1.3.2 уменьшить частоту питающего напряжения, подаваемого на один из асинхронных двигателей АМ1 или АМ2. Например,
если АМ1 получает питание от управляемого инвертора 1.3.1 напряжением с
меньшей частотой, чем напряжение питания АМ2, то АМ1 переходит в генераторный режим, а АМ2 – в режим двигателя. Электрическая энергия, вырабатываемая машиной АМ1, работающей в генераторном режиме, поступает через звено
постоянного тока 1.2 и далее по общей шине постоянного тока 3 для питания машины АМ2, работающей в режиме двигателя. При этом из сети потребляется
электрическая энергия необходимая только для компенсации потерь в схеме.
U
А
В
С
1.1
1
-
+
3
1.2
-
+
-
+
1.3.1
А
В
-
+
1.3.2
С
А
В
С
2
АМ1
АМ2
Рисунок 4.3 – Схема испытаний асинхронных тяговых двигателей методом их
взаимной нагрузки с использованием нестандартного преобразователя частоты
104
4.2 Выбор схемы для испытаний асинхронных тяговых двигателей
локомотивов методом взаимной нагрузки
Каждая из предложенных схем (рисунки 4.1, 4.2, 4.3) позволяет проводить
испытания асинхронных двигателей по требованиям ГОСТ 7217-87 [54],
ГОСТ 11828-86 [46]. Однако приведенные схемы имеют свои конструктивные
особенности, которые определяют как их принцип действия, характер воздействия на сеть, сроки реализации на практике, так и стоимость самой испытательной станции. Поэтому к выбору схемы испытаний необходимо подходить с достаточным уровнем проработки всех их особенностей.
Так схема с одним преобразователем частоты (рисунок 4.1) обеспечивает
передачу генерируемой электрической энергии непосредственно в сеть. Однако
работа асинхронной машины в режиме генератора непосредственно на сеть требует потребления из сети значительного количества реактивной мощности, в особенности при проведении испытаний мощных тяговых двигателей.
Схема с двумя преобразователями частоты, п. 4.1.2, рисунок 4.2, по сравнению со схемой п. 4.1.1, рисунок 4.1, обеспечивает передачу электрической энергии по звену постоянного тока. При этом обмен реактивной энергией между генератором и преобразователем частоты позволяет не загружать сеть реактивной
мощностью, получив тем самым более высокий коэффициент мощности в схеме.
Нет необходимости в закупке дополнительной коммутационной аппаратуры для
подключения преобразователя к одному из двигателей во время проведения испытаний.
В дальнейшем необходимо провести сравнительный анализ схем в п. 4.1.1 и
4.1.2, рисунки 4.1, 4.2, в части затрат на приобретение одного преобразователя частоты, обеспечивающего передачу выработанной генератором электрической
энергии в сеть (рисунок 4.1), и двух преобразователей частоты с неуправляемыми
выпрямителями (рисунок 4.2), в которых передача выработанной генератором
энергии осуществляется за счет их электрической связи.
105
Схема, приведенная на рисунке 4.3, имеющая: общий неуправляемый выпрямитель, два управляемых выпрямитель-инвертора, по сравнению с двумя
предложенными схемами, имеет наиболее простое конструктивное исполнение.
Однако использование такого устройства в качестве преобразователя частоты вызывает определенные трудности при его приобретении, т.к. оно не является серийно выпускаемым. Одно из решений – заказ нестандартного преобразователя
частоты, выполненного в виде единого блока. Другое – приобретение стандартных звеньев: неуправляемого выпрямителя, двух управляемых выпрямительинверторов и разработка системы управления их работой, а также выполнение последующего подтверждения корректности работы полученного устройства.
Все три схемы должны быть проанализированы как по стоимости закупки
оборудования – экономическое обоснование, так и по воздействию на сеть в части
потребления
реактивной
энергии
–
техническое
обоснование.
Технико-
экономическое обоснование выбора в пользу одной из предложенных схем испытаний приведено в главе 6.
4.3 Разработка методики определения мощности,
потребляемой схемой, и потерь в её основных элементах
при испытании асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки
4.3.1 Способы измерения мощности в цепях несинусоидального тока
В рассмотренных схемах испытаний асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки используются преобразователи частоты, являющиеся источником
несинусоидального напряжения и переменной частоты. Следовательно, для оценки потерь мощности в частотных преобразователях в такой схеме необходимо
определить мощность переменного тока в трехфазной несинусоидальной цепи с
частотой тока, которая может отличаться от 50 Гц. Для непосредственного измерения этой мощности требуется применение специальных приборов и схем измерения электрической мощности.
106
В настоящее время известно множество способов измерения электрической
мощности в несинусоидальных цепях переменного тока.
Один из способов сводится к одновременному формированию интегралов
от произведения сигналов напряжения и тока в нагрузке и от произведения задержанных на фиксированный интервал времени сигналов напряжения и тока в
нагрузке. Результат измерения определяют по равным значениям накапливаемых
интегралов в четные от начала измерений моменты равенства значений результатов интегрирования [16].
Такой способ измерения активной мощности нагрузки в электрических цепях
переменного тока согласно формуле изобретения [16], показан на рисунке 4.7 и
содержит: датчики напряжения 1 и тока 2; умножитель 3; линии задержки 4, 5;
интегратор 6; умножитель 7; интегратор 8; запоминающее устройство 9; устройство сравнения 10, арифметическое устройство 11; счетный триггер 12 и блок
управления 13.
1
9
3
P
11
6
4
10
7
C
12
R
8
2
5
13
Рисунок 4.4 – Способ измерения активной мощности в цепях переменного тока на
основе формирования интегралов токов и напряжений
Другой способ основан на преобразовании мгновенной мощности, потребляемой нагрузкой, в пропорциональное этой мощности переменное электрическое
напряжение [93]. Из сформированного электрического напряжения выделяют
пульсирующие напряжения различных полярностей. Сглаживая пульсации обоих
напряжений, преобразуют их в постоянные разнополярные напряжения, равные
по величине пиковым значениям пульсирующих напряжений. Постоянные разно-
107
полярные напряжения суммируют, и результат суммирования измеряют вольтметром постоянного тока, прокалиброванным в единицах мощности [93].
К источнику 1 (сети) переменного напряжения подключена нагрузка 2, через которую идет ток (рисунок 4.5). Напряжение 1 с датчика тока R1, например
резистора, последовательно включенного с нагрузкой 2, и напряжение с датчика
напряжения R2, например резистора, образующего с резистором R3 делитель
напряжения, подаются на входы умножителя 3 напряжения. Переменное напряжение, пропорциональное мгновенной мощности, с выхода умножителя 3 подается на входы разнополярных амплитудных детекторов 4 и 5. Один из них, например 4, детектирует напряжение положительной полярности и преобразует его в
постоянное положительное напряжение, а детектор 5 пропускает напряжение отрицательной полярности и преобразует его в постоянное отрицательное напряжение. Напряжения U1 и U2 суммируются сумматором 6, напряжение на выходе которого измеряется вольтметром 7 постоянного тока, прокалиброванного в единицах мощности. Коэффициент преобразования k мощности в напряжение является
постоянной величиной, которая зависит от выбора датчиков тока и напряжения
R1 и R2, от коэффициента усиления умножителя 3 и определяется при калибровке
вольтметра 7 в единицах мощности.
4
R3
2
1
R1
3
R2
6
5
7
Рисунок 4.5 – Способ измерения активной мощности в цепях переменного тока на
основе суммирования разнополярных напряжений
Для измерения мощности переменного тока в несинусоидальных цепях часто применяют датчики, работающие на эффекте Холла (рисунок 4.6). Так в одной
108
из схем для испытания асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки
предложен способ измерения сигналов токов и напряжения посредством шунтов,
датчиков Холла, сумматора и программного продукта, обеспечивающего математическую обработку фиксируемых сигналов [26].
Преобразователь
частоты
Х
ДТ1
ДН1
Х
ДТ2
ДН2
ДТ3
ДН3
Х
Асинхронный
двигатель
Рисунок 4.6 – Способ измерения активной мощности в цепях переменного тока с
использованием датчиков, работающих на эффекте Холла
Приведенные способы характеризуются использованием специальных датчиков, микросхем, наличием сложного программного обеспечения. Это приводит
к усложнению и повышению стоимости измерительной схемы стенда.
4.3.2 Методика определения мощности, потребляемой схемой и потерь в её
основных элементах при испытании асинхронных тяговых двигателей методом
взаимной нагрузки с использованием одного преобразователя частоты
На рисунке 4.7 показана схема испытаний асинхронных двигателей методом
их взаимной нагрузки и подключенные к схеме измерительные приборы. На схеме обозначены следующие элементы: 1 – частотный преобразователь; 1.1 –
управляемый выпрямитель-инвертор; 1.2 – промежуточное звено постоянного то-
109
ка; 1.3 – управляемый выпрямитель-инвертор; АМ1, АМ2 – испытуемые асинхронные двигатели; 2 – механическая связь валов асинхронных двигателей, обеспечивающая равенство частот вращения; 3, 4, 5, 6 – контакторы для подключения
одного из двигателей к частотному преобразователю или сети; 7, 8, 9 – трехфазные ваттметры.
Определение электрической мощности, потребляемой асинхронными двигателями при испытании их методом взаимной нагрузки для принятой схемы стенда
(рисунок 4.7) проводится в два этапа.
На первом этапе собирается схема, приведенная на рисунке 4.7, и проводятся следующие действия:
- подачей питания на частотный преобразователь 1 обеспечивают питание
электродвигателя АМ1 и электродвигателя АМ2 от сети;
- осуществляется запуск обеих машин АМ1, АМ2 на холостом ходу при номинальной частоте напряжения, питающего двигатели;
- при неизменной частоте напряжения, питающего двигатель АМ2, уменьшается частота напряжения питающего двигатель АМ1, за счет чего АМ1 нагружается в режиме генератора, а АМ2 – в режиме двигателя; проводится измерение
мощности тремя трехфазными ваттметрами 7, 8, 9; по измеренным значениям
мощности определяют зависимость потерь в частотном преобразователе 1 от
мощности, возвращаемой в сеть Wс1г:
ΔPпч (Wс1г) = PАМ1г – Pс1г;
где
(4.1)
PАМ1г – измеренное значение мощности, вырабатываемой генератором АМ1;
Pс1г – измеренное значение мощности, возвращаемое в сеть;
- при неизменной частоте напряжения, питающего АМ2, увеличивается ча-
стота напряжения, питающего АМ1, за счет чего АМ1 нагружается в режиме двигателя, а АМ2 – в режиме двигателя; проводится измерение мощности тремя
трехфазными ваттметрами 7, 8, 9; по измеренным значениям мощности определяют зависимость потерь в частотным преобразователе 1 от мощности, потребляемой из сети:
ΔPпч (Pс1д) = Pс1д – PАМ1д;
(4.2)
110
где
д
Pс1 – измеренное значение мощности, потребляемое из сети;
PАМ1д – измеренное значение мощности, потребляемое двигателем АМ1.
Pс1 г
Pс1 д
PW
7
Управляемый
выпрямитель
1.1
Δ P пч
1
Звено
постоянного
тока
1.2
9
PW
Выпрямительинвертор
1.3
8
PW
3
4
5
6
PАМ1д
P
PАМ2д
г
АМ1
АМ1
АМ2
P
г
АМ2
2
Рисунок 4.7 – Схема для испытания асинхронных тяговых двигателей методом их
взаимной нагрузки с использованием одного преобразователя частоты и комплектом электроизмерительных приборов
111
Второй этап проводится следующим образом. Измеритель мощности 8 на
данном этапе не требуются. При некотором установившемся режиме измеряются величины PАМ2д или PАМ2г и Pс1д или Pс1г после выражаются и находятся следующие величины:
- определяют PАМ1г из зависимости (4.1);
- определяются PАМ1д из зависимости (4.2).
Практическая ценность представленной схемы и методики для определения мощности заключается в том, что при номинальной частоте напряжения
испытываемых двигателей равной 50 Гц все измерения требуют применения
измерительных приборов, рассчитанных на эту же частоту напряжения, что
значительно упрощает и удешевляет измерительную схему.
Для оценки применимости данной методики с рекомендованным комплектом электроизмерительных приборов необходимо предварительно выполнить следующие действия:
- провести математическое моделирование процесса испытаний асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки для определения частоты,
при которой нагрузочная машина позволяет нагрузить испытуемый двигатель
до его номинальной мощности;
- определить рассчитан ли трехфазный ваттметр, устанавливаемый на
стороне двигателя, питаемого от преобразователя частоты, для работы при таком значении частоты.
4.3.3 Методика определения мощности, потребляемой схемой и потерь в
её основных элементах при испытании асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки с использованием двух преобразователей частоты
Целью предлагаемой методики определения потерь является снижение
стоимости и упрощение измерительной схемы стенда [11].
Указанная цель достигается за счет отказа от использования специальных
датчиков, микросхем, сложного программного обеспечения для обработки сигналов; применения общепромышленных электроизмерительных приборов в ка-
112
честве средств измерения мощности переменного тока с частотой 50 Гц и электроизмерительных приборов постоянного тока; использования двух контакторов, обеспечивающих поэтапную перекоммутацию схемы испытаний в процессе измерений. Таким образом, мощность, подводимая к двигателям, определяется косвенным способом.
На рисунке 4.8 показана схема испытаний асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки и подключенные к схеме измерительные приборы.
На рисунке 4.8 обозначены следующие элементы: АМ1, АМ2 – испытуемые
асинхронные двигатели; 1, 2 – преобразователи частоты; 1.1, 1.2 – неуправляемые выпрямители первого и второго частотных преобразователей; 1.2, 2.2 –
звенья постоянного тока первого и второго частотных преобразователей; 1.3,
2.3 – управляемые инверторы первого и второго частотных преобразователей;
5, 6 – контакторы; 7, 8, 9 – ваттметры; 10 – амперметр постоянного тока; 11 –
вольтметр постоянного тока; 4 – общая шина постоянного тока; 3 – механическая связь валов двигателей АМ1 и АМ2, вращающихся с одинаковой угловой
частотой.
Схема состоит из трех общепромышленных электроизмерительных приборов для измерения мощности переменного тока частотой 50 Гц, подаваемого
на входы обоих частотных преобразователей и одного из асинхронных двигателей; из общепромышленных электроизмерительных приборов для измерения
мощности постоянного тока, передаваемого по общей шине постоянного тока;
двух контакторов, позволяющих отключить выпрямитель одного из преобразователей частоты.
Определение электрической мощности, потребляемой асинхронными
двигателями при испытании их методом взаимной нагрузки для принятой схемы стенда (см. рисунок 4.8) проводится в три этапа [4, 11]. На первом этапе собирается схема, приведенная на рисунке 4.9.
113
5
7
PW
Звено
постоянного
тока
1.1
1.2
10
U С
Управляемый
выпрямительинвертор
PАМ1
д
АМ1
P
АМ1
1.3
PА
PШПТ
г
Pинв1 ΔPинв1
Неуправляемый
выпрямитель
А
В
1
Δ Pвыпр1 Pвыпр1
Pс1
4
PV 11
3
г
N
6
Δ Pвыпр2 Pвыпр2
Pс2
8
PW
д
PАМ 2
Pинв2 ΔPинв2
Неуправляемый
выпрямитель
Звено
постоянного
тока
Управляемый
выпрямительинвертор
2.1
2.2
2.3
PАМ2
9
АМ2
PW
2
Рисунок 4.8 – Схема для испытания асинхронных тяговых двигателей методом их
взаимной нагрузки с использованием одного преобразователя частоты и комплектом
электроизмерительных приборов (второй измерительный этап)
5
А
В
U С
Pс1
7
PW
Δ Pвыпр1 Pвыпр1
1
Неуправляемый
выпрямитель
Звено
постоянного
тока
1.1
1.2
N
10
PШПТ
PА
Pинв1 ΔPинв1
Управляемый
выпрямительинвертор
г
PАМ1
д
АМ1
P
АМ1
1.3
4
PV 11
3
г
Pвыпр2
Pинв2 ΔPинв2
Звено
постоянного
тока
Управляемый
выпрямительинвертор
2.2
2.3
PАМ2
д
PАМ 2
9
PW
АМ2
2
Рисунок 4.9 – Схема для испытания асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки с использованием одного преобразователя частоты и комплектом
электроизмерительных приборов (первый измерительный этап)
На первом этапе проводят действия в следующей последовательности:
- подается питание из сети на выпрямитель первого преобразователя 1.1:
осуществляется запуск обеих машин АМ1, АМ2 на холостом ходу при номинальной частоте напряжения, питающего двигатели;
114
- при неизменной частоте напряжения, питающего АМ2, уменьшается частота напряжения, питающего АМ1, за счет чего АМ1 нагружается в режиме генератора, а АМ2 – в режиме двигателя; проводятся измерения мощности, передаваемой через шину постоянного тока 4, и мощности, подаваемой на двигатель
АМ2 от управляемого инвертора 2.3, по разности которых определяется зависимость потерь в управляемом инверторе 2.3 от мощности, потребляемой двигателем АМ2:
ΔPинв (PАМ2д) = Pшпт (PАМ2д) – PАМ2д;
(4.3)
- при неизменной частоте напряжения, питающего АМ2, увеличивается частота напряжения, питающего АМ1, за счет чего АМ2 нагружается в режиме генератора, а АМ1 – в режиме двигателя; проводятся измерения мощности, передаваемой через шину постоянного тока 4, и мощности, вырабатываемой генератором АМ2, по разности которых определяется зависимость потерь в управляемом
инверторе 2.3 от мощности, вырабатываемой генератором АМ2, и передаваемой
от него в звено постоянного тока:
ΔPинв (PАМ2г) = PАМ2г – Pшпт (PАМ2г);
(4.4)
- определяем зависимость мощности, подводимой к инвертору 2.3 второго
частотного преобразователя 2, от мощности, потребляемой двигателем АМ2:
Pинв (PАМ2д) = ΔPинв(PАМ2д) + PАМ2д;
(4.5)
- определяем зависимость мощности, подводимой к инвертору 2.3 второго
частотного преобразователя 2, от мощности, вырабатываемой генератором АМ2:
Pинв (PАМ2г) = PАМ2г – ΔPинв(PАМ2г).
(4.6)
Используя зависимости (4.5) и (4.6) получаем:
ΔPинв.д= f (Pинв (PАМ2д));
(4.7)
ΔPинв.г = f (Pинв (PАМ2г));
(4.8)
На рисунке 4.10 представлены зависимости (4.7), (4.8).
На втором этапе определяются потери в неуправляемом выпрямителе.
Измерения на втором этапе проводятся по схеме, приведенной на рисунке
4.8, отличие которой состоит в том, что электрическая энергия от сети в звенья
постоянного тока передается по обоим неуправляемым выпрямителям одновре-
115
менно. Измерения проводятся при тех же режимах работы асинхронных машин,
что и на первом этапе.
1500
Вт
1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
ΔPинв 500
400
300
200
100
0
1
2
100
200 300
400
500 600 700
800 900 1000 1100 1200 1300
Вт 1500
Pинв(PАМ)
Рисунок 4.10 – Зависимость потерь в управляемом выпрямитель-инверторе от подводимой к нему мощности: 1 – при работе асинхронной машины (АМ) в режиме
двигателя; 2 – при работе асинхронной машины (АМ) в режиме генератора
В результате измерений получают следующие зависимости:
- мощности на выходе выпрямителя 2.1 второго частотного преобразователя
2 от мощности, потребляемой двигателем АМ2:
Pвыпр(PАМ2д) = Pинв(PАМ2д) – Pшпт(PАМ2д) ,
где
(4.9)
Pинв(PАМ2д) определяется по выражению (4.5);
- мощности на выходе выпрямителя 4.1 второго частотного преобразователя
4 от мощности, вырабатываемой генератором 2:
Pвыпр(PАМ2г) = Pшпт(PАМ2г) – Pинв(PАМ2г);
где
(10)
Pинв(PАМ2г) определяется по выражению (4.6);
- потерь мощности в выпрямителе 2.1 второго частотного преобразователя 2
от мощности, передаваемой им в звено постоянного тока при работе машины
АМ2 как в двигательном, так и в генераторном режиме:
ΔPвыпр (Pвыпр(PАМ2д)) = Pс (PАМ2д) – Pвыпр(PАМ2д),
(4.11)
116
г
ΔPвыпр (Pвыпр(PАМ2 )) = Pс (PАМ2г) – Pвыпр(PАМ2г),
где
(4.12)
Pс – мощность, потребляемая вторым частотным преобразователем 4 из се-
ти.
Второй этап завершается определением зависимости потерь мощности в неуправляемом выпрямителе 2.1 от подводимой к нему мощности из сети:
ΔPвыпр. д = f (Pс (PАМ2д)),
(4.13)
ΔPвыпр. г = f (Pс (PАМ2г)),
(4.14)
в соответствии с выражениями (4.11) и (4.12).
На рисунке 4.11 представлена зависимость потерь в неуправляемом выпрямителе от подведенной к нему мощности при работе испытуемой машины как в
двигательном, так и в генераторном режимах.
90
Вт
70
60
50
40
ΔPвыпр 30
20
10
0
100
200
300
400
500
600
Вт
800
Pc(PАМ)
Рисунок 4.11 – Зависимость потерь в неуправляемом выпрямителе от подведенной к нему мощности из сети
Необходимо выполнить действия в соответствии с формулами (4.3) – (4.14),
как для первого, так и для второго частотного преобразователя.
Составляющие Pс, PАМ2д, PАМ2г, Ршпт получены по результатам измерений.
Первые два этапа проводятся только один раз. Цель первых двух этапов – получение зависимостей (4.3) – (4.14) для их дальнейшего многократного использования.
117
Третий этап проводится следующим образом. Измеритель мощности 9 на
данном этапе не требуется. При некотором установившемся режиме измеряются
величины Pс1, Pс2, Ршпт, после чего выражаются и находятся следующие величины:
- ΔPвыпр1, ΔPвыпр2 определяются из (4.13), (4.14);
- Pвыпр1, Pвыпр2 определяются из (4.11) и (4.12);
- Pинв1, Pинв2 определяются из (4.9) и (4.10);
- ΔPинв1, ΔPинв2 определяются из (4.7), (4.8);
- PАМд и PАМг определяются из (4.5) и (4.6).
Практическая ценность представленной схемы и методики для определения
мощности заключается в том, что при номинальной частоте напряжения испытываемых двигателей равной 50 Гц все измерения требуют применения измерительных приборов, рассчитанных на эту же частоту напряжения, что значительно
упрощает и удешевляет измерительную схему.
В случае, если поставляемые частотные преобразователи имеют в своем
комплекте тормозные модули и реостаты, то возможно определение потерь и
мощности в основных элементах схемы с использованием следующей методики и
комплекта электроизмерительных приборов.
На рисунке 4.12 показана схема испытаний асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки и подключенные к ней измерительные приборы. На рисунке 4.12 обозначены следующие элементы: 1, 2 – частотные преобразователи;
1.1, 2.1 – неуправляемые выпрямители; 1.2, 2.2 – звенья постоянного тока; 1.3, 2.3
– управляемые инверторы; 3, 4 – испытуемые асинхронные двигатели; 5 – механическая связь валов асинхронных двигателей, обеспечивающая равенство частот
вращения; 6 – общая шина постоянного тока; 7 – тормозной модуль; 8 – амперметр постоянного тока; 9 – вольтметр постоянного тока; 10 – тормозной реостат;
11, 12, 13 – контакторы для соединения преобразователей частоты общей шиной
постоянного тока; 14, 15 – трехфазные ваттметры.
Схема состоит из амперметра и вольтметра постоянного тока; трех двухфазных ваттметров и контактора для соединения преобразователей частоты. Все
118
приборы имеют общепромышленное исполнение и не относятся к классу специальных.
Определение электрической мощности, потребляемой асинхронными двигателями при испытании их методом взаимной нагрузки для принятой схемы стенда
(рисунок 4.12) проводится в три этапа.
5
7
PW
Неуправляемый
выпрямитель
Звено
постоянного
тока
1.1
1.2
10
А
В
PШПТ
U С
1
Δ Pвыпр1 Pвыпр1
Pс1
Pинв1 ΔPинв1
Управляемый
выпрямительинвертор
г
PАМ1
д
АМ1
P
АМ1
1.3
PА
4
3
г
N
Δ Pвыпр2 Pвыпр2
Pс2
PW
Неуправляемый
выпрямитель
Звено
постоянного
тока
Управляемый
выпрямительинвертор
2.1
2.2
2.3
+
2
11
+
I
ШПТ
д
PАМ 2
9
PW
АМ2
Тормозной
модуль
12
-
8
Pинв2 ΔPинв2
-
6
PАМ2
PV
U ШПТ
PA
14
13
PR
Рисунок 4.12 – Схема для испытания асинхронных тяговых двигателей методом
их взаимной нагрузки с использованием двух преобразователей частоты и комплектом электроизмерительных приборов
Первый этап проводится в следующей последовательности:
- разорвать электрическую связь между частотными преобразователями с
помощью контактора 10;
- подключить тормозной модуль 11 к звену постоянного тока 2.2 второго
частотного преобразователя, что обеспечит подключение тормозного реостата 14
119
к звену постоянного тока 2.2 и регулированием сопротивления нагрузочного реостата 14 изменять величину мощности Pшпт на выходе из неуправляемого выпрямителя 2.1. Фиксировать результаты измерений мощности Pшпт при каждом значении сопротивления пускового реостата 14, а также одновременно вести учет
потребляемой преобразователем частоты мощности Pc2 из сети. По разности измеренных мощностей определяется зависимость потерь в неуправляемом выпрямителе 2.1 от мощности, потребляемой из сети:
ΔPвыпр (Pс2) = Pс2 – Pшпт (Pс2);
где
(4.15)
Pшпт – мощность, передаваемая по звену постоянного тока (на выходе не-
управляемого выпрямителя 2.1):
Pшпт = PR = Iшпт· Uшпт;
где
(4.16)
Iшпт – ток, потребляемый нагрузочным реостатом 14;
Uшпт – напряжение на нагрузочном реостате 14;
PR – потери мощности на нагрузочном реостате 14.
На втором этапе определяются потери в управляемом выпрямителе 1.3.
Необходимо провести следующие действия:
- разорвать электрическую связь первого частного преобразователя с сетью,
разомкнув контактор 5;
- установить электрическую связь между частотными преобразователями с
помощью контактора 10;
- подается питание из сети на неуправляемый выпрямитель второго частотного преобразователя 2.1: осуществляется запуск обеих машин АМ1, АМ2 на холостом ходу при номинальной частоте напряжения, питающего двигатели;
- при неизменной частоте напряжения, питающего АМ1, уменьшается частота напряжения, питающего АМ2, за счет чего АМ2 нагружается в режиме генератора, а АМ1 – в режиме двигателя; проводятся измерения мощности, передаваемой через шину постоянного тока 4, и мощности, подаваемой на двигатель
АМ1 от управляемого инвертора 1.3, по разности которых определяется зависимость потерь в управляемом инверторе 1.3 от мощности, потребляемой двигателем АМ1:
120
ΔPинв (PАМ1д) = Pшпт (PАМ1д) – PАМ1д;
(4.17)
- при неизменной частоте напряжения, питающего АМ1, увеличивается частота напряжения, питающего АМ2, за счет чего АМ1 нагружается в режиме генератора, а АМ2 – в режиме двигателя; проводятся измерения мощности, передаваемой через шину постоянного тока 4, и мощности, вырабатываемой генератором АМ1, по разности которых определяется зависимость потерь в управляемом
инверторе 1.3 от мощности, вырабатываемой генератором АМ1, и передаваемой
от него в звено постоянного тока 4:
ΔPинв (PАМ1г) = PАМ1г – Pшпт (PАМ1г);
(4.18)
- определяем зависимость мощности, подводимой к инвертору 1.3 первого
частотного преобразователя 1, от мощности, потребляемой двигателем АМ1:
Pинв (PАМ1д) = ΔPинв(PАМ1д) + PАМ1д ;
(4.19)
- определяем зависимость мощности, подводимой к инвертору 1.3 первого
частотного преобразователя 1, от мощности, вырабатываемой генератором АМ1:
Pинв (PАМ1г) = PАМ1г – ΔPинв(PАМ1г).
(4.20)
Используя зависимости (4.19) и (4.20) получаем:
ΔPинв.д= f (Pинв (PАМ1д));
(4.21)
ΔPинв.г = f (Pинв (PАМ1г));
(4.22)
Составляющие Pс1, Pс2, PАМ1г, PАМ1д, Ршпт получены по результатам измерений.
Последовательность действий, выполненных для первого частотного преобразователя, необходимо провести и для второго частного преобразователя. Первые два
этапа проводятся только один раз. Цель первых двух этапов – получение зависимостей (4.15) – (4.22) для их дальнейшего многократного использования.
Третий этап проводится следующим образом. Измеритель мощности 16 на
данном этапе не требуется. При некотором установившемся режиме измеряются
величины Pс1, Pс2, Ршпт, после чего из следующих имеющихся зависимостей выражаются и находятся следующие величины:
- из (4.15) определяется ΔPвыпр1, ΔPвыпр2;
- из (4.16) определяется Pвыпр1, Pвыпр2 или Pшпт;
- из (4.19) и (4.20) определяется Pинв1, Pинв2;
121
- из (4.21), (4.22) определяется ΔPинв1, ΔPинв2;
- из (4.17) и (4.18) определяется PАМ1д и PАМ1г.
Практическая ценность представленной схемы для определения мощности
заключается в том, что при номинальной частоте напряжения испытываемых двигателей равной 50 Гц все измерения требуют применения измерительных приборов, рассчитанных на эту же частоту напряжения, что значительно упрощает и
удешевляет измерительную схему.
4.3.4 Методика определения мощности, потребляемой схемой и потерь в её
основных элементах при испытании асинхронных тяговых двигателей методом
взаимной нагрузки с использованием нестандартного преобразователя частоты
На рисунке 4.13 показана схема испытаний асинхронных двигателей и подключенные к схеме измерительные приборы. На рисунке 4.13 обозначены следующие элементы: 1 – нестандартный преобразователь частоты, состоящий из 1.1 –
неуправляемый выпрямитель; 1.2 – звено постоянного тока; 1.3.1, 1.3.2 – управляемые инверторы для питания первого и второго двигателей; АМ1, АМ2 – испытуемые асинхронные двигатели; 2 – механическая связь, обеспечивающая равенство
угловых частот вращения асинхронных двигателей; 3 – общая шина постоянного
тока; 5, 6 – амперметры постоянного тока; 4 – вольтметр постоянного тока; 8 –
трехфазный ваттметр.
Измерительная схема состоит из двух амперметров постоянного тока, предназначенных для измерения токов в общей шине постоянного тока, потребляемых
первым и вторым управляемыми инверторами; вольтметра постоянного тока для
измерения напряжения в общей шине постоянного тока; трехфазного ваттметра
для измерения мощности переменного тока частотой 50 Гц, которое подается на
вход одного из асинхронных двигателей. Все приборы не относятся к классу специальных, имеют общепромышленного исполнение.
Определение электрической мощности, потребляемой асинхронными двигателями при испытании их методом взаимной нагрузки для принятой схемы стенда
(рисунок 4.13) проводится в три этапа.
На первом этапе необходимо выполнить следующие действия:
122
- от источника электрической энергии подается питание на общий выпрямитель 1.1; осуществляется запуск обеих машин АМ1, АМ2 на холостом ходу при
номинальной частоте напряжения, питающего двигатели;
U
А
Pc
1
Δ Pвыпр
Iшпт
I шпт1г
5
I шпт1д
+
Управляемый
выпрямительинвертор
Δ Pинв1
P
А
P
г
АМ1
В
АМ1
3
С
С
PW
8
Неуправляемый
выпрямитель
+
Звено
постоянного
тока
+
Uшпт
1.1
1.2
6
PA
4
PV
1.3.1
1.3.2
I шпт2г
I шпт2д
+
Управляемый
выпрямительинвертор
А
7
PW
д
АМ1
PA
В
В
С
2
Δ Pинв2
PАМ2д
P
г
АМ2
АМ2
Рисунок 4.13 – Схема для испытания асинхронных тяговых двигателей
методом их взаимной нагрузки с использованием нестандартного преобразователя
частоты и комплектом электроизмерительных приборов
- при неизменной частоте напряжения, питающего АМ1, уменьшается частота напряжения, питающего АМ2, за счет чего АМ2 нагружается в режиме генератора, а АМ1 – в режиме двигателя; проводится определение мощности, передаваемой по общей шине постоянного тока 3, как произведение величины постоянного тока, потребляемого инвертором 1.3.1, и напряжения в общей шине постоянного тока, и мощности, которая подается на двигатель АМ1 от управляемого
123
инвертора 3.1; по разности полученных мощностей определяется зависимость потерь в управляемом инверторе 3.1 от мощности, потребляемой двигателем АМ1:
ΔPинв (PАМ1д) = Pшпт1 (PАМ1д) – PАМ1д;
где
(4.23)
ΔPинв (PАМ1д) – зависимость потерь в инверторе от мощности, потребляемой
асинхронным двигателем, Вт;
- Pшпт1 (PАМ1д) – измеренное значение мощности, передаваемой по общей
шине постоянного тока на испытуемый двигатель, которое определяется следующими параметрами, Вт:
Pшпт1 (PАМ1д) = Pшпт2 (PАМ1г) + Ic·Uшпт;
где
(4.24)
Pшпт2 (PАМ1г) – измеренное значение мощности, передаваемой по общей шине
постоянного тока, Вт;
Ic – ток, потребляемый из сети, А;
PАМ1д – значение мощности, потребляемой асинхронным двигателем, Вт.
Мощность, передаваемая по общей шине постоянного тока, на разных
участках определяется следующими выражениями:
Pшпт1 (PАМ1д) = Iшпт1д·Uшпт
(4.25)
Pшпт1 (PАМ1г) = Iшпт1г·Uшпт
(4.26)
Pшпт2 (PАМ1д) = Iшпт2д·Uшпт
(4.27)
Pшпт2 (PАМ1г) = Iшпт2г·Uшпт
(4.28)
Pшпт(Pс1) = Iшпт·Uшпт
(4.29)
- при неизменной частоте напряжения, питающего АМ1, увеличивается частота напряжения, питающего АМ2, за счет чего АМ1 нагружается в режиме генератора, а АМ2 – в режиме двигателя; проводятся измерения мощности, передаваемой через шину постоянного тока 3, и мощности, вырабатываемой генератором АМ1, по разности которых определяется зависимость потерь в управляемом
инверторе 3.1 от мощности, вырабатываемой генератором АМ1, и передаваемой
от него в звено постоянного тока:
ΔPинв (PАМ1г) = PАМ1г – Pшпт1 (PАМ1г);
где
(4.30)
Pг – значение мощности, вырабатываемой асинхронным генератором, Вт;
124
г
Pшпт1 (PАМ1 ) –измеренное значение мощности, передаваемой по общей шине
постоянного тока от асинхронного генератора, которое определяется следующими
параметрами, Вт:
Pшпт1 (PАМ1г) = Pшпт2 (PАМ2д) – Ic·Uшпт;
(4.31)
- определяем зависимость мощности, передаваемой инвертором 1.3.1 от
мощности, вырабатываемой генератором АМ1:
Pшпт1 (PАМ1г) = ΔPинв (PАМ1г) + PАМ1г
(4.32)
- определяем зависимость мощности, подводимой к инвертору 1.3.1 от
мощности, потребляемой двигателем АМ1:
Pшпт1 (PАМ1д) = PАМ1д – ΔPинв (PАМ1г)
(4.33)
- используя зависимости (4.32), (4.33) получаем зависимости:
ΔPинв (PАМ1д) = f(Pшпт1 (PАМ1д))
(4.34)
ΔPинв (PАМ1г) = f(Pшпт1 (PАМ1г))
(4.35)
Необходимо выполнить действия в соответствие с формулами (4.23) –
(4.35), как для первого 3.1, так и для второго инвертора 3.2.
Второй этап заключается в определении потерь мощности в неуправляемом
выпрямителе 1. Для этого необходимо следующие действия:
- установить на испытуемых двигателях те же режимы испытаний, которые
соответствовали первому этапу при определении потерь в управляемых выпрямитель-инверторах;
- при каждом установившемся режиме нагрузки фиксировать значения Pс и
определять величину Pшпт по формуле (4.29);
- определить зависимость потерь в неуправляемом выпрямителе от подведенной к нему мощности из сети по следующему выражению:
ΔPвыпр (Pс) = Pшпт – Pс
(4.38)
Составляющие Iшпт1, Iшпт2, Uшпт, PАМ1д, PАМ1г, Pс получены по результатам измерений. Приведенная последовательность действий повторяется только один раз
для получения зависимостей (4.34), (4.35), (4.38) и их дальнейшего многократного
использования.
125
Третий этап проводится следующим образом. Измеритель мощности 9 на
данном этапе не требуется. При некотором установившемся режиме измеряются
величины Iшпт1, Iшпт2, Uшпт после чего выражаются и находятся следующие величины:
- Pшпт1, Pшпт2, Pшпт определяются из (4.25) – (4.29) в зависимости от режима
работы асинхронной машины;
- ΔPинв1, ΔPинв2, ΔPвыпр определяются из (4.34), (4.35), (4.36);
- PАМд, PАМд определяются из (4.23), (4.30).
Практическая ценность представленной схемы для определения мощности
заключается в том, что при номинальной частоте напряжения испытываемых двигателей равной 50 Гц все измерения требуют применения измерительных приборов, рассчитанных на эту же частоту напряжения, что значительно упрощает и
удешевляет измерительную схему.
4.4 Применение разработанных методик определения мощности для уточнения математической модели процесса испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки т формирования алгоритмов выбора
коммутационного оборудования и схемы испытаний
Разработанные методики позволяют определить мощности, потребляемой всеми элементами схемы, за счет проведения ряда измерений и использования полученных зависимостей потерь в основных элементах схемы от подведенной к ним мощности. Это позволяет уточнить математическую модель процесса испытаний асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки, которая была составлена в главе 2 без
учета потерь в преобразователях частоты. Таким образом, можно синтезировать математическую модель, учитывающую работу преобразователей частоты как реальных
элементов схемы, работа которых привносит дополнительные потери в схеме испытаний. Последовательность получения такой математической модели показана на рисунке 4.14.
126
Математическая модель с учетом потерь ΔР
Зависимости потерь ΔР в
элементах преобразователей
частоты в зависимости от
режима работы схемы
Математическая модель
без учета потерь ΔР в
преобразователях частоты
Рисунок 4.14 – Получение математической модели с учетом потерь в основных
элементах схемы
Дополненная математическая модель работы асинхронных двигателей
при испытании методом взаимной нагрузки представлена в виде системы
уравнений (4.39). Как отмечалось выше данная система уравнений дополнена
зависимостями потерь в основных элементах частотных преобразователей
(выпрямителе и инверторе) от мощности, потребляемой асинхронным двигателем. Данная математическая модель является универсальной для каждой из
предложенных схем испытаний.
Практическая ценность разработанных методик заключается в использовании общепромышленных электроизмерительных приборов, что позволяет
отказаться от использования специализированных сложных электроизмерительных комплексов.
Использование результатов математического моделирования, с учетом
потерь в основных элементах схемы, позволяет определить подведенную и генерируемую мощности; технические характеристики электроизмерительного
оборудования, используемого во время испытаний, а также, при необходимости, коммутационного оборудования и требуемой во время испытаний мощности сети. Алгоритм определения параметров сети, коммутационного и защитного оборудования схемы испытаний асинхронных двигателей методом вза-
127
имной нагрузки представлен на рисунке 4.15. Алгоритм выбора схемы для испытания асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки приведен на
рисунке 4.16.
Подбор параметров испытуемых двигателей выполняется по данным каталогов, технических условий и конструкторских чертежей, для проведения
математического моделирования процесса испытаний асинхронных двигателей.
Предварительный выбор схемы испытаний асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки выполняется с целью выбора математической модели для описания асинхронных двигателей с учетом конструктивных и функциональных особенностей схемы.
Расчет подводимой и генерируемой мощности испытуемых двигателей с
помощью математической модели без учета потерь в основных элементах
схемы (преобразователях частоты) позволяет предварительно оценить величину мощности, потребляемую из сети, что в случае схемы испытаний с нестандартным преобразователем частоты (рисунок 4.3, 4.13), также позволит
определить токовую нагрузку на неуправляемый выпрямитель. Зная потребляемую мощность из сети, можно определить технические характеристики электроизмерительных приборов, коммутационной и защитной аппаратуры.
В соответствии с предварительно выбранной схемой испытаний, осуществляется сборка схемы для измерения потерь и мощности в основных элементах схемы, строят зависимости по выбранной методике, по которым в
дальнейшем определяют их величины по измеренной подводимой мощности
на определенном участке схемы. Зная потери в основных элементах схемы,
уточняются значения параметров сети, технических характеристик электроизмерительных приборов, коммутационного и защитного оборудования схемы.
128





p


   (L112  (i11c  i11a )  L12  (i12 c  i12 a ) 

3



di11c
1

p



 u 1c ( t )  i11c  R 1  k1r  i12 c  R 2 
   (L112  (i11a  i11b )  L12  (i12 a  i12 b ) 

dt
1  L11 
3





di12 a
1

p



 k1s  (u 1a ( t )  i11a  R 1 )  i12 a  R 2 
   (L112  (i11b  i11с )  L12  (i12 b  i12 с ) 
dt
1  L12 
3





di12 b
1

p



 k1s  (u 1b ( t )  i11b  R 1 )  i12 b  R 2 
   (L112  (i11c  i11a )  L12  (i12 c  i12 a ) 

dt
1  L12 
3





di12 c
1

p


 k1s  (u 1c ( t )  i11c  R 1 )  i12 c  R 2 
   (L112  (i11a  i11b )  L12  (i12 a  i12 b ) 

dt
1  L12 
3




d
p


 i11a  (i12 b  i12 с )  i11b  (i12 c  i12 a )  i11c  (i12 a  i12 b ) L112 i 21a  (i 22 b  i 22 с ) 
dt J  3


M пот

 i 21 b  (i 22 c  i 22 a )  i 21c  (i 22 a  i 22 b ) L212  
 sign ()
J



di 21a
1

p



 u 2 a ( t )  i 21a  R 1  k 2 r  i 22 a  R 2 
   (L212  (i 21b  i 21с )  L2 2  (i 22 b  i 22 с ) 
(4.39)
dt
2  L21 
3





di 21b
1

p







 u 2 b ( t )  i 21b  R 1  k 2 r  i 2 2 b  R 2 
   (L212  (i 21c  i 21a )  L2 2  (i 2 2 c  i 2 2 a ) 

dt
2  L21 
3




di11c
1

p



 u 2 c ( t )  i 21c  R 1  k 2 r  i 22 c  R 2 
   (L212  (i 21a  i 21b )  L2 2  (i 22 a  i 22 b ) 

dt
2  L21 
3




di 22 a
1

p
 

 k 2 s  (u 2 a ( t )  i 21a  R 1 )  i 22 a  R 2 
   (L212  (i 21b  i 21с )  L2 2  (i 22 b  i 22 с )  
dt
2  L 2 2 
3

 


di 22 b
1

p


 k 2 s  (u 2 b ( t )  i 21b  R 1 )  i 22 b  R 2 
   (L212  (i 21c  i 21a )  L2 2  (i 22 c  i 22 a )  
dt
2  L2 2 
3




di 22 c
1

p
 

 k 2 s  (u 2 c ( t )  i 21c  R 1 )  i 22 c  R 2 
   (L212  (i 21a  i 21b )  L2 2  (i 22 a  i 22 b )  
dt
2  L2 2 
3

 

Pвыпр  f (PАМ )


Pинв  f (PАМ )

д
г

Pс  Pинв1  Pинв2  Pвыпр1  Pвыпр2  PАМ
 PАМ






di11a
1


 u 1a ( t )  i11a  R 1  k1r  i12 a  R 2 
dt
1  L11 


di11b
1


 u 1b ( t )  i11b  R 1  k1r  i12 b  R 2 
dt
1  L11 

p

   (L112  (i11b  i11с )  L12  (i12 b  i12 с ) 
3

129
Начало
Тип ПЧ на
локомотиве
да
ПЧ
с рекуперацией
энергии в сеть?
нет
Расчет мощности,
потребляемой из сети
Номинальная мощность
двигателя
Выбор контактора до
ПЧ (со стороны сети)
Выбор контактора до
ПЧ (со стороны сети)
Номинальная мощность
двигателя
Выбор контактора
после ПЧ (для
питания двигателя)
Выбор контактора
после ПЧ (для
питания двигателя)
Расчет мощности,
передаваемой по общей
шине постоянного тока
Выбор контактора
для питания
двигателя от сети
Выбор контакторов для
вкл/откл общей шины
постоянного тока
Конец
Рисунок 4.15 – Алгоритм определения коммутационного оборудования схемы испытаний асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки
130
Начало
Номинальная частота
питающего напряжения
двигателя fн
Тип ПЧ на
локомотиве
ПЧ
с рекуперацией
энергии в сеть?
да
нет
Схемы с
рекуперацией
энергии в сеть
нет
Схемы без
рекуперации
энергии в сеть
да
fн = 50 Гц
Схема с двумя ПЧ
с функциями
рекуперации
Схема с одним ПЧ
с функцией
рекуперации
Потери в ПЧ, измеренные по
методикам*, или полученные по
данным заводов-изготовителей
Потери в ПЧ, измеренные по
методикам*, или полученные по
данным заводов-изготовителей
Расчет необходимой
мощности сети
нет
Рекомендации по
увеличению
мощности сети
Мощность сети
соответствует
требуемой?
Расчет необходимой
мощности сети
нет
Рекомендации по
увеличению
мощности сети
да
Выбор схемы
испытаний
Потери в ПЧ, измеренные по
методикам*, или полученные по
данным заводов-изготовителей
Мощность сети
соответствует
требуемой?
да
Расчет необходимой
мощности сети
нет
Рекомендации по
увеличению
мощности сети
Выбор схемы
испытаний
Мощность сети
соответствует
требуемой?
да
Техникоэкономическое
сравнение схем
Выбор схемы
испытаний
Конец
Рисунок 4.16 – Алгоритм выбора схемы для испытаний асинхронных тяговых
двигателей методом взаимной нагрузки
131
Как правило, преобразователи частоты выбирают с полуторным запасом
мощности двигателя, предназначенного для работы от него. С другой стороны,
каждый преобразователь частоты может быть настроен для управления двигателем в половину меньшей мощности преобразователя. Таким образом, зависимости потерь в преобразователях частоты могут быть использованы для определения генерируемой и подводимой мощности асинхронных двигателей в широком
диапазоне частот и мощностей двигателей от 50 до 100 % мощности преобразователя.
Параметры сети, коммутационного и защитного оборудования, определенные по алгоритму (рисунок 4.15) используются в алгоритме выбора схемы испытаний асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки.
Первым шагом в алгоритме выбора схемы испытаний является установление типа преобразователя, питающего тяговый двигатель в реальных условиях,
как это реализовано на локомотиве. Если двигатель получает питание от преобразователя частоты с функцией рекуперации энергии, то следует использовать схему с одним преобразователем частоты с функцией рекуперации (рисунок 4.16). В
противном случае, могут быть использованы одна из двух других предложенных
схем: схема с двумя преобразователями частоты или схема с нестандартным преобразователем частоты.
Далее выполняется проверка соответствия работы схемы установленным
нормам по показателям качества электрической энергии сети. В случае несоответствия требуется применение устройств помехоподавления и фильтров. Если работа схемы соответствует требованиям, то выполняется следующая проверка.
Проверка условия по допустимой загрузке сети реактивной мощностью выполняется только для схемы с одним преобразователем частоты с функцией рекуперации, т.к. в данной схеме выполняется обмен реактивной энергией между сетью и асинхронным генератором. Если условие не выполняется, то принимают
решение об установке устройств компенсации реактивной мощности и вновь повторяют проверку условия.
132
После этого выполняются расчет технико-экономической эффективности
схем испытаний асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки по результатам которого делается выбор в пользу той или иной схемы.
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4
1. Предложены схемы испытаний асинхронных двигателей с применением
метода их взаимной нагрузки, позволяющие проводить необходимые испытания в
соответствии с условиями работы на локомотивах и обеспечить высокую энергетическую эффективность процесса испытаний: схема с одним преобразователем
частоты, обеспечивающим возврат электрической энергии в сеть; схема с двумя
преобразователями частоты, связанными электрически посредствам общей шины
постоянного тока, соединяющей их звенья постоянного тока; схема с одним нестандартным преобразователем частоты.
2. Проведен сравнительный анализ технических особенностей предложенных схем испытаний, который показал, в каких случаях наиболее целесообразным
является применение каждой из схем.
3. Предложены методики определения мощности, потребляемой схемой и
потерь в её основных элементах при испытании асинхронных двигателей методом
взаимной нагрузки.
4. Разработанная методика определения мощности, потребляемой схемой и
потерь в её основных элементах при испытании асинхронных двигателей методом
взаимной нагрузки использованы в математической модели процесса испытаний
асинхронных тяговых двигателей метод взаимной нагрузки, что позволяет на этапе проектирования испытательных станций определить мощность, потребляемую из
сети в процессе испытаний под нагрузкой, а также параметры преобразователей частоты для различных типов испытуемых двигателей в условиях локомотивных депо
133
5. Составлен алгоритм определения параметров коммутационного и оборудования схемы испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной
нагрузки.
6. Составлен алгоритм выбора схемы для испытаний асинхронных тяговых
двигателей методом взаимной нагрузки с учетом возможности реализации рекуперации преобразователем частоты, номинальной частоты питания испытуемого двигателя, мощности сети и технико-экономической целесообразности схемы.
134
5 АЛГОРИТМ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ
АСИНХРОННЫХ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛОКОМОТИВОВ
МЕТОДОМ ИХ ВЗАИМНОЙ НАГРУЗКИ
В соответствии с перечнем приемо-сдаточных испытаний для асинхронных
тяговых двигателей [20], требований ГОСТ 11828-86 [46], ГОСТ 7217-87 [54], а
также предложенными схемными решениями в главе 4, составлена последовательность проведения испытаний асинхронных тяговых двигателей:
1) измерение сопротивления изоляции обмоток относительно корпуса;
2) измерение сопротивления обмоток постоянному току;
3) прокрутка двигателей;
4) испытание электрической прочности междувитковой изоляции;
5) определение тока и потерь холостого хода;
6) измерение сопротивления изоляции обмотки статора;
7) измерение тока и потерь короткого замыкания;
8) измерение сопротивления изоляции обмотки статора;
9) испытание на нагревание;
10) измерение сопротивления изоляции обмотки статора;
11) испытание при повышенной частоте вращения;
12) измерение сопротивления изоляции обмотки статора;
13) испытание электрической прочности изоляции обмоток относительно
корпуса;
14) измерение сопротивления изоляции обмотки статора;
15) вибродиагностика (выполняется на специальных стендах).
5.1 Измерение сопротивления изоляции обмоток относительно корпуса
Все асинхронные тяговые двигатели выполнены с короткозамкнутым ротором, поэтому измерение сопротивления изоляции проводится для всей обмотки по
отношению к корпусу. Данный вид испытания обычно проводится [46]:
135
- в практически холодном состоянии испытуемой машины;
- в нагретом состоянии – после испытания на нагревание;
- независимо от температуры обмоток – до и после испытаний изоляции обмоток на электрическую прочность и между обмотками переменным напряжением;
- до и после испытания при повышенной частоте вращения.
Для проведения испытания в практически холодном состоянии требуется
выполнение условия: температура обмоток не должна отличаться от температуры
окружающей среды на 3 °C, что требует контроля температуры обмоток и температуры окружающей среды. Это вызывает определенные трудности для проведения испытания, т.к. требуется закладывать датчики для измерения температуры
обмотки статора, что в условиях больших объемов ремонта существенно затрудняют трудоемкость и время проведения ремонта тягового двигателя. На наш
взгляд, для двигателей, не имеющих в своей конструкции заложенных в полость
машины датчиков для измерения температуры обмоток, должны быть предусмотрены датчики температуры поверхности машины или бесконтактные средства измерения температуры (пирометры). Измеренные значения температуры сравниваются с температурой окружающей среды и если показания остаются неизменные в течение 4 часов, то двигатель готов для проведения испытания в практически холодном состоянии [46].
Таким образом, для измерения сопротивления изоляции обмоток относительно корпуса в практически холодном состоянии (пункт 1, последовательности
испытаний) необходимо следующее оборудование:
- мегаомметр (величина напряжения зависит от мощности машины);
- термометр;
- пирометр.
На рисунке 5.1 приведена схема для проведения измерения сопротивления
изоляции асинхронных тяговых двигателей в составе стенда взаимной нагрузки. В
схеме предполагается переключение мегаомметра для проведения измерения со-
136
противления изоляции первого и второго испытуемого асинхронного тягового
двигателя.
U
А
В
С
QF
KM1
QF1
U1 V1 W1
BR1
KM2
U1 V1 W1
QS
+
+
BR1
ПЧ2
ПЧ1 BR2
BR2
-
-
U2 V2 W2
U2 V2 W2
к пробивной
установке
КМ4
КМ3
Мегаомметр
_
+
1
2
А В С
А В С
АМ1
АМ2
1
2
Рисунок 5.1 – Схема для проведения измерения сопротивления изоляции асинхронных тяговых двигателей в составе стенда взаимной нагрузки
Алгоритм проведения испытания:
1) установить испытуемые машины на постамент взаимной нагрузки (без
соединения валов двигателей механически и их электрического соединения с преобразователя частоты). Для этого выполнить следующие действия:
- выключить автоматический выключатель QF, QF1; контакторы КМ1 –
КМ4; разъединитель QS.
2) при выполнении испытания в практически холодном состоянии необходимо измерить температуру частей асинхронного двигателя с помощью пирометра или датчиков температуры поверхности. Полученное значение температуры
сравнить с показаниями термометра для измерения температуры окружающей
137
среды. Испытание следует проводить по достижении равенства этих значений, в
противном случае – оставить асинхронный двигатель на время, необходимое для
соответствия температуры частей двигателя температуре окружающей среды [46];
3) перед измерением сопротивления изоляции соединить обмотку статора с
заземленным корпусом машины на время – не менее 15 с. [46];
4) подключить мегаомметр в соответствии с его руководством по эксплуатации;
5) установить напряжение мегаомметра в зависимости от мощности испытуемого двигателя;
6) выполнить измерение сопротивления изоляции в течение времени – не
менее 1 минуты [46].
Повторить приведенную последовательность для каждого испытуемого
двигателя.
По результатам проведенного испытания следует проверить следующие показатели:
- измеренное значение сопротивления изоляции, которое должно быть не
менее, указанного в руководстве по эксплуатации машины [46];
- расчетное значение коэффициента абсорбции, которое должно быть в пределах 1,5 – 2,0 [46].
5.2 Измерение сопротивления обмоток постоянному току
Асинхронные тяговые двигатели имеют сопротивление обмоток менее
1 Ом. ГОСТ 11828-86 [46] рекомендует при измерении сопротивления обмоток
постоянному току использовать метод вольтметра и амперметра, либо допускается измерение сопротивления без отключения от сети [52]. Проведение такого испытания требует комплектации испытательной станции дополнительным источником постоянного тока, которым может быть: аккумуляторная батарея, генератор постоянного тока, статический выпрямитель. Благодаря использованию в
138
схемах преобразователей частоты и их конструктивному исполнению: наличие
промежуточного звена постоянного тока – нет необходимости в использовании
дополнительных устройств.
Для измерения сопротивления обмоток статора постоянному току (пункт 2,
последовательности испытаний) необходимо следующее оборудование:
- амперметр постоянного тока;
- вольтметр постоянного тока;
- тормозной реостат;
- термометр*;
- пирометр*.
* при проведении испытания в практически холодном состоянии.
Схема для измерения сопротивления обмоток постоянному току показана на
рисунке 5.2 (при измерении сопротивления между фазами А и В). В качестве
нагрузочного сопротивления, возможно использование тормозного реостата, поставляемого в комплекте с частотными преобразователями.
U
А
В
С
QF
KM1
QF1
U1 V1 W1
BR1
KM2
U1 V1 W1
QS
+
+
BR1
ПЧ2
ПЧ1 BR2
BR2
-
-
U2 V2 W2
U2 V2 W2
РА
РА
к пробивной
установке
КМ3
Rн
А В С
КМ4
РА
РV
АМ1
А В С
АМ2
Рисунок 5.2 – Схема для проведения измерения сопротивления постоянному току
обмоток статора асинхронных тяговых двигателей
в составе стенда взаимной нагрузки
139
Алгоритм проведения испытания:
1)перед проведением испытания необходимо выполнить следующие действия:
- выключить автоматический выключатель QF, QF1; контакторы КМ1 –
КМ4; разъединитель QS.
2) собрать схему (амперметр, вольтметр, нагрузочный реостат) и подключить ее к фазам А-В, зафиксировать полученное значение сопротивления;
3) собрать схему (амперметр, вольтметр, нагрузочный реостат) и подключить ее к фазам А-С, зафиксировать полученное значение сопротивления;
4) собрать схему (амперметр, вольтметр, нагрузочный реостат) и подключить ее к фазам В-С, зафиксировать полученное значение сопротивления;
5) последовательность (1) – (3) повторить не менее трех раз при разных значениях тока, регулируя величину сопротивления Rн;
6) определить среднеарифметическое значение сопротивления для каждой
пары выводов А-В, А-С, В-С;
7) используя расчетные формулы (1) – (3) и полученные значения в п. 5),
определить сопротивлений фаз обмотки статора [46]:
R1 
R 12  R 13  R 23
2
(5.1)
R2 
R 12  R 23  R 13
2
(5.2)
R3 
R 13  R 13  R 12
2
(5.3)
По результатам проведенного испытания следует проверить следующие показатели [46, 48]:
- полученные значения сопротивления сравнить (по формулам (5.1) – (5.3))
с паспортными значениями сопротивлений фаз обмотки статора на асинхронный
двигатель, допустимое отклонение не более 2%;,
- сопротивление должно быть приведено к расчетной температуре – 15 °С:
140
R 15  R t1 
250
250  t 1
(5.4)
Rt1 – измеренное значение сопротивления при температуре t1.
- допустимое расхождение сопротивления отдельных фаз – не более 2%
среднего значения сопротивления фаз.
5.3 Прокрутка двигателей
Прокрутка асинхронных двигателей, в том числе тяговых, выполняется для
достижения рабочей температуры основных частей испытуемого двигателя, в
частности, подшипниковых узлов, которую необходимо измерить с помощью пирометра. Испытание проводиться на холостом ходу, продолжительность зависит
от мощности машины и вида испытания. Например, для асинхронных тяговых
двигателей мощностью от 100 до 1000 кВ при приемосдаточных испытаниях продолжительность прокрутку – 60 минут [54].
Для выполнения прокрутки асинхронных тяговых двигателей (пункт 3 последовательности испытаний) необходимо следующее оборудование:
- преобразователи частоты;
- таймер;
- пирометр.
Данное испытание проводиться с использованием преобразователей частоты, каждый из которых осуществляет питание своего асинхронного тягового двигателя. Схема для проведения прокрутки асинхронных тяговых двигателей приведена на рисунке 5.3.
Алгоритм проведения испытания:
1) подключить преобразователи частоты к испытуемым асинхронным двигателям выполнив следующую последовательность действий:
- включить автоматический выключатель QF;
- включить контакторы КМ1, КМ2, КМ3, КМ4;
141
- выключить автоматический выключатель QF1, разъединитель QS.
2) задать номинальную частоту питающего напряжения с помощью преобразователей частоты;
3) подать питание на испытуемые двигатели от преобразователей частоты;
4) запустить таймер для отсчета времени испытания;
5) по истечении времени испытания, отключить питание стенда, выполнив
действия в следующей последовательности:
- выключить преобразователи частоты;
- разомкнуть контакторы КМ1 – КМ4;
- выключить автоматический выключатель QF.
U
А
В
С
QF
KM1
QF1
U1 V1 W1
BR1
KM2
U1 V1 W1
QS
+
+
BR1
ПЧ2
ПЧ1 BR2
BR2
-
-
U2 V2 W2
U2 V2 W2
к пробивной
установке
КМ4
КМ3
А В С
А В С
АМ1
АМ2
Рисунок 5.3 – Схема для проведения прокрутки асинхронных тяговых двигателей
в составе стенда взаимной нагрузки
По результатам испытания должна быть достигнута рабочая температура
основных частей испытуемой машины, которую необходимо измерить, например,
с помощью пирометра.
142
5.4 Испытание электрической прочности междувитковой изоляции
Испытание проводится на холостом ходу при номинальной частоте питающего напряжения, формируемого с помощью преобразователей частоты. Двигатели испытывают повышенным напряжением на 30 %, которое превышает номинальное напряжение. Испытание проводится в течение трех минут [46].
Повышение напряжения возможно как на входе преобразователя, так и на
выходе (со стороны питания двигателя). Однако экономически целесообразным
является первый вариант, т.к. для этого потребуется один трансформатор, тогда
как при использовании второго варианта – два, по одному на каждый испытуемый
двигатель при испытании методом взаимной нагрузки.
Кроме того установка трансформатора до преобразователей частоты требует
согласования с предельным значением входного напряжения этих преобразователей. Выпускаемые промышленностью преобразователи рассчитаны на широкий
диапазон входного напряжения и выполняются в следующих вариантах:
- преобразователи с входным напряжением 380 – 480 В;
- преобразователи с входным напряжением 500 – 690 В.
После повышения напряжения на входе преобразователя частоты, требуется
задать величину напряжения на выходе преобразователя частоты, повысив величину номинального напряжения двигателя на 30 %.
Схема для выполнения испытания электрической прочности междувитковой
изоляции показана на рисунке 5.4.
Алгоритм проведения испытания:
1) подключить преобразователи частоты к испытуемым асинхронным двигателям выполнив следующую последовательность действий:
- включить автоматический выключатель QF;
- включить контакторы КМ1, КМ2, КМ3, КМ4;
- выключить автоматический выключатель QF1, разъединитель QS.
143
2) задать номинальную частоту питающего напряжения с помощью преобразователей частоты;
3) задать с помощью преобразователей частоты напряжение на 30 % превышающее номинальное;
4) подать питание на испытуемые двигатели от преобразователей частоты;
5) запустить таймер для отсчета времени испытания;
6) по истечении трех минут после работы испытуемых двигателей на холостом ходу, отключить питание стенда, выполнив действия в следующей последовательности:
- выключить преобразователи частоты;
- разомкнуть контакторы КМ1 – КМ4;
- выключить автоматический выключатель QF.
ТV
А
В
U
С
QF
KM1
QF1
U1 V1 W1
BR1
ПЧ1
KM2
U1 V1 W1
QS
+
+
-
-
BR1
ПЧ2
BR2
BR2
U2 V2 W2
U2 V2 W2
к пробивной
установке
КМ4
КМ3
1
1
А В С
1
2
2
2
АМ1
А В С
АМ2
Комплект
электроизмерительных
приборов
Рисунок 5.4 – Схема для проведения испытания электрической прочности междувитковой изоляции и опыта холостого хода асинхронных тяговых двигателей в
составе стенда взаимной нагрузки
144
5.5 Определение тока и потерь холостого хода
Электрическая схема остается той же, как на рисунке 5.4. Однако при выполнении данного испытания требуется подключение комплекта электроизмерительных приборов (амперметры, вольтметры и ваттметры) электроэнергии как
средства измерения токов, напряжений и активной мощности испытуемой машины.
При приемосдаточных испытаниях выполняется только одно измерение при
номинальном подведенном напряжении и частоте питания [54].
Алгоритм проведения испытания:
1) подключить преобразователи частоты к испытуемым асинхронным двигателям выполнив следующую последовательность действий:
- включить автоматический выключатель QF;
- включить контакторы КМ1 – КМ4.
2) задать номинальную частоту питающего напряжения с помощью преобразователей частоты;
3) подать питание на испытуемые двигатели от преобразователей частоты;
4) поочередно подключить комплект электроизмерительных приборов (амперметры, вольтметры, ваттметры) к первому и второму испытуемому двигателю;
провести измерения потребляемой мощности, линейных токов и напряжений;
5) отключить питание стенда, выполнив действия в следующей последовательности:
- выключить преобразователи частоты;
- разомкнуть контакторы КМ1 – КМ4;
- выключить автоматический выключатель QF.
6) по измеренным значениям выполнить расчет коэффициента мощности
[54]:
cos 0 
P0 10 3
3  U0  I0
(5.5)
145
7) выделить сумму механических потерь и потерь в стали, для чего выделим
электрические потери [54]:
Pм10  1,5  I 2  R 1ло 10 3
(5.6)
R 1ло - сопротивление между двумя линейными выводами непосредственно
после опыта холостого хода;
Pст  P0  Pм10 .
(5.7)
5.6 Определение тока и потерь короткого замыкания
Испытание проводится при неподвижном состоянии валов испытуемых
двигателей. При этом устанавливается механическая связь валов и обеспечивается
их вращение в разных направлениях, что реализуется с помощью преобразователей частоты. При испытании требуется пониженное напряжение, которое определяется по таблице 2 [54], либо путем деления номинального напряжения двигателя на коэффициент 3,8 [54].
Для подачи пониженного напряжения можно использовать возможности
преобразователей частоты, изменив настройки номинальных параметров испытуемой машины. При этом исключается необходимость в применении понижающих
трансформаторов, а также устройств для реверсирования испытуемых двигателей.
При проведении опыта короткого замыкания должны быть выполнены измерения токов, напряжений и активной мощности при проведении опыта короткого замыкания. Схема испытаний приведена на рисунке 5.5.
Алгоритм проведения испытания:
1) подключить преобразователи частоты к испытуемым асинхронным двигателям выполнив следующую последовательность действий:
- включить автоматический выключатель QF;
- включить контакторы КМ1 – КМ4.
146
2) задать номинальную частоту питающего напряжения с помощью преобразователей частоты;
3) проверить направление вращения каждого из двигателей в отдельности:
включить поочередно преобразователи частоты, при этом добиться вращения валов испытуемых двигателей в разных направлениях;
4) задать частотным преобразователям напряжение на выходе пониженное
напряжение в соответствии с ГОСТ 7217-87 [54];
U
А
В
С
QF
KM1
QF1
U1 V1 W1
BR1
KM2
U1 V1 W1
QS
+
+
BR1
ПЧ2
ПЧ1 BR2
BR2
-
-
U2 V2 W2
U2 V2 W2
к пробивной
установке
КМ4
КМ3
1
1
А В С
1
2
2
А В С
2
АМ1
АМ2
Комплект
электроизмерительных
приборов
Рисунок 5.5 – Схема для проведения испытания электрической прочности определения тока и потерь короткого замыкания асинхронных тяговых двигателей в составе стенда взаимной нагрузки
147
5) подать питание на испытуемые двигатели от преобразователей частоты;
6) поочередно подключить комплект электроизмерительных приборов (амперметры, вольтметры, ваттметры) к первому и второму испытуемому двигателю;
провести измерения потребляемой мощности, линейных токов и напряжений;
7) отключить питание стенда, выполнив действия в следующей последовательности:
- выключить преобразователи частоты;
- разомкнуть контакторы КМ1 – КМ4;
- выключить автоматический выключатель QF.
8) по измеренным значениям выполнить расчет коэффициента мощности
[54]:
cos к 
Pк 103
3  Uк  Iк
(5.8)
9) рассчитать момент короткого замыкания по формуле [54]:
М к  9550  k мп 
где
Pэк
;
n0
k мп = 0,9 – коэффициент, учитывающий добавочные потери;
Pэк  Pк  Pм1к  Р 0
где
(5.9)
(5.10)
Pк – измерено анализатором качества электроэнергии;
Рст – рассчитано по формуле (5.7) [54];
Pм1к  1,5  I к  R 1лк 10 3
2
где
(5.11)
R 1лк – сопротивление между линейными выводами, снятое после проведе-
ния опыта короткого замыкания;
5.6 Испытание на нагревание
Испытание на нагревание является наиболее энергозатратным методом испытаний, т.к. испытуемый двигатель работает в течение 1 часа под номинальной
148
нагрузкой [46]. Испытание проводиться при механической связи испытуемых
двигателей, обеспечивающей равенство частот вращения их валов. Звенья постоянного тока преобразователей частоты связаны между собой электрически для
осуществления передачи, вырабатываемой генератором, электрической энергии
машине, работающей в режиме двигателя.
Для проведения испытания на нагревание асинхронных тяговых двигателей
(пункт 9 последовательности испытаний) необходимо следующее оборудование:
- преобразователи частоты;
- комплект измерительных приборов (амперметры, вольтметры, ваттметры);
- тахометр;
- таймер;
- микроомметр.
Схема для проведения испытания на нагревание показана на рисунке 5.6.
U
А
В
С
QF
KM1
QF1
U1 V1 W1
BR1
KM2
U1 V1 W1
QS
+
+
BR1
ПЧ2
ПЧ1 BR2
BR2
-
-
U2 V2 W2
U2 V2 W2
к пробивной
установке
КМ4
КМ3
1
1
А В С
1
2
2
А В С
2
АМ1
АМ2
тахометр
Комплект
электроизмерительных
приборов
Рисунок 5.6 – Схема для проведения испытания на нагревание асинхронных тяговых двигателей при их взаимной нагрузке
149
Алгоритм проведения испытания:
1) подключить преобразователи частоты к испытуемым асинхронным двигателям выполнив следующую последовательность действий:
- включить автоматический выключатель QF;
- включить контакторы КМ1, КМ2;
- включить разъединитель QS.
2) перед проведением испытания необходимо убедиться в одинаковом
направлении вращения валов испытуемых двигателей: осуществить запуск каждого из двигателей в отдельности от своего преобразователя частоты, определив
направление вращения. В случае совпадения направления вращения – продолжить
подготовку к испытанию двигателей, в противном случае – изменить направление
вращения одного из двигателей на противоположное с помощью преобразователя
частоты, питающего этот двигатель;
3) на преобразователе частоты, питающего двигатель, установить номинальную частоту испытуемого двигателя; на преобразователе частоты, питающего
нагрузочную машину (асинхронный генератор), установить частоту, при которой
величина потребляемой мощности испытуемого двигателя достигнет номинального значения;
4) подать питание на испытуемые двигатели от преобразователей частоты;
5) запустить таймер отсчета времени испытаний;
6) по окончании испытания каждого из двигателей выполнить измерение
сопротивления обмотки статора как в пункте 2);
7) произвести расчет превышения температуры обмотки статора над температурой окружающей среды по формуле (5.12) [46]:
 
Rг  Rх 1
 (   x )   x  0
Rх

R г – сопротивление обмотки в нагретом состоянии;
R х – сопротивление обмотки в практически холодном состоянии;
 x – температура обмотки в практически холодном состоянии;
 0 – температура охлаждающей среды;
(5.12)
150
1
= 235 – для медных обмоток.

5.7 Испытание при повышенной частоте вращения
Согласно ГОСТ 11828-86 [46] испытание может быть проведено путем разгона испытуемого двигателя от другой машины, либо в составе многомашинного
агрегата. С помощью преобразователей частоты задаются частоты питающего
напряжения при которой достигаются требуемые значения частот вращения испытуемых машин.
Для проведения испытания при повышенной частоте вращения асинхронных тяговых двигателей (пункт 10 последовательности испытаний) необходимо
следующее оборудование:
- преобразователи частоты;
- тахометр;
- таймер;
Схема для проведения испытания при повышенной частоте вращения приведена на рисунке 5.6, при данном испытании нет необходимости в использования комплекта электроизмерительных приборов (амперметры, вольтметры, ваттметры).
Алгоритм проведения испытания:
1) подключить преобразователи частоты к испытуемым асинхронным двигателям выполнив следующую последовательность действий:
- включить автоматический выключатель QF;
- включить контакторы КМ1 – КМ4;
2) установить частоту питающего напряжения на обоих двигателях при которой частота вращения валов будет равна максимальному значению (указывается
в руководстве по эксплуатации на двигатель или на табличке, закрепленной на
двигателе) [48];
151
3) подать питание на испытуемые двигатели от преобразователей частоты;
4) запустить таймер отсчета времени испытаний;
6) по окончании испытания, произвести действия в следующей последовательности:
- снизить частоту питающего напряжения до нуля;
- отключить контакторы КМ1 – КМ4;
- отключить автоматический выключатель QF.
5.8 Испытание электрической прочности изоляции обмоток
относительно корпуса
Испытание проводится с использованием однофазного повышающего
трансформатора, первичная обмотка которого должна быть подключена на линейное напряжение сети, вторичная – к испытуемой обмотке асинхронного тягового двигателя [46]. Двигатели могут быть установлены на постаменте взаимной
нагрузки. Предварительно нужно произвести демонтаж механического соединения валов испытуемых двигателей. Преобразователи частоты должны быть электрически изолированы от электродвигателей и сети.
Для проведения испытания необходимо следующее оборудование:
- пробивная установка (повышающий трансформатор с комплектом электроизмерительных приборов: амперметр и вольтметр (на низкой стороне трансформатора); вольтметр (на высокой стороне трансформатора));
- таймер.
Электрическая схема для проведения испытания электрической прочности
изоляции обмоток асинхронных тяговых двигателей показана на рисунке 5.7.
Алгоритм проведения испытания:
1) отключить преобразователи частоты от сети и от испытуемых двигателей,
выполнив следующие действия;
- выключить контакторы КМ1 – КМ4;
152
- выключить разъединитель QS.
2) подключить пробивную установку одному из двигателей;
3) включить автоматические выключатели QF, QF1;
4) плавно повысить напряжение до половины от величины испытательного
напряжения, выдержать в течение 5 секунд и далее повысить до полного испытательного напряжения;
4) запустить таймер отсчета времени испытаний;
5) выдержать испытательное напряжение в течение 1 минуты;
5) снизить напряжение до половины от величины испытательного напряжения, выдержать 5 секунд, после этого плавно снизить напряжение до нуля;
6) после испытания соединить все токоведущие части с заземлителем, чтобы исключить влияние остаточного напряжения.
Последовательность действий, описанную в пунктах 2 – 6 выполнить для
каждого из испытуемых двигателей.
U
А
В
С
QF
KM1
QF1
U1 V1 W1
BR1
KM2
U1 V1 W1
QS
+
+
-
-
BR1
ПЧ2
ПЧ1 BR2
BR2
U2 V2 W2
U2 V2 W2
РА
РV1
КМ3
А
В С
КМ4
А
АМ1
В
С
АМ2
РV2
Рисунок 5.7 – Схема для проведения испытания электрической прочности изоляции обмоток асинхронных тяговых двигателей
в составе стенда взаимной нагрузки
153
В результате проведенного испытания, изоляция должна выдержать испытание на электрическую прочность; возрастание потребляемого из сети тока, а
также резкое снижение напряжение – возможное повреждение изоляции обмотки.
Блок-схема алгоритма проведения испытаний асинхронных тяговых двигателей методом их взаимной нагрузки приведена на рисунке 5.8.
154
Начало
Установить датчики температуры.
Подключить мегаомметр.
Измерение
сопротивления изоляции
Опыт
холостого хода
проведен?
да
Опыт
короткого
замыкания
проведен?
да
Испытание
на нагревание
выполнено?
да
Испытание
при
повышенной
частоте вращения
выполнено ?
да
Испытание
на электрическую
прочность
выполнено?
нет
Подать питание на преобразователи
частоты. К звену постоянного тока
подключить нагрузочное сопротивление, вольтметр, амперметр.
Измерение
сопротивления обмоток
постоянному току
Подключить преобразователи частоты
к испытуемым двигателям .
нет
Установить механическую связь
валов испытуемых двигателей.
Обеспечить разное направление
вращения валов двигателей.
Опыт короткого
замыкания
нет
Обеспечить согласное
направление вращения
валов испытуемых
двигателей
Испытание на
нагревание
нет
Отключить анализатор качества
электроэнергии. Демонтировать
механическую связь
испытуемых двигателей
Испытание при
повышенной частоте
вращения
нет
Подготовить к работе
пробивную установку
Испытание
электрической
прочности изоляции
Подготовить к работе
вибростенд .
Прокрутка
Подключить повышающий трансформатор
к преобразователям частоты
Вибродиагностика
Испытание междувитковой
изоляции на электрическую
прочность
Протокол
испытаний
Подключить анализатор
качества электроэнергии
Опыт холостого хода
Конец
Рисунок 5.8 – Блок-схема алгоритма проведения испытаний асинхронных тяговых двигателей
методом их взаимной нагрузки
155
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5
1. Обоснован алгоритм проведения приемосдаточных испытаний асинхронных тяговых двигателей с учетом рекомендаций ГОСТ 11828-86, ГОСТ 7217-87 и
особенностей схем взаимной нагрузки.
2. Предложена схема для определения сопротивления обмоток при испытании асинхронных тяговых двигателей в составе стенда взаимной нагрузки, без использования дополнительных источников постоянного тока.
3. Предложено проводить опыт короткого замыкания при испытании асинхронных тяговых двигателей в составе стенда взаимной нагрузки за счет функциональных возможностей преобразователей частоты: без использования дополнительных тормозных устройств и понижающих трансформаторов.
4. Предложено в составе стенда взаимной нагрузки проводить испытание
при повышенной частоте вращения одновременно двух асинхронных тяговых
двигателей с помощью функциональных возможностей преобразователей частоты.
156
6 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
ВЫБОРА СХЕМЫ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ
АСИНХРОННЫХ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛОКОМОТИВОВ
С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА ВЗАИМНОЙ НАГРУЗКИ
При оценке коммерческой эффективности новой техники и технологии (далее НТТ) необходимо соблюдение следующих положений [38, 92]:
- эффективность рассчитывается путем сопоставления денежных потоков;
- если сравниваются два и более вариантов – расчеты должны быть сопоставимы по методам исчисления натуральных и стоимостных показателей, по применяемой нормативной информации, по условиям расчета показателей эффективности [92].
В качестве показателей для расчетов эффективности рекомендуются:
- чистый доход;
- чистый дисконтированный доход;
- внутренняя норма доходности;
- срок окупаемости;
- годовой экономический эффект.
В данной работе будем использовать следующие показатели: чистый дисконтированный доход, годовой экономический эффект, срок окупаемости [92].
Технико-экономическое обоснование выбора схемы для испытаний асинхронных тяговых двигателей с применением метода взаимной нагрузки, на примере асинхронных тяговых двигателей НТА-1200, проведено в следующей последовательности:
- расчет затрат на выполнение научно-исследовательских и опытноконструкторских работ (далее НИОКР);
- расчет фонда оплаты труда (ФОТ);
- расчет отчислений на социальные нужды;
- расчет затрат на материалы и комплектующие;
157
- расчет затрат на энергетические ресурсы;
- расчет экономической эффективности;
- расчет срока окупаемости;
- выводы.
При этом выбор осуществляется между тремя альтернативными вариантами, рассмотренными в главе 4: схема с двумя преобразователями частоты (рисунок 4.1), схема с одним преобразователем частоты с функцией рекуперации (рисунок 4.2), схема с нестандартным преобразователем частоты (рисунок 4.3).
6.1 Расчет затрат на выполнение НИОКР
Для определения затрат на основную заработную плату рассчитывается
трудоемкость всех видов работ: исследовательских, проектных, конструкторских,
связанных с изготовлением и наладкой устройства. В зависимости от масштабов
работ трудоемкость измеряется в человеко-месяцах, человеко-днях, человекочасах (норма-час).
Расчет затрат на выполнение НИОКР по разработке схем испытаний проводился в ОмГУПС, следовательно для расчета фонда оплаты труда на выполнение
работ принимается внутреннее положение об оплате труда.
Расчет трудоемкости производится отдельно для каждого вида работ и по
исполнителям с учетом условий производства. В разработке установки участвовали: руководитель работ, старший научный сотрудник (СНС), младший научный
сотрудник (МНС), инженер.
В таблице 6.1 приведен расчет трудоемкости на выполнение НИОКР для
разработки схем испытаний, приведенных на рисунках 4.4, 4.4, 4.6.
Из данной таблицы можно отметить, что работы под номерами 2, 3, 4 являются общими для разработки трех схем.
158
Таблица 6.1 – Расчет трудоемкости на выполнение НИОКР для предлагаемых
схем испытаний
Категория работников
Общая трудоемкость, человеко-дни
Руководитель
работ,
человеко-дни
СНС,
человекодни
МНС,
человеко-дни
Инженер
человекодни
5
5
5
5
20
2. Подбор и изучение
технической и нормативной документации
10
10
10
30
3. Патентный поиск
5
5
5
15
Наименование работ
1. Постановка задачи
и планирование выполнения работ
4. Анализ наработанной информации
5
5
5. Определение
структурной схемы
изделия и принципа
ее действия
2
5
10
10
27
6. Разработка математической модели
процесса испытаний
5
20
20
20
65
7. Разработка физической модели
1
2
20
20
43
8. Определение необходимого оборудования и его подбор
2
5
10
10
27
9. Техникоэкономическое обоснование выбора схемы
2
5
5
5
17
10. Разработка монтажной схемы стенда,
выполнение конструкторских работ
5
20
20
20
65
5
30
30
30
95
32
112
135
135
414
11. Разработка программы на ПЭВМ для
управления процессом испытаний
Итого
10
159
Расчет затрат на изготовление физической модели для схемы (рисунок 4.5)
и схемы (рисунок 4.4) приведен в таблицах 6.2 и 6.3 соответственно.
Таблица 6.2 – Расчет затрат на изготовление физической модели схемы с двумя
преобразователями частоты
Наименование комплектующих
Единицы измерения
Необходимое
количество
Цена,
р.
Стоимость,
р.
Стенд (сварная конструкция) с покраской
шт
1
10000
10000
Преобразователь частоты
шт
2
16000
32000
Контакторы
Автоматический выключатель
Устройство защитного отключения
Тепловое реле
шт
4
250
1000
шт
1
120
120
шт
1
800
800
шт
2
320
640
Кабельная продукция
м
210
19,5
4095
Ваттметр
шт
3
14990
44970
Амперметр
шт
1
6490
6490
Вольтметр
шт
1
6490
6490
Программное обеспечение
шт
1
5000
5000
шт
1
750
750
шт
4
150
600
шт
4
40
160
шт
шт
4
1
5
150
Итого
20
150
113285
Панель для крепления приборов
Органы управления (кнопки)
Органы индикации (лампочки)
Предохранители
Шунт амперметра
Таблица 6.3 – Расчет затрат на изготовление физической модели схемы с одним
преобразователем частоты с функцией рекуперации
Наименование комплектующего
Единицы измерения
Необходимое
количество
Цена,
р.
Стоимость,
р.
Стенд (сварная конструкция) с покраской
шт
1
10000
10000
160
Продолжение таблицы 6.3
Наименование комплектующего
Единицы измерения
Необходимое
количество
Цена,
р.
Стоимость,
р.
Преобразователь частоты
шт
1
22400
22400
Контакторы
Автоматический выключатель
Устройство защитного отключения
Тепловое реле
шт
4
250
1000
шт
1
120
120
шт
1
800
800
шт
2
320
640
Кабельная продукция
м
170
19,5
3315
Ваттметр
шт
3
14990
44970
Программное обеспечение
шт
1
5000
5000
шт
1
750
750
шт
3
150
450
шт
3
40
120
шт
1
150
150
Итого
89715
Панель для крепления
приборов
Органы управления (кнопки)
Органы индикации (лампочки)
Шунт амперметра
В целях экономии времени и средств на разработку и проектирование физической модели с нестандартным преобразователем частоты, можно осуществить
закупку двух стандартных однотипных преобразователей частоты, как это реализовано в физической модели с двумя преобразователями частоты. При этом переход к схеме с нестандартным преобразователем частоты может быть выполнен
питанием схемы через неуправляемый выпрямитель одного из преобразователей
частоты, как это показано в главе 4. Тогда затраты на закупку нестандартного
преобразователя частоты можно принять равными закупке двух стандартных однотипных преобразователей частоты. Расчет затрат на изготовление физической
модели схемы с нестандартным преобразователем частоты представлен в таблице
6.4.
161
Таблица 6.4 – Расчет затрат на изготовление физической модели схемы с нестандартным преобразователем частоты
Наименование комплектующих
Единицы измерения
Необходимое
количество
Цена,
р.
Стоимость,
р.
Стенд (сварная конструкция) с покраской
шт
1
10000
10000
Преобразователь частоты
шт
2
16000
32000
Контакторы
Автоматический выключатель
Устройство защитного отключения
Тепловое реле
шт
4
250
1000
шт
1
120
120
шт
1
800
800
шт
2
320
640
Кабельная продукция
м
210
19,5
4095
Ваттметр
шт
2
14990
29980
Амперметр
шт
2
6490
12980
Вольтметр
шт
1
6490
6490
Программное обеспечение
шт
1
5000
5000
шт
1
750
750
шт
4
150
600
шт
4
40
160
шт
шт
4
2
5
150
Итого
20
300
104935
Панель для крепления приборов
Органы управления (кнопки)
Органы индикации (лампочки)
Предохранители
Шунт амперметра
Основная заработная плата на исследовательские работы зависит от величин
должностных окладов, премий и доплат из фонда заработной платы. Переведем трудоемкость в единицы измерения человеко-месяцы, с учетом того, что рабочих дней в
месяце – 20. Премия составит 10 % от должностного оклада, определим по формуле:
П  0,1  ДО,
П – премия, руб; ДО – должностной оклад, руб.
(6.1)
162
Таблица 6.5 – Расчет основного фонда заработной платы на выполнение НИОКР по предлагаемым схемам испытаний
Трудоемкость
Категория работников
Премии и выплаты
Должностной
человекодни
человеко -
оклад, р.
мес
Премии,
р.
Доплаты по
Месячный фонд зара-
районному ко-
ботной платы,
эффициенту.,
р.
Фонд заработной платы на
весь объем
НИОКР, р.
р.
Руководитель работ
32
1,6
22500
4500
4050
31050
49680,0
112
5,6
17589
3517,8
3166,02
24272,82
135927,8
135
6,8
13256
2651,2
2386,08
18293,28
123479,6
Инженер
135
6,8
13256
2651,2
2386,08
18293,28
123479,6
Итого
414
20,7
–
–
–
–
432567,1
Старший научный
сотрудник
Младший научный
сотрудник
163
Доплаты по районному коэффициенту составляют 15% от суммы должностного оклада и премии, определяются по формуле:
Д РК  0,15  (ДО  П),
(6.2)
Месячный фонд заработной платы определяется как сумма должностного
оклада, доплат и премий, определим его по формуле:
ФЗП  ДО  П  Д РК ,
(6.3)
Фонд заработной платы на весь объем работ (ФЗПо) определяется как произведение месячного фонда заработной платы на трудоемкость, определим по
формуле:
ФЗП o  ФЗП  Т Р ,
где
(6.4)
Тр – трудоемкость, чел-мес.
Дополнительная заработная плата составляет 10% от фонда заработной пла-
ты на весь объем работ и определяется по формуле:
ФЗП Д  0,1  ФЗП О ,
(6.5)
Отчисления на социальные нужды составляют 30,2 % (в том числе пенсионный фонд – 22 % (от фактически начисленного фонда оплаты труда), фонд социального страхования – 2,9 %, фонд обязательного медицинского страхования – 5,1
%; фонд профессиональной заболеваемости и несчастных случаев – 0,2 % от суммы фонда заработной платы на весь объем работ и дополнительной заработной
платы.
C CН  0,302  (ФЗП О  ФЗП Д ),
(6.6)
В перечень затрат на НИОКР также включим расходы на электроэнергию:
использование компьютерной техники. Расходы на электроэнергию рассчитаем
по следующей формуле:
Cэ.э.  k c  I  U  Fд  Ц
где
(6.7)
kc – коэффициент спроса, учитывающий недогруз или неодновременность
работы, примем равным 0,85;
I – потребляемый ток компьютера, примем равным 1,5 А;
U – напряжение сети, 220 В;
164
Fд – фонд рабочего времени, ч;
Ц – цена 1 кВт·ч электроэнергии, по данным [94, 117] равна 2,97.
Накладные расходы составляют 15 % прямых затрат и определяется по
формуле:
C НАЧИС  0,15  (ФЗП О  ФЗП П  С СН  Cэ.э.),
(6.8)
Общие затраты на разработку установки определяются как сумма основной
и дополнительной заработной платы, отчислений на социальные нужды и накладных расходов.
C ОБЩ  ФЗП О  ФЗП Д  С СН  С НАЧИС ,
(6.9)
Результаты расчетов по формулам 1 – 9 приведены в таблице 6.6.
Таблица 6.6 – Результаты расчета затрат на разработку и проектирование схем испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки
Статьи затрат
Сумма, р.
Материалы (изготовление физической модели)
113285 / 89715 / 104935*
Фонд основной ЗП
432567,1
Фонд дополнительной ЗП
43256,7
Отчисления на социальные нужды
143698,8
Затраты на электроэнергию
9738,3
Накладные расходы
94389,1
Итого расходов
836935 / 813365 / 828585*
Примечание к таблице – через косую черту указаны затраты, относящиеся к
разработке соответственно схем испытаний асинхронных двигателей с двумя преобразователями частоты, с одним преобразователем частоты с функцией рекуперации, с одним нестандартным преобразователем частоты.
165
6.2 Расчет затрат на материалы и комплектующие изделий
для создания схемы испытаний асинхронных тяговых двигателей
Стоимость материала определяется как произведение потребного количества материала на его цену:
Cm  П К  Ц М ,
где
(6.9)
П К - потребное количество, ед. измер.;
Ц М - Цена материала, руб.
Стоимость материалов и комплектующих изделий приведены в таблицах
6.7 – 6.9.
Таблица 6.7 – Стоимость материалов и комплектующих изделий для создания
схемы испытаний асинхронных двигателей с двумя преобразователями частоты
Наименование ма-
Единицы измере-
Необходимое
Цена,
Стоимость,
ния
количество
р.
р.
шт
1
100000
100000
шт
2
4680000
9360000
шт
4
7600
30400
шт
1
8400
8400
м
750
300
225000
шт
1
180000
180000
Ваттметр
шт
3
14990
44970
Амперметр
шт
1
6490
6490
Вольтметр
шт
1
6490
6490
териалов и комплектующих
Стенд (сварная конструкция) с покраской
Преобразователь
частоты
Контакторы
Автоматический
выключатель
Кабель
Программное обеспечение с ПЭВМ
166
Окончание таблицы 6.7
Наименование материалов и комплек-
Единицы измере-
Необходимое
Цена,
Стоимость,
ния
количество
р.
р.
шт
1
5000
5000
шт
4
150
600
шт
4
40
160
шт
1
1200
1200
шт
1
500
500
Итого
9969210
тующих
Программное обеспечение
Органы управления
(кнопки)
Органы индикации
(лампочки)
Шунт амперметра
Трансформатор
напряжения
Таблица 6.8 – Стоимость материалов и комплектующих изделий для создания
схемы испытаний асинхронных двигателей с одним преобразователем частоты с
функцией рекуперации
Наименование материалов и комплектующих
Единицы измере-
Необходимое
Цена,
Стоимость,
ния
количество
р.
р.
шт
1
100000
100000
шт
1
6552000
6552000
шт
4
7600
30400
шт
1
8400
8400
м
700
300
210000
шт
1
180000
180000
шт
3
14990
44970
Стенд (сварная конструкция) с покраской
Преобразователь
частоты
Контакторы
Автоматический
выключатель
Кабель
Программное обеспечение с ПЭВМ
Ваттметр
167
Окончание таблицы 6.8
Наименование материалов и комплектующих
Программное обеспечение
Органы управления
(кнопки)
Органы индикации
(лампочки)
Шунт амперметра
Трансформатор
напряжения
Единицы измере-
Необходимое
Цена,
Стоимость,
ния
количество
р.
р.
шт
1
5000
5000
шт
4
150
600
шт
4
40
160
шт
1
1200
1200
шт
1
500
500
Итого
7146210
Затраты на материалы и комплектующие, необходимые для создания схемы
испытаний асинхронных тяговых двигателей с нестандартным преобразователем
частоты определим приближенно в следующей последовательности:
1) определим стоимость одного диода, входящего в состав неуправляемого
выпрямителя, для схемы с двумя преобразователями частоты:
- средняя стоимость диода в составе неуправляемого выпрямителя, рассчитанного для работы на тяговый двигатель НТА-1200 составляет 3656 р.
2) определим стоимость одного силового IGBT модуля для схемы с двумя
преобразователями частоты:
- средняя стоимость IGBT модуля в составе управляемого выпрямительинвертора, рассчитанного для работы на тяговый двигатель НТА-1200 составляет
25000 р.
3) зная стоимость одного преобразователя частоты (таблица 6.7) и соотношение цен на диоды, входящие в состав силового неуправляемого выпрямителя, и
силовые IGBT модули, входящие в состав управляемого выпрямитель-инвертора,
можно определить в целом стоимость неуправляемого выпрямителя и управляемого выпрямитель-инвертора:
168
- стоимость неуправляемого выпрямителя составляет одиннадцатую часть
от общей стоимости преобразователя частоты (таблица 6.7) – 425454 р.;
- стоимость управляемого выпрямитель-инвертора составляет – 4254545 р.
4) используя данные эксперимента (таблица 3.3), при котором питание схемы, осуществлялось через выпрямитель одного из стандартных преобразователей
частоты (рисунок 4.12), определим коэффициент, учитывающий увеличение
нагрузки на выпрямитель по сравнению со схемой, показанной на рисунке 4.11:
- максимальный ток, потребляемый неуправляемым выпрямителем при проведении эксперимента по схеме, представленной на рисунке 4.12, составил 2,8 А;
- максимальный ток, потребляемый неуправляемым выпрямителем при проведении эксперимента по схеме, представленной на рисунке 4.11, составил 1,35 А
(при том же режиме нагрузки асинхронных двигателей);
- коэффициент, учитывающий увеличение нагрузки на неуправляемый выпрямитель, составляет:
1пч
k нерав. загр
где
1пч
I выпр
выпр

Iвыпр
Iвыпр
2 пч

2,8
 2,15
1,35
(6.10)
– ток, потребляемый неуправляемым выпрямителем при питании схе-
мы от одного преобразователя частоты;
I выпр
2 пч
– ток,
потребляемый неуправляемым выпрямителем при питании схе-
мы от двух преобразователей частоты.
5) определим токовую нагрузку на диоды неуправляемого выпрямителя
схемы с нестандартным преобразователем частоты как произведение коэффициента, учитывающего увеличение нагрузки на выпрямитель, и токовой нагрузки
диода, входящего в состав неуправляемого выпрямителя стандартного преобразователя частоты схемы, показанной на рисунке 4.6:
- токовая нагрузка диода, входящего в состав неуправляемого выпрямителя
стандартного преобразователя частоты схемы составляет 684 А;
- токовая нагрузка диода, входящего в состав неуправляемого выпрямителя
схемы с нестандартным преобразователем частоты составляет 684 х 2,15 = 1470 А;
169
6) определим отношение стоимости силовых диодов нестандартного и стандартного преобразователей частоты как коэффициент, учитывающий увеличение
стоимости неуправляемого выпрямителя:
нестан.пч
диод
k стоим
где
нестан.пч
С диод

Сдиод
4900

 1,34
стан .пч
3656
Сдиод
(6.11)
– стоимость диода в составе нестандартного преобразователя ча-
стоты;
стан.пч
С диод
– стоимость диода в составе стандартного преобразователя часто-
ты.
7) определим стоимость неуправляемого выпрямителя, входящего в состав
нестандартного преобразователя частоты, как произведение коэффициента, учитывающего увеличение стоимости неуправляемого выпрямителя, на стоимость
неуправляемого выпрямителя стандартного преобразователя частоты, определенного в пункте 3:
- стоимость неуправляемого выпрямителя составит 570220 р.
8) определим стоимость нестандартного преобразователя частоты как сумму
затрат, определенных в пунктах 3 и 7:
-
стоимость
двух
управляемых
выпрямитель-инверторов
составит
8509090 р.;
- общая стоимость нестандартного преобразователя частоты составит
9079310 р.
Таблица 6.9 – Стоимость материалов и комплектующих изделий для создания
схемы испытаний асинхронных двигателей с одним нестандартным преобразователем частоты
Наименование материалов и комплектующих
Единицы измере-
Необходимое
Цена,
Стоимость,
ния
количество
р.
р.
шт
1
100000
100000
Стенд (сварная конструкция) с покраской
170
Продолжение таблицы 6.9
Наименование материалов и комплектующих
Преобразователь
частоты
Контакторы
Автоматический
выключатель
Кабель
Программное обеспечение с ПЭВМ
Ваттметр
Программное обеспечение
Органы управления
(кнопки)
Органы индикации
(лампочки)
Шунт амперметра
Трансформатор
напряжения
Единицы измере-
Необходимое
Цена,
Стоимость,
ния
количество
р.
р.
шт
1
9079310
9079310
шт
3
7600
30400
шт
1
8400
8400
м
700
300
210000
шт
1
180000
180000
шт
3
14990
44970
шт
1
5000
5000
шт
4
150
600
шт
4
40
160
шт
1
1200
1200
шт
1
500
500
Итого
9660540
Транспортно-заготовительные расходы составляют 10% от себестоимости
материалов и определяются по формуле:
Р Т  0,1  С m ,
(6.12)
- для схемы испытаний с двумя преобразователями частоты:
Р Т  0,1 9969210  996921 р.
- для схемы испытаний с одним преобразователем частоты с функцией рекуперации:
Р Т  0,1 7146210  714621 р.
171
- для схемы испытаний с одним преобразователем частоты с функцией рекуперации:
РТ  0,1 9660540  966054 р.
Общие затраты на материалы определяются по формуле:
З МАТ  Р Т   С m ,
(6.13)
- для схемы испытаний с двумя преобразователями частоты:
З МАТ  996921  9969210  10966131 р.
- для схемы испытаний с одним преобразователем частоты с функцией рекуперации:
З МАТ  714621  7146210  7860831 р.
6.3 Расчет амортизационных отчислений
Для расчета амортизационных отчислений необходимо знать перечень оборудования, которое используется при реализации схемы испытаний асинхронных
двигателей.
Приведенный расчет выполнен с учетом опыта одного из омских производителей по изготовлению испытательных станций для двигателей постоянного
тока. Была собрана информация по технологии изготовления механической части
испытательных станций: стапелей для закрепления испытуемых двигателей, механической связи испытуемых двигателей, пультов управления для расположения
органов управления и контрольно-измерительных приборов. Поскольку технологический процесс изготовления и монтажа механической части для двигателей
постоянного и переменного тока не отличается, то и оборудование, которое используется при изготовлении, также используется аналогичное.
При изготовлении стенда должны производится следующие операции:
- заготовительная;
- токарная обработка;
172
- фрезерная обработка;
- слесарные работы.
Перечень оборудования, которое может применяться при выполнении вышеуказанных операций приведен в таблице 5.10.
Вышеприведенное оборудование используется в единственном экземпляре.
Цены на оптовые цены на оборудование приведены в таблице 5.11, в этой же таблице приведен расчет амортизационных отчислений.
Норма амортизации определяется по формуле:
На 
где
Т ПИ
,
100
(6.14)
ТПИ – срок полезного использования.
Таблица 6.10 – Перечень оборудования, использованного при изготовлении стенда
Заготовительная
Токарная обра-
Фрезерная обработка
ботка
Полуавтоматический лен-
Токарно-
Вертикально-фрезерный ста-
точно-
винторезный
нок 6Р-81
пильный станок Р1012А
станок 1К-62
Портативные установки газовой
––
––
резки серии CNC1
Расчет амортизационных отчислений представим в виде таблицы 6.11. Сроки полезного использования были определены по [].
Сумма затрат, рассчитанная в таблице 6.11 соответствует годовым отчислениям. Учитывая, что процесс изготовления такого оборудования обычно составляет три месяца, то полученный результат нужно привести к этому сроку. При
этом перенос стоимости используемого оборудования на себестоимость продукции выполнен упрощенно: в предположении, что оборудование применяется
173
только для изготовления подобных схем испытаний асинхронных тяговых двигателей.
Таблица 6.11 – Результаты расчета амортизационных отчислений
Оборудование
Полуавтоматический ленточнопильный станок Р1012А
Портативные установки газовой
резки серии CNC1
Токарно-винторезный
станок 1К-62
Вертикально-фрезерный
станок 6Р-81
Амортизационная
группа
срок
полезного
использования,
лет
Первоначальная
стоимость основных
средств, р.
3
5
180000
9000
5
10
150000
15000
5
10
95000
9500
5
10
70000
7000
Итого
40500
Сумма,
р.
6.4 Расчеты по оплате труда основных работников
для изготовления схемы испытаний
Как и в п. 6.3, используется опыт одного из омских производителей при изготовлении испытательных станций. При этом в изготовлении подобных испытательных станций могут участвовать следующие категории рабочих:
- газоэлектросварщик ………………………………………….........24000 руб;
- слесарь механосборочных работ………………………………....19000 руб;
- фрезеровщик……………………………………………………….25000 руб;
- токарь…………………………………………………………….....25000 руб;
- инженер-технолог………………………………………………....18000 руб;
- конструктор……………………………………………………..….18000 руб;
- инженер-электрик…………………………………………….……16000 руб;
- инженер-электронщик…………………………………………..…..16000 руб.
174
Результаты расчета фонда заработной платы приведены в таблице 6.12.
Накладные расходы принимаем равными 115 % от фонда заработной платы и отчислений на социальные нужды.
Таблица 6.12 – Расчет заработной платы работников
Категория работников
Заработная Количество
плата, р.
Газоэлектросварщик
работников
Месячный
Отчисле-
фонд зара-
ния на со-
Накладные
ботной пла-
циальные
расходы
ты, р.
нужды, р.
24000
2
48000
14496
71870
19000
2
38000
11476
56897
Фрезеровщик
25000
1
25000
7550
37433
Токарь
25000
1
25000
7550
37433
Инженер-технолог
18000
1
18000
5436
26951
Конструктор
18000
1
18000
5436
26951
Инженер-электрик
20000
1
20000
6040
29946
21000
1
21000
6342
31443
Итого
10
213000
64326
318924,9
Слесарь механосборочных работ
Инженерэлектронщик
Приведенные затраты отнесены к месяцу. Суммарные затраты на оплату
труда приведем к сроку три месяца, результаты представим в итоговой таблице по
расчету себестоимости изготовления схемы испытаний.
6.5 Расчет затрат на энергетические ресурсы
В таблице 6.13 приведен перечень оборудования, которое потребляет электроэнергию в процессе изготовления схемы испытаний.
Потребность в силовой электроэнергии рассчитывается по мощности применяемой силовой установки, времени работы и степени загрузки, кВтч:
175
Э с  П у Р у Т у m см К з К ис ,
где
(6.15)
П у – количество оборудования данного вида;
Р у – установленная мощность данного оборудования, кВт;
Т у – фонд работы оборудования в одну смену, ч;
Т у = Тк tсм,
(6.16)
tсм – количество часов работы в смену, ч;
m см – количество смен работы оборудования;
К з – коэффициент загрузки оборудования данного вида по мощности;
К ис – коэффициент использования оборудования по времени, принимается
в зависимости от времени технологической операции на данном рабочем месте.
Затраты на силовую электрическую энергию рассчитываются по формуле, р:
Сэ.с  τэ  Эс ,
где
(6.17)
τэ – установленный тариф на электрическую энергию, (3,81) р./кВтч;
 Эс
– потребление электрической энергии.
Сэ.с  3,81·942,4=3090,4 р.
Расход электрической энергии на освещение производственных помещений
определяется по формуле, кВтч:
Эо  вS уТ о К с ,
где
(6.18)
в – средняя норма использования осветительной нагрузки на освещение 1
м2 площади помещения, кВт/м2, в = 0,011;
176
Таблица 6.13 – Расчет потребляемой электроэнергии
Время на
Наименование установ-
Количество,
Мощность,
ки
шт
кВт
1
3
96
1
1,5
1
Листогибочный станок
ВР-2248N
выполнение
Коэффициенты
Расход электро-
использо-
энергии,
вания
кВт·ч
0,8
0,7
161,3
96
0,9
0,7
90,7
0,2
96
0,7
0,7
9,4
1
12
96
0,6
0,7
483,9
1
5,5
64
0,8
0,7
197,1
Итого
942,4
операции, ч
загрузки
Полуавтоматический
ленточнопильный станок Р1012А
Портативные установки
газовой
резки серии CNC1
Токарно-винторезный
станок 1К-62
Вертикально-фрезерный
станок 6Р-81
177
S у – общая площадь участка для изготовления схемы испытаний, м2 (уста-
новленная площадь, т.е. с учетом строительного шага), 12 x 12 = 144 м2;
Т о – количество часов использования осветительной нагрузки ;
Кс
– коэффициент спроса, принимается 0,75 согласно [11].
Эо  0,011  144  312  0,75  370,7
Стоимость электрической энергии на освещение рассчитывается по формуле, р.:
С э.о  Э о τ э .
(6.19)
С э.о  370,7  3,81  1412,4 р.
Годовой расход тепловой энергии на отопление, вентиляцию производственных помещений может быть определен с использованием следующих соотношений:
на отопление –
где
Q о  g о Tо Vзд ,
(6.20)
g о –удельный расход тепловой энергии на отопление, (gо= 9,610-3 Гкал/чм3);
Tо – продолжительность отопительного сезона, ч (2160 ч);
Vзд – объем здания по внешнему обмеру, м3,
Vзд  1,25V ,
Vзд  1,25  12  12  6  1080 м
где
(6.21)
3
V – внутренний объем здания, м3 (с учетом высоты помещения основного
участка – 6 метров);
на вентиляцию –
Qв  gвV ,
(6.22)
Qв  0,06  12  12  6  51,8 Гкал
Q о  9,6  10 3 
2160 1080

 1399,7 Гкал
4
4
где g в –удельный расход тепловой энергии на вентиляцию, ( g в = 0,06Гкал/м3год) .
Расход тепловой энергии на горячее водоснабжение Q г.вс зависит от количества кранов, душевых сеток и времени использования в рабочие дни (2 – 3 ч). Для
178
учебных целей Q г.вс может быть принят в размере 80,5 – 128,5 Гкал/год, соответственно 20 Гкал/год на срок 3 месяца.
Общий годовой расход энергии на указанные выше цели составит, Гкал:
Q т.э = Q о  Q в  Q г.вс ,
(6.23)
Q т.э = 1399,7  51,8  20  22466,7 Гкал
а в денежном выражении –
С т.э = τтэ Q т.э ,
(6.24)
С т.э = 1051·22466,7= 1545685 р.
где
τт.э – тариф на энергию при использовании системы внешнего теплоснабжения
[94].
6.6 Сводная таблица расходов на изготовление, проектирование схем испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки
Сводные таблицы расходов на изготовление и проектирование предлагаемых схем для испытаний асинхронных тяговых двигателей приведены в таблицах
6.14 – 6.16.
Таблица 6.14 – Сводная таблица расходов на изготовление и проектирование схемы для испытаний асинхронных тяговых двигателей с двумя преобразователями
частоты
Затраты
Сумма, р.
Материалы
11 079 416
Тепловая энергия
1545685
Электроэнергия
14240
Фонд оплаты труда
1114824
Отчисления на социальные нужды
336677
Амортизационные отчисления
10125
179
Окончание таблицы 6.14
Прочие расходы
Итого
413314
14514281
Таблица 6.15 – Сводная таблица расходов на изготовление и проектирование схемы для испытаний асинхронных тяговых двигателей с одним преобразователем
частоты с функцией рекуперации
Затраты
Сумма, р.
Материалы
7950546
Тепловая энергия
1545685
Электроэнергия
14240
Фонд оплаты труда
1114824
Отчисления на социальные нужды
336677
Амортизационные отчисления
10125
Прочие расходы
413314
Итого
11385411
Таблица 6.16 – Сводная таблица расходов на изготовление и проектирование схемы для испытаний асинхронных тяговых двигателей с одним нестандартным преобразователем частоты
Затраты
Сумма, р.
Материалы
9773825
Тепловая энергия
1545685
Электроэнергия
14240
Фонд оплаты труда
1114824
Отчисления на социальные нужды
336676,8
Амортизационные отчисления
10125
Прочие расходы
413314
Итого
13208690
180
6.7 Расчет экономической эффективности, срока окупаемости и чистого дисконтированного дохода схем испытаний асинхронных тяговых двигателей
локомотивов методом взаимной нагрузки
Годовой экономический эффект определим по следующей формуле:
Э = τт.э · Pэкон · N – Сэкспл
где
(6.25)
Pэкон – экономия электрической энергии при часовом режиме испытаний асин-
хронных тяговых двигателей, кВт;
N – годовая программа ремонта асинхронных тяговых двигателей, примем N =
1000 двигателей;
Сэкспл – затраты на содержание и эксплуатацию схемы (стенда) примем равной
5 % от стоимости капитальных вложений на создание схемы. Стоимость капитальных
вложений приведена в таблицах 6.14 – 6.16.
Эксплуатационные затраты для схемы с двумя преобразователями частоты составят 725714 р.
Эксплуатационные затраты для схемы с одним преобразователем частоты с
функцией рекуперации составят 569271 р.
Эксплуатационные затраты для схемы с нестандартным преобразователем частоты составят 660435 р.
Представим расчет годового экономического эффекта для каждой из схем. При
этом годовая экономия электрической энергии определена по результатам математического моделирования с учетом номинальной нагрузки испытуемых двигателей:
- годовой экономический эффект для схемы с двумя преобразователями частоты составит:
Э = 3,81 · 1080 · 1000 – 725714 = 3389086 р.
- годовой экономический эффект для схемы с одним преобразователем частоты
с функцией рекуперации составит:
Э = 3,81 · 1080 · 1000 – 569271 = 3545529 р.
181
- годовой экономический эффект для схемы с одним нестандартным преобразователем частоты составит:
Э = 3,81 · 1080 · 1000 – 660435 = 3454366 р.
Срок окупаемости Tок определим по следующей формуле:
Tок 
К
Э
(6.26)
- для схемы испытаний с двумя преобразователями частоты:
Tок 
14514281
 4,2 г.
3389086
- для схемы испытаний с одним преобразователей частоты с функцией рекуперации:
Tок 
11385411
 3,2 г.
3545529
- для схемы испытаний с одним нестандартным преобразователей частоты:
Tок 
13208690
 3,8 г.
3454366
Чистый дисконтированный доход – накопленный дисконтированный эффект за расчетный период, приведенный к начальному шагу по норме дисконта.
ЧДД рассчитывается по формуле [108]:
ЧДД =
t T
 (Р
t 1
t
 Зt ) *  t
(6.27)
где Р(t) – приток денег в году t – стоимостная оценка результатов, руб.;
З(t) – отток денег в году t – текущие и единовременные затраты, связанные с
внедрением схемы испытаний, руб.;
Т – расчетный период, примем равным 10 лет;
t — коэффициент приведения определяется в соответствии с нормой дисконта, принятой равной 10 % и имеет распределение по годам, представленной в
таблице 6.17.
Расчет по формуле (6.27) для каждой из предложенных схем испытаний
представлены в виде таблиц 6.18 – 6.20.
182
Таблица 6.17 – Распределение коэффициента приведения затрат по годам в соответствии с принятой нормой дисконта
Коэффициент приведения
Год
норма дисконта Е=0,10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Таблица 6.18 – Расчет чистого дисконтированного
1,0000
0,9091
0,8264
0,7513
0,6830
0,6209
0,5645
0,5132
0,4665
0,4241
0,3855
дохода при реализации схе-
мы с двумя преобразователями частоты для испытаний асинхронных тяговых
двигателей методом взаимной нагрузки
Год рас-
Р ·a,
t t
тыс. руб
З·a,
t t
тыс. руб
K,
t
тыс. руб
ЧДД ,
t
тыс. руб
тыс. руб
0
0
0
-14514281
-14514281
1
3740764,68
659746,64
14514281
0
3081018,037
-11433262,96
2
3400470,72
599730,09
0
2800740,629
-8632522,334
3
3091449,24
545228,97
0
2546220,274
-6086302,06
4
2810408,4
495662,7
0
2314745,704
-3771556,356
5
2554879,32
450595,85
0
2104283,466
-1667272,889
6
2322804,6
409665,58
0
1913139,019
245866,1294
7
2111715,36
372436,45
0
1739278,91
1985145,039
8
1919554,2
338545,6
0
1581008,596
3566153,635
9
1745086,68
307775,33
0
1437311,351
5003464,986
10
1586255,4
279762,77
0
1306492,634
6309957,62
Всего
25283388,6
4459150
14514281
6309957,62
четного
периода t
∑ЧДД,
183
Таблица 6.19 – Расчет чистого дисконтированного дохода при реализации схемы с одним преобразователем частоты с функцией рекуперации для испытаний
асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки
Год рас-
Р ·a,
t t
тыс. руб
З·a,
t t
тыс. руб
K,
t
тыс. руб
ЧДД ,
t
тыс. руб
тыс. руб
0
0
0
11385411
-11385411
-11385411
1
3740764,68
517523,86
0
3223240,823
-8162170,177
2
3400470,72
470445,18
0
2930025,537
-5232144,64
3
3091449,24
427692,96
0
2663756,276
-2568388,364
4
2810408,4
388811,79
0
2421596,614
-146791,7494
5
2554879,32
353460,08
0
2201419,236
2054627,486
6
2322804,6
321353,23
0
2001451,375
4056078,861
7
2111715,36
292149,65
0
1819565,714
5875644,574
8
1919554,2
265564,71
0
1653989,488
7529634,063
9
1745086,68
241427,64
0
1503659,04
9033293,103
10
1586255,4
219453,8
0
1366801,603
10400094,71
Всего
25283388,6
3497882,9
11385411
10400094,71
четного
периода t
∑ЧДД,
Таблица 6.20 – Расчет чистого дисконтированного дохода при реализации схемы с одним нестандартным преобразователем частоты для испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки
Год рас-
Р ·a,
t t
тыс. руб
З·a,
t t
тыс. руб
K,
t
тыс. руб
ЧДД ,
t
тыс. руб
тыс. руб
0
0
13208690
-13208690
-13208690
1
3740764,68
0
3140363,676
-10068326,32
2
3400470,72
0
60040
1
54578
3,07
0
2854687,649
-7213638,675
четного
периода t
∑ЧДД,
184
Окончание таблицы 6.20
3
3091449,24
4
2810408,4
5
2554879,32
6
2322804,6
7
2111715,36
8
1919554,2
9
1745086,68
10
1586255,4
Всего
25283388,6
49618
4,44
45107
6,76
41006
3,78
37281
5,28
33893
4,99
30809
2,69
28009
0,27
25459
7,5
40580
39,8
0
2595264,8
-4618373,875
0
2359331,637
-2259042,238
0
2144815,539
-114226,6992
0
1949989,325
1835762,626
0
1772780,375
3608543
0
1611461,506
5220004,506
0
1464996,409
6685000,915
0
1331657,9
8016658,815
13208690
8016658,815
Распределение чистого дисконтированного дохода по годам для каждой из
предложенных схем испытаний представлены на рисунках 6.1 – 6.3.
10000000
8000000
6000000
4000000
2000000
0
1
2
3
4
5
-2000000
6
7
8
9
-4000000
ЧДД,
руб.
-6000000
-8000000
-10000000
-12000000
-14000000
-16000000
-18000000
-20000000
Расчетный период , г.
Рисунок 6.1 – Распределение чистого дисконтированного дохода
в течение принятого расчетного периода для схемы испытаний
с двумя преобразователями частоты
10
185
ЧДД,
руб.
10000000
8000000
6000000
4000000
2000000
0
-2000000
-4000000
-6000000
-8000000
-10000000
-12000000
-14000000
-16000000
-18000000
-20000000
1
2
3
4
5
6
9
8
7
10
Расчетный период , г.
Рисунок 6.2 – Распределение чистого дисконтированного дохода
в течение принятого расчетного периода
для схемы испытаний с одним преобразователем частоты
с функцией рекуперации
ЧДД,
руб.
10000000
8000000
6000000
4000000
2000000
0
-2000000
-4000000
-6000000
-8000000
-10000000
-12000000
-14000000
-16000000
-18000000
-20000000
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Расчетный период , г.
Рисунок 6.3 – Распределение чистого дисконтированного дохода
в течение принятого расчетного периода
для схемы испытаний с одним нестандартным преобразователем частоты
186
Как видно из проведенных расчетов каждая из рассмотренных схем испытаний является экономически эффективной для реализации, т.к. значение чистого
дисконтированного дохода в течение расчетного срока становится положительным.
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 6
1 Выполнен расчет затрат на изготовление схем испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки, на примере двигателя типа НТА-1200.
Капитальные затраты на реализацию предлагаемых схем испытаний составили: для
схемы с двумя преобразователями частоты – 14514281 р.; для схемы с одним преобразователем частоты с функцией рекуперации – 11385411 р.; для схемы с одним нестандартным преобразователем частоты – 13208690 р.
2 Выполнен расчета срока окупаемости предлагаемых схем испытаний асинхронных тяговых двигателей: для схемы с двумя преобразователями частоты – 4,2 г.;
для схемы с одним преобразователем частоты с функцией рекуперации – 3,2 г.; для
схемы с нестандартным преобразователем частоты – 3,8 г.
3 Выполнен расчет чистого дисконтированного дохода при реализации каждой
из схем, по которому можно сделать вывод о том, что предлагаемые схемы являются
экономически эффективными для их реализации.
187
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
К основным результатам выполненного исследования можно отнести:
1) сформирована математическая модель процесса испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки при их питании от частотных преобразователей в условиях локомотивных депо. Математическая модель позволяет оценить
эффективность применения метода взаимной нагрузки для различных типов асинхронных двигателей, определить требуемую величину мощности питающей сети,
коммутационного, испытательного и защитного оборудования;
2) разработаны усовершенствованные схемы испытаний асинхронных тяговых
двигателей (защищенные патентами РФ), позволяющие проводить необходимые
испытания в соответствии с условиями работы на локомотивах и обеспечить высокую энергетическую эффективность процесса испытаний: схема с одним преобразователем частоты с возможностью рекуперации; схема с двумя преобразователями
частоты без возможности рекуперации, связанные общей шиной постоянного тока;
схема с одним неуправляемым выпрямителем и двумя управляемыми выпрямительинверторами, связанными общей шиной постоянного тока (схема с нестандартным
преобразователем частоты);
3) проведены экспериментальные исследования на физической модели испытательной станции асинхронных тяговых двигателей, которые позволили подтвердить
достоверность полученных результатов математического моделирования. Относительное расхождение мощности по результатам моделирования и эксперимента не
превышает 7 % для рассматриваемых режимов работы: от холостого хода до номинальной нагрузки асинхронного двигателя;
4) разработана методика определения мощности и потерь в основных элементах
схем испытаний в широком диапазоне нагрузки испытуемого двигателя. Методики
могут быть использованы на этапе проектирования испытательных станций для определения мощности, потребляемой из сети в процессе испытаний под нагрузкой, а так-
188
же определения параметров преобразователей частоты для различных типов испытуемых двигателей в условиях локомотивных депо;
5) составлен алгоритм выбора схемы для испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки с учетом возможности реализации рекуперации
преобразователем частоты, номинальной частоты питания испытуемого двигателя,
мощности сети и технико-экономической целесообразности схемы;
6) разработан алгоритм проведения испытаний асинхронных тяговых двигателей методом взаимной нагрузки для предлагаемых в работе схем испытаний, который
учитывает рекомендации ГОСТ 11828-86, ГОСТ 7217-87;
7) выполнена оценка экономической эффективности предлагаемых методов и
средств испытаний асинхронных тяговых двигателей локомотивов. Рассчитаны сроки
окупаемости и чистый дисконтированный доход.
189
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Авилов, В.Д. Актуальные направления исследований метода взаимной
нагрузки
при
испытаниях
асинхронных
тяговых
двигателей
[Текст]
/
В.Д. Авилов, Д.И. Попов, В.Т. Данковцев, А.В. Литвинов // Технологическое
обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного подвижного состава: Материалы всероссийской научно-технической конференции с
международным участием. Омск, 2011. С. 199-203.
2. Авилов, В.Д. Испытание асинхронных тяговых двигателей методом взаимной
нагрузки
[Текст]
/
В.Д. Авилов, Д.И. Попов,
В.Т.
Данковцев,
А.В. Литвинов // Актуальные вопросы транспортной отрасли: проблемы и решения: Материалы Всероссийской научно-практической конференции (Воронеж, 22
ноября 2013 г.), – Воронеж: Руна, 2013. №1. С. 8-12.
3. Авилов, В.Д. Математическая модель процесса испытаний асинхронных
двигателей методом их взаимной нагрузки [Текст] / В.Д. Авилов, Д.И. Попов,
А.В. Литвинов // Вестник СибАДИ. 2013. №5 (33). С. 75-81.
4. Авилов, В.Д. Методика определения потерь в двухзвенных преобразователях частоты в составе стенда для испытания асинхронных двигателей методом
взаимной нагрузки [Текст] / В.Д. Авилов, Д.И. Попов, А.В. Литвинов // Известия
Транссиба. 2014. №1 (17). С. 2-8.
5. Авилов, В.Д. Модернизированный стенд для испытания асинхронных
двигателей методом взаимной нагрузки [Текст] / В.Д. Авилов, Д.И. Попов,
В.Т. Данковцев, А.В. Литвинов [Текст] // Повышение эффективности эксплуатации коллекторных электромеханических преобразователей энергии: материалы IX
международной научно-технической конференции (5,6 декабря 2013 г.). Омск,
2013. С. 137-141.
6. Авилов, В.Д. Оценка энергетической эффективности применения метода
взаимной нагрузки при испытании асинхронных тяговых двигателей [Текст] /
190
В.Д. Авилов, Д.И. Попов, А.В. Литвинов // Известия Транссиба. 2013. №3 (15). С.
2-7.
7. Авилов, В.Д. Применение метода взаимной нагрузки при испытании
асинхронных тяговых двигателей [Текст] / В.Д. Авилов, Д.И. Попов, В.Т. Данковцев, А.В. Литвинов // Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов: материалы всероссийской научнотехнической конференции с международным участием / Омский гос. ун-т путей
сообщения. Омск, 2012. С. 77-83.
8. Авилов, В.Д. Способ испытаний асинхронных электродвигателей методом их взаимной нагрузки: патент РФ №2433419, 2010 [Текст] / В.Д. Авилов, А.И.
Володин, В.Т. Данковцев и др.
9. Авилов, В. Д. Схема испытаний асинхронных двигателей методом их
взаимной нагрузки: патент РФ № 140678, 2013 [Текст]/ В. Д. Авилов, Д. И. Попов,
А. В. Литвинов
10. Авилов, В. Д. Схема испытаний асинхронных двигателей методом их
взаимной нагрузки: патент РФ № 145998, 2014 [Текст]/ В.Д. Авилов, В.В. Харламов, Д.И. Попов, А.В. Литвинов
11. Авилов, В. Д. Схема для определения электрической мощности, потребляемой асинхронными двигателями при испытании их методом взаимной нагрузки: патент РФ № 143346, 2014 [Текст]/ В. Д. Авилов, Д. И. Попов, А. В. Литвинов
12. Авилов, В. Д. Устройство для испытания асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки: патент РФ № 143348, 2014 [Текст]/ В. Д. Авилов, Д. И.
Попов, А. В. Литвинов
13. Авилов, В.Д. Физическая модель испытательной станции асинхронных
тяговых двигателей с использованием метода взаимной нагрузки [Текст] /
В.Д. Авилов, Д.И. Попов, В.Т. Данковцев, А.В. Литвинов // Инновационные проекты и новые технологии для транспортного комплекса: Материалы четвертой
научно-практической конференции, посвященной Дню российской науки и 110летию ОмГУПСа (8 февраля 2012 г.) / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск,
2012. С. 69-73.
191
14. Авилов, В.Д. Экспериментальные исследования метода взаимной нагрузки при испытании асинхронных двигателей малой мощности [Текст] /
В.Д. Авилов, Д.И. Попов, В.Т. Данковцев, А.В. Литвинов // Электромеханические
преобразователи энергии: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей
сообщения. Омск, 2014. С. 26-31
15. Алабужев, П.М. Теория подобия и размерностей. Моделирование.
П. М. Алабужев и др. «Высшая школа», 1968. – 208 с.
16. Алейников, Н.М. Способ измерения активной мощности нагрузки в электрических цепях переменного тока: патент РФ № 2296338,2007 [Текст]/ Н.М.
Алейников, А.Н. Алейников
17. Алымов, В.А. Устройство для нагрузочных испытаний крупных асинхронных электродвигателей: патент РФ. №31068 , 2003[Текст]/ В.И. Левин, Ю.Л.
Рыбин
18. Андрианов, М. В. Применение метода отдельных потерь при определении КПД асинхронного двигателя, работающего от полигармонического источника напряжения [Текст] / М.В.Андрианов, Р.В. Родионов // Электротехника. – 2007.
– №6. – С. 20 – 24.
19. Андрианов, М.В. Выбор преобразователя частоты для применения в
электроприводе, работающем с постоянным моментом [Текст] / М.В. Андрианов,
В.И. Афонин, Р.В. Родионов // Электротехника. – 2008. – №5. – С. 42 – 48.
20. Андрющенко, А.А. Асинхронный тяговый привод локомотивов: учеб.
пособие [Текст] / А.А. Андрющенко, Ю.В. Бабков, А.А. Зарифьян и др. Под ред.
А.А. Зарифьяна. – М.: ФГБОУ «Учебно-методический цент по образованию на
железнодорожном транспорте», 2013 г. – 403 с.
21. Архипцев, Ю.Ф. Асинхронные электродвигатели. – 2-е изд, перераб. и
доп [Текст] / Ю.Ф. Архипцев. – М.: Энергоатомиздат, 1986 – 104 с.
22. Бан, Д. Современное состояние и тенденции повышения кпд электрических машин. [Текст] / Д. Бан, Д. Жарко, С. Мирчевски // Электротехника. – 2012. –
№1. – С. 14– 20
192
23. Бахвалов, Ю.А. Динамические процессы в асинхронном тяговом приводе магистральных электровозов: Монография [Текст] / Ю.А. Бахвалов, Г.А. Бузало, А.А. Зарифьян, П.К. Петров и др.; под ред. А.А. Зарифьяна. – М.: Маршрут,
2006. – 374 с.
24. Баховцев, И. А. Использование трехфазного АИН с ШИМ для управления асинхронным исполнительным двигателем [Текст] / И. А. Баховцев // Электротехника. – 2008. – №6. – С. 45 –52.
25. Бейерлейн, Е. В. Анализ схем испытания асинхронных тяговых двигателей [Текст] / Е.В. Бейерлейн, А.Б. Цукублин // Современные техника и технологии: Материалы Х международной научно-практической конференции студентов,
аспирантов и молодых ученых: в 2 т. – Томск: Изд-во ТПУ, 2004. – Т.1. – С.215 –
217.
26. Бейерлейн, Е. В. Измерение активной мощности при испытаниях крупных машин переменного тока [Текст] / Е. В. Бейерлейн // Электромеханические
преобразователи энергии: Материалы международной научно-практической конференции, 13-16 октября 2009 г. – Томск: Изд-во ТПУ, 2009. – С. 157-160.
27. Бейерлейн, Е. В. Схема испытания тяговых частотно-регулируемых
асинхронных электродвигателей [Текст] / Е.В. Бейерлейн, А.Б. Цукублин, О.Л.
Рапопорт // Известия вузов. Электромеханика. – 2006. - №3. – С. 46-48.
28. Бейерлейн, Е.В. Устройство для испытания тяговых электродвигателей:
патент РФ 80018, 2009 [Текст] / Е.В. Бейерлейн; О.Л. Рапопорт; А.Б. Цукублин
29. Бейерлейн, Е. В. Энергосберегающая схема испытаний тяговых асинхронных электродвигателей [Текст] / Е.В. Бейерлейн, А.Б. Цукублин, О.Л. Рапопорт // Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Повышение эффективности производства энергии в условиях Сибири» –
Иркутск: Изд-во ИрГТУ, – 2005. – С. 613-618.
30. Бейерлейн, Е.В. Энергосбережение при испытании крупных асинхронных машин [Текст] / Е.В. Бейерлейн, А.С. Волков // Наука. Технологии. Инновации: Материалы Всероссийской научной конференции молодых ученых, 6-9 декабря 2007 г.: в 7ч. – Новосибирск: Изд-во НГТ, 2007. – Ч.3. – С. 52-54.
193
31. Бессонов, Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические
цепи. Издание девятое переработанное и дополненное [Текст] / Л.А. Бессонов. –
М.: «Высшая школа», 1996. – 623 с.
32. Борисов, Ю.М. Электротехника. Учебник для вузов. – 2-е изд., перераб.
и доп. [Текст] / Ю.М. Борисов, Д.Н. Липатов, Ю.Н. Зорин. – М.: Энергоатомиздат,
1985. – 552 с., ил.
33. Браславский, И.А. Энергетическая эффективность законов скалярного частотного управления асинхронным электроприводом [Текст] / И.А. Браславский, З.Ш.
Ишматов, А.В. Костылев, Ю.В. Плотников, В.Н. Поляков, Г.З. Эрман, Д.Л. Антонов //
Электротехника. – 2012. – №9. – С. 44– 48
34. Браславский, И.А. Асинхронный частотно-регулируемый электропривод
с емкостным накопителем энергии [Текст] / И.А. Браславский, З.Ш. Ишматов,
А.В. Костылев, Ю.В. Плотников, В.Н. Поляков, Г.З. Эрман // Электротехника. –
2012. – №9. – С. 30 – 35
35. Брускин, Д.Э. Электрические машины и микромашины. Учебник для
электротех. спец. вузов. Изд. 3-е, перераб. и доп. [Текст] / Д. Э. Брускин, А. Е. Зорохович, В. С. Хвостов. – М.: Высш. шк., 1990. – 528 с.: ил.
36. Веников, В.А. Теория подобия и моделирования / Веников В. А. – М.:
Высшая школа, 1976. – 479 с.
37. Винокуров, В.А. Электрические машины железнодорожного транспорта.
Учебник для вузов [Текст] / В.А. Винокуров, Д.А. Попов – М.: Транспорт, 1986. –
511 с.
38. Волков, В.А. Методические рекомендации по оценкам эффективности
инвестиций на железнодорожном транспорте [Текст] / В.А. Волков, А.П. Абрамов, Ю.М. Кудрявцев, М.Т. Миджири, А.Д. Сапожников и др.; Под ред. Т.М. Миджири. – М.: Слово, 1997. – 50 с.
39. Вольдек, А.И. Электрические машины: учеб. для студентов высш. техн.
учебн. заведений. – 3-е изд., испр. [Текст] / А.И. Вольдек. Л:. Энергия, 1978. –
832 с.
194
40. Гапанович В.А., Энергетическая стратегия и электрификация российских
железных дорог [Текст] / В.А. Гапанович, С.Н. Епифанцев, В.А. Овсейчук. Под ред.
Г.П. Кутового. – М.: Эко-Пресс, 2012. – 196 с.
41. Гемке, Р.Г. Неисправности электрических машин [Текст] / Р.Г. Гемке.
Под ред. Р.Б. Уманцева. – 9-е изд., перераб. и доп. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1989. – 336 с.: ил.
42. Гловацкий, А.В. Основные направления развития электрических машин и
электромеханических систем на их основе [Текст] / А.В. Гловацкий, Л.П. Кубарев,
Л.Н. Макаров // Электротехника. – 2008. – №4. – С. 2 –8.
43. Гольдберг, О.Д. Испытания электрических машин. Учеб. для вузов – 2 -е
изд., испр. [Текст] / О.Д. Гольдберг. – М.: Высш. шк., 2000. – 255 с.: ил.
44. Гольдберг, О.Д. Проектирование электрических машин: Учебник [Текст] /
О.Д. Гольдберг, И.С. Свириденко.; под ред. О.Д. Гольдберга. 3-е изд., перераб. – М.:
Высш. шк., 2006. – 430 с.: ил.
45. Горнов, О.Ф .Эксплуатация и ремонт подвижного состава электрических
железных дорог [Текст] / О.Ф. Горнов, Н.В. Максимов, А.В. Мейендорф, Ч.С.
Озембловский, В.В. Савченко, Изд-во «Транспорт», 1968. 1 – 344 с.
46. ГОСТ 11828 – 86. Машины электрические вращающиеся. Общие методы
испытаний [Текст] – М., 1986. 28 с.
47. ГОСТ 16264.1 – 85. Двигатели асинхронные. Общие технические условия.
[Текст] – М., 1985. 13 с.
48. ГОСТ 183 – 74. Машины электрические вращающиеся. Общие технические условия [Текст] – М., 1974. 26 с.
49. ГОСТ 24607 – 88. Преобразователи частоты полупроводниковые. Общие
технические требования [Текст] – М., 1988. 37 с.
50. ГОСТ 2582 – 81. Машины электрические вращающиеся тяговые. Общие
технические условия [Текст] – М., 1981. 37 с.
51. ГОСТ 25941-83 Машины электрические вращающиеся. Методы определения потерь и коэффициента полезного действия [Текст] – М., 1983. 40 с.
195
52. ГОСТ 27222-91. Машины электрические вращающиеся. Измерение сопротивления обмоток машин переменного тока без отключения от сети [Текст] – М.,
1987. 21 с.
53. ГОСТ 28173 – 89. Машины электрические вращающиеся. Номинальные
данные и рабочие характеристики [Текст] – М., 1989. 46 с.
54. ГОСТ 7217-87. Машины электрические вращающиеся. Двигатели асинхронные. Методы испытаний [Текст] – М., 1987. 39 с.
55. Государственная программа Российской Федерации «Энергосбережение и
повышение энергетической эффективности на период до 2020 года». Утверждена
распоряжением Правительства Российской Федерации от 27 декабря 2010 г. №2446р.
56. Гуревич, В. Теория размерности / В. Гуревич, Г. Волмэн. Пер. с англ.
И. А. Вайнштейн, под ред. П. С. Александрова М.: Государственное издательство
иностранной литературы, 1948. – 232 с.
57. Гурский, Д.А. Вычисление в Mathcad 12 [Текст] / Д.А. Гурский, Е.С. Турбина – СПб.: Питер, 2006. – 544.: ил.
58. Донской, Н. В. Трехфазная математическая модель асинхронного двигателя [Текст] / Н.В. Донской // Электротехника. – 2011. – №1. – С. 40 – 46.
59. Елисеев, В.В., Развитие разработок и производства силовых полупроводниковых приборов в ОАО «Электровыпрямитель» [Текст] // В.В. Елисеев, Ф.И.
Ковалев, В.В. Чибиркин. Электротехника. – 2007. – №5. – С. 5 – 9.
60. Жерве, Г.К. Промышленные испытания электрических машин [Текст] /
Г.К. Жерве. 4 изд., сокр. и перераб. – Л.: Энергоатомиздат, 1984 – 408 с., ил.
61. Зиновьев, Г.С. Основы силовой электроники [Текст] / Г.С. Зиновьев:
Учебник – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999. Ч. 1 – 199 с.
62. Иванов, И.И. Электротехника и основы электроники: Учебник. 7-е изд.,
перераб. и доп. [Текст] / И.И., Иванов, Г.И. Соловьев, В.Я. Фролов. – СПб.: Издательство «Лань», 2012. – 736 с.: ил.
196
63. Иванов, И.И. Электротехника. Основные положения, примеры и задачи.
2-е изд., исправленное [Текст] / И.И. Иванов, А.Ф. Лукин, Г.И. Соловьев. СПб:
Издательство «Лань», 2002. – 192 с.
64. Иванов – Смоленский, А.В. Электрические машины. Учебник для вузов.
В 2-х томах. Том 1. Изд. 3-е [Текст] / А.В. Иванов – Смоленский. – М.: Издательский дом МЭИ, 2006 – 532 с.: ил.
65. Игумнов, Д.В. Основы полупроводниковой электроники [Текст] / Д.В.
Игумнов, Г.П. Костюнина. Учебное пособие. – М.: Горячая линия – Телеком, 2005. –
392 с.: ил.
66. Изосимов, Д.Б. Некоторые особенности проектирования тяговых асинхронных двигателей. Ч2 [Текст] / Д.Б. Изосимов // Электротехника. – 2012. – №4.
– С. 46– 52
67. Казанцев, В.П. Методология безнагрузочных испытаний асинхронных
двигателей после ремонта [Текст] / В.П. Казанцев, А.М. Костыгов, М.И. Кузнецов, А.Ю. Москоков // Электротехника. – 2010. – №6. – С. 39 – 44.
68. Каминский, М.Л. Проверка и испытание электрических машин [Текст] /
М.Л. Каминский. – М., «Энергия», 1977.
69. Касаткин, А.С. Курс электротехники: Учеб. для вузов [Текст] / А.С. Касаткин, М.В. Немцов. 8-е изд., стер. – М.: Высш. шк., 2005, – 542 с.: ил.
70. Кацман, М.М. Справочник по электрическим машинам.: Учебное пособие для студ. образоват. учреждений сред. проф. образования [Текст] / М.М. Кацман. – М.: Издательский дом «Академия», 2005. – 480 с.
71. Кацман, М.М. Электрические машины: учеб. для студентов сред. Проф.
Учебных заведений. – 3-е изд., испр. [Текст] / М.М. Кацман. М.: Высш. Шк.; Издательский цент «Академия»; 2001. – 463 с.: ил.
72. Кирьянов, Д.В. Самоучитель Mathcad. – СПб.: БВХ [Текст] / Д.В., Кирьянов – Петербург, 2003. – 560 с.: ил.
73. Китаев, В.Е. Электрические машины. В 2-х ч. Ч.2 – Асинхронные машины. Синхронные машины. Учебное пособие для техникумов [Текст] / В.Е. Ки-
197
таев, Ю.М. Корхов, В.К. Свирин. Под редакцией В.Е. Китаева. – М.: Высш. шк.,
1978 – 184 с.: ил.
74. Коварский, Е.М. Испытание электрических машин [Текст] / Е.М. Коварский,
Ю.И. Янко. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 320 с.: ил.
75. Копылов, И.П. Математическое моделирование электрических машин:
Учеб. для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. [Текст] / И.П. Копылов. – М.: Высш. шк.,
2001. –327 с.: ил.
76. Копылов, И. П. Проектирование электрических машин: Учеб. для вузов
[Текст] / И.П. Копылов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин, Б.Ф. Токарев. Под ред. И. П.
Копылова. – 3-е изд., испр. и доп. – М.: Высш. шк., 2002. – 757 с.: ил.
77. Копылов, И.П. Справочник по электрическим машинам. В 2-х томах [Текст]
/ И.П. Копылов, Б.К. Клокова. Под ред И.П. Копылова. Т.1 – М.: Энергоатомиздат,
1988 – 456 с.: ил.
78. Копылов, И.П. Электрические машины: Учеб. Для вузов. – 2-е изд., перераб. [Текст] / И.П. Копылов. М.: Высш. Шк.; Логос; 2000. – 607 с.
79. Космодамианский, А.С. Влияние температуры тягового асинхронного
двигателя на его режимы работы [Текст] / А.С. Космодамианский, В.И. Воробьев,
А.А. Пугачев // Электротехника. – 2011. – №1. – С. 50 – 55.
80. Костенко, М.П. Электрические машины. В 2-х ч. Ч.2 – Асинхронные
машины. Синхронные машины. Учебник для студентов высш. техн. учеб. заведений. Изд. 3-е, перераб [Текст] / М.П Костенко, Л.М. Пиотровский. Л., «Энергия»,
1972.
81. Костырев, М. Л. Электрическая мощность асинхронного двигателя при
его использовании в качестве асинхронного генератора [Текст] / М. Л. Костырев,
А-З. Р. Джендубаев // Электротехника. – 2008. – №7. – С. 6 – 10.
82. Кравчик , А.Э.Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник [Текст] /
А.Э.
Кравчик,
М.М.
Шлаф,
Энергоатомиздат, 192. – 504 с., ил.
В.И.
Афонин,
Е.А.
Соболенская.
–
М.:
198
83. Кунцевич, П.А. Об использовании асинхронного генератора в экономичном режиме [Текст] / П.А. Кунцевич, Г.А. Прохорова, В.А. Гусаров // Электротехника. – 2012. – №4. – С. 19– 25
84. Кутателадзе, С.С. Анализ подобия и физические модели [Текст] /
С. С Кутателадзе – Новосибирск: Наука, 1986. – 296 с.
85. Линдер, Ш. Силовые полупроводниковые приборы. Обзор и сравнительная
оценка [Текст] // Ш. Линдер. Электротехника. – 2007. – №10. – С. 4 – 11.
86. Литвинов, А.В. Развитие силовой преобразовательной техники как способ повышения эксплуатационной надежности электроподвижного состава
[Текст] / А.В. Литвинов // Эксплуатационная надежность локомотивного парка и
повышение эффективности тяги поездов: материалы всероссийской научнотехнической конференции с международным участием / Омский гос. ун-т путей
сообщения. Омск, 2012. С. 105-110.
87. Литвинов, А.В. Состояние и перспективы развития подвижного состава
с асинхронным тяговым приводом в России [Текст] / А.В. Литвинов // Актуальные вопросы транспортной отрасли: проблемы и решения: Материалы Всероссийской научно-практической конференции (Воронеж, 22 ноября 2013 г.), – Воронеж:
Руна, 2013. №1. С. 30-37.
88. Макаров, Е. Г. Mathcad: Учебный курс. [Текст] / Е. Г. Макаров – СПб:
Питер, 2009. – 384 с.: ил.
89. Макаров, Л. Н. Особенности работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в системе частотного регулирования [Текст] / Л.Н. Макаров,
С.В. Ястреба // Электротехника. – 2007. – №11. – С. 15 – 19.
90. Мельк, В.О. Опыт проектирования испытательных станций на статических преобразователях для различных типов тяговых двигателей / В.О. Мельк,
С.А. Пимшин, И.Г. Шахов // Повышение тягово-энергетической эффективности и
надежности электроподвижного состава: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский
гос. ун-т путей сообщения. – Омск, 1999. 90 с. С 65 – 69.
91. Мельк, В.О. Автоматизированная станция испытания электрических машин на тиристорных преобразователях / В.О. Мельк, С.А. Пимшин, И.Г. Шахов,
199
С.В. Смыков, К.В. Моисеенко, А.П. Шиляков // Новые технологии – железнодорожному транспорту: подготовка специалистов, организация перевозочного процесса, эксплуатация технических средств. Межвуз. темат. сб. науч. тр. Ч2 /Омский
гос. ун-т путей сообщения. – Омск, 2000. 337 с. С 114-116.
92. Методические рекомендации по расчету экономической эффективности
новой техники и технологии, объектов интеллектуальной собственности и рационализаторских предложений. Утверждены распоряжением ОАО «РЖД» от
28.11.2008 г. N 2538р.
93. Михотин, В.Д. Способ измерения активной мощности нагрузки в электрических цепях переменного тока: патент РФ № 2229723, 2004[Текст]/ В.Д. Михотин, В.И. Чернецов
94. Омская энергосбытовая компания [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.omskenergosbyt.ru/retmarket/yl.htm#avg
95. Охорзин, В. А. Прикладная математика в системе Mathcad: Учебное пособие. 2-е изд, испр. и доп. [Текст] / В. А. Охорзин – СПб.: Издательство «Лань»,
2008. – 352 с.: ил.
96. Очков, В.Ф. Mathcad 14 для студентов, инженеров и конструкторов. –
СПб.: БВХ [Текст] / В.Ф. Очков – Петербург, 2007. – 368.: ил.
97. Преображенский, В.И. Полупроводниковые выпрямители [Текст] /
В.И. Преображенский. М., «Энергия», 1976. 120 с.: ил.
98. Преобразователи частоты – просто о сложном. Перевод с английского.
Издание первое [Текст]. Москва 2006 г. – 165 с.
99. Попов, В.К. Основы электропривода. Учебник для вузов[Текст] / В.К.
Попов. – М.: Государственное энергетическое издательство, 1945. – 668 с.
100. Приводы АВВ общепромышленного назначения. Руководство по эксплуатации. Приводы ACS355 [Электронный ресурс]. Дата вступления в силу:
01.01. 2010. Режим доступа: http//www05.abb.com/ global/scot/scot201.nsf/ veritydisplay/e3b52a4909e9f14cc1257aa2004ae311/$file/RU_ACS355_UM_Bscreen.pdf
200
101. Ротанов, Н.А. Электроподвижной состав с асинхронными тяговыми
двигателями [Текст] / Н.А Ротанов, А.С. Курбасов, Ю.Г. Быков, В.В. Литовченко;
под ред. Н.А. Ротанова. – М.: Транспорт, 1991 – 336 с.
102. Рубцов, Ю.Ф. Создание автоматизированных систем научных исследований контроля и испытаний электрических машин [Текст] / Ю.Ф. Рубцов // Электротехника. – 2012. – №11. – С. 15 – 18.
103. Рудаков, В.В. Асинхронные электроприводы с векторным управлением
[Текст] / В.В. Рудаков, И.М. Столяров, В.А. Дартау. – Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отделение, 1987. – 136 с.
104. Руководство от производителя SEMICRON по мощным полупроводниковым
приборам
[Электронный
ресурс]].
–
270
с.
Режим
доступа:
http:/www.radiosovet.ru/book/teoria/1011-rukovodstvo-ot-proizvoditelya-simicron-pomoshhnym-poluprovodnikovym-priboram.html
105. Руководство по применению общего источника постоянного тока для
приводов ACS355 (3AUA0000070130 на англ. языке) [Электронный ресурс]. Режим доступа: http//www05.abb.com/global/scot/scot201.nsf/veritydisplay/21c4fab
106. 1813be5ce12579f700381f5a/$file/en_acs355_common_dc_application_guid
e_a.pdf
107. Савченко, Р.Г. Анализ подобия / Р. Г. Савченко, Р. Г. Варламов.
М.: Советское радио, 1971. – 348 с.
108. Самарский, А.А. Математическое моделирование: Идеи. Методы. Примеры. – 2-е изд., испр. [Текст] / А.А. Самарский, А.П. Михайлов – М.: Физматлит,
2001. – 320 с.
109. Седов, Л.И. Методы подобия и размерности в механике./ Седов Л. И. –
М.: Наука, 1977, 440 с.
110. Сентюрихин, Н.И. Аварии, мониторинг и контроль параметров сверхмощных асинхронных двигателей [Текст] / Н.И. Сентюрихин, А.В. Чарахчьян //
Электротехника. – 2010. – №1. – С. 66 – 70.
201
111. Серебряков, А.С. Mathcad и решение задач электротехники: Учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта. [Текст] / А.С. Серебряков, В.В. Шумейко – М.:
Маршрут. 2005. – 240 с.
112. Слоним, Н.М. Испытания асинхронных двигателей при ремонте. – 2-е
изд, перераб. и доп [Текст] / Н.М. Слоним. – М.: Энергия, 1980 – 88 с.
113. Соколовский, Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием [Текст] / Г.Г. Соколовский: – М.: Academa, 2006 – 265 с.
114. Справочник по электрическим машинам. В 2-х томах [Текст] / Под
общ. ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова. Т. 1. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 456
с.: ил.
115. Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года. Утверждена распоряжением правительства РФ от 17.06.2008
№877-р [Электронный ресурс] режим доступа: http://doc.rzd.ru
116. Т-ЦТВР/4782. Правила ремонта электрических машин электроподвижного состава [Текст]. – М.: Транспорт, 1975. – 356 с.
117. Федеральный закон «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты
Российской Федерации». Принят Государственной Думой 11 ноября 2009 г.
Одобрен Советом Федерации 18 ноября 2009 г.
118. Фираго, Б.И. Регулируемые электроприводы переменного тока [Текст] /
Б.И. Фираго, Л.Б. Павлячик . – Мн.: Техноперспектива, 2006. – 363 с.
119. Флора, В.Д.Тяговые электрические двигатели [Текст] / В.Д. Флора. под
редакцией доцента, к.т.н. Ю.С.Коробкова. – Запорожье - Информационная система iElectro , 2011. – 318 с.
120. Шестаков, А.В. Математическая модель рабочих характеристик асинхронных двигателей с частотным управлением [Текст] / А.В. Шестаков // Электротехника. – 2011. – №2. – С. 23 – 30.
121. Шрейнер, Р.Т. Построение высоковольтных рекуперирующих каскадных непосредственных преобразователей частоты для электропривода [Текст] /
202
Р.Т. Шрейнер, А.И. Калыгин, В.К. Кривовяз // Электротехника. – 2012. – №11. –
С. 8 – 14
122. Шрейнер, Р.Т. Энергосберегающий промышленный регулируемый
электропривод нового поколения [Текст] / Р.Т. Шрейнер, В.К. Кривовяз, А.И. Калыгин, С.И. Шилин // Электротехника. – 2007. – №11. – С. 52 – 58.
123. Шутце, Т. Технологии 3,3 кВ IGBT модулей: в каком направлении развиваться и чего достичь? [Текст] // Т. Шутце, Дж. Бирман , М. Пфафенленер.
Электротехника. – 2008. – №6. – С. 3 –8.
124. Щербаков, В.Г. Тяговые электродвигатели электровозов [Текст] /
В.Г. Щербаков – Новочеркасск.: Агенство Наутилус, 1998. – 672 с.
125. Электрические железные дороги [Текст]: учебник / под ред. проф. В.П.
Феоктистова, проф. Ю.Е. Просвирова. Моск. Ун-т путей сообщения: Самарская гос.
акад. путей сообщения. – Самара.: СамГУПС, 2006. – 312 с.
126. Электронный электротехнический журнал – «Я электрик» [Электронный ресурс] / Выпуск 6. 2007 г. – 73 с. – Режим доступа:
http:/www.electrolibrary.info/electric.html.
203
ПРИЛОЖЕНИЕ
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217