В М Безрученко - Експуатаційна завантаженість струмом та витрати охолоджуючого повітря тягових двигунів - страница 1

Страницы:
1 

(юза) колесных пар электроподвижного состава с тяговым вентильно-индукторным электроприводом.

Ключевые слова: реактивный индукторный двигатель, вентильно-индукторньш элек­тропривод, боксование колесных пар.

Influence of voltage and current impulses variation, directed to traction switched reluctance motor windings, on the spinning processes of the electric rolling-stock wheel-sets is consid­ered.

Keywords: valve-inductor drive, switched reluctance motor, spinning of the wheel-sets. Киреев А.В. - к.т.н., директор НИР и ИЦ ОАО «ВЭлНИИ» г. Новочеркасск, Россия; Рецензент: д.т.н. В.Г. Щербаков.

УДК 629.423.31

Безрученко В.М., Варченко В.К., Гарцев Б.О., Чумак В.В.

м. Дніпропетровськ

ЕКСПУАТАЦІЙНА ЗАВАНТАЖЕНІСТЬ СТРУМОМ ТА ВИТРАТИ ОХОЛОДЖУЮЧОГО ПОВІТРЯ ТЯГОВИХ ДВИГУНІВ

Визначена залежність тепловіддачі колекторних тягових двигунів від кількості охолоджуючого повітря. Розглянута специфіка роботи тягових агрегатів на ГЗК, яка є циклічною, що дозволяє знайти еквівалентне навантаження. Визначена зале­жність необхідних витрат охолоджуючого повітря від цього завантаження та дані рекомендації на зменшення потужності електродвигунів вентиляторів. Ключові слова: тяговий двигун, теплопередача, питомі втрати, метод еквівалент­них величин, економія енергії.

Метою цієї роботи є обґрунтування можливості зменшення кількості охолоджуючого повітря в деяких експлуатаційних умовах та, як наслідок, зменшення потужності двигунів венти­ляторів з відповідним зменшенням споживання електричної енергії. Але спочатку треба розгля­нути питання: як залежить перегрів (перевищення температури машини над температурою ото­чуючого середовища) від кількості цього повітря.

Як відомо, втрати потужності в електродвигунах складаються з суми постійних ро та змінних втрат рм, останні пропорційні квадрату струму навантаження І .

Таким чином, сумарні втрати Ер = ро + рм = Ро +     Рм.ном. , (1) де kH - коефіцієнт навантаження [1], а рм.ном - струмові (змінні) втрати в номі-

1ном

р

нальному режимі. Відношення а =о— зветься коефіцієнтом втрат [2].        Нами було

рм.ном

проведено аналіз випробувань ряду тягових електродвигунів : СТК520 та ДТК800КС Смі-лянського електромеханічного заводу (СЕМЗ), ЕД141 Харківського заводу «Електроважмаш», НБ511 і НБ514 Новочеркаського електровозобудівного заводу. Цей аналіз дозволяє встанови­ти, що у всіх вищезгаданих тягових електродвигунах коефіцієнт втрат а знаходиться у межах 0,33...0,34. Тоді рівняння (1), для номінального режиму, можна записати наступним чином :

2 рном = рном (1 + а) = 1.34 рном (2) Відомо також, що перегрів будь-якої обмотки визначається сумою втрат і згідно з теорією нагрівання електричних машин [1] рівняння нагріву має вигляд :

Updt - A xdt = Cdx

(3)

де Ер - сума втрат у двигуні, A - тепловіддача, тобто кількість теплоти, що віддає двигун у навколишнє середовище за одиницю часу при різниці температур 1°C, т - перегрів, C - повна теплоємність двигуна.

Кінцевий (усталений) перегрів над температурою оточуючого середовища, коли di = 0

„ _5>

A

(4)

C

а постійна часу нагрівання Т _ a . (5)

Звичайно, будь-який локомотив працює зі змінним навантаженням, і часто робота його тягових двигунів характеризується однаковими циклами навантаження, особливо, якщо це кар'єрний тяговий агрегат, у якого порівняно коротка довжина пробігу і величина пере­гріву буде квазіусталеною.

Навантаження тягового двигуна у цьому випадку можна розрахувати за мето­дом еквівалентних величин [2], тобто еквівалентний за нагрівом струм:

I _к Mft, < Іе (6)

ц

або, як відомо,

II ■ t, + 122 - 2

± Ком. (7)

уст.

/-І

І

Використаємо вищевикладене для аналізу роботи реальних тягових агрегатів та їх системи охолодження, що працюють на відкритих гірничодобувних підприємствах Украї­ни.

Тягові агрегати постійного та змінного струмів, що випускаються НВК «Електро­возобудування», оснащені тяговими двигунами НБ-5І1 або аналогічними їм за габаритни­ми параметрами та характеристиками СТК-520.

Двигуни мають наступні номінальні параметри:

- потужність годинного режиму - Р = 525 кВт;

- напруга на колекторі - U = 1475 В;

- струм годинний/тривалий - І = 380/345 А;

- ступінь номінального ослаблення збудження - в = 0,97;

- частота обертання у годинному режимі -п = 680 хв-1;

- кількість охолоджуючого повітря - Q = 65 м3/хв; Усталені перегріви обмоток:

- головних полюсів - тустгл = 155°С;

- додаткових полюсів та компенсаційної обмотки - туст.йк=122°С;

- якоря - тустя = 108°С.

На ГКЗ міста Кривий Ріг визначена навантажувальна діаграма тягового агре­гату, наведена в табл. 1.

У тягових двигунів електровозів постійна часу нагріву складає приблизно Г = 60хв., а усталений перегрів наступає через (3...4)Г [1]. Тобто перегрів у кінці приведе­ного циклу робіт буде квазіусталеним.

Таблиця 1

режиму робо-

Режими роботи

Струм тягового

Час, хв.

ти

 

двигуна, А

 

1

Завантаження

100

55

2

Очікування руху

0

10

3

Рух

450

15

4

Очікування руху

0

5

5

Рух

350

20

6

Розвантаження

100

35

7

Рух

150

25

8

Очкування завантаження

0

20

На основі методу еквівалентних величин згідно з виразом (7) визначимо екві­валентний струм для циклу табл..1:

1002 ■ 55+4502 -15+3502 ■ 20+1002 ■ 35+1502 ■ 25 185

= 193,8А

Приймаємо Іг = 200А.

Очевидно, отриманий еквівалентний стум значно менше струму номінального ре­жиму. Але при цьому двигуни вентиляторів, працюючи на повну потужність, подають у кожний тяговий двигун Q= 65 м3/хв. повітря. Проаналізуємо цю обставину.

Якщо зменшити подачу охолоджуючого повітря у двигун, буде зменшуватись те­пловіддача "А", а для збереження незмінного перегріву згідно з (3) та (4) повинно також пропорційно зменшуватись і значення втрат " Хр".

Наводимо залежність А(О) тільки для тягового двигуна СТК520. Решта згаданих дви­гунів мають аналогічні показники.

Відомо, що кваліфікаційні випробування будь-якого тягового двигуна виконуються з різною кількістю охолоджуючого повітря Результати цих випробувань надані у таблиці 2. Слід відзначити, що незалежно від кількості охолоджуючого повітря, режим наванта­ження двигуна залишався однаковим зі струмом номінального режиму.

Таблиця 2

Кількість повітря у відсотках

100

76

55

0

 

Перегрів, °С

155

168

182

203

Головні полюси

a    _ ^р Вт/

лт ~        ■> /°с

40,41

37,28

0,85

0,76

Додаткові полюси і к.о.

Перегрів, °С

122

140

154

180

 

a    _ Sр Вт /

лт ~        ' /ос Т

20,12

17,5

0,79

0,68

 

Перегрів, °С

108

126

144

168

Якір

a    _ ^р Вт /

лгп ~        ' /ос

118,6

101,6

0,75

0,64

Слід додати, що у обмотках головних полюсів та додаткових з компенсаційною обмо­ткою є тільки електричні втрати потужності I2R, а обмотка якоря нагрівається сумою елект­ричних та магнітних втрат, яка і прийнята для розрахунків тепловіддачі "А" у табл. 2.

Як бачимо з табл. 2, відповідне зменшення тепловіддачі "А" за відсутністю охоло­джуючого повітря, якщо прийняти номінальне значення за одиницю, для усіх обмоток дуже близькі і дорівнюють відповідно 0,76; 0,68; 0,64.

Аналогічна картина і для іншої кількості повітря.

Все це підтверджує, що тяговий двигун можна розглядати як однорідне тверде тіло, у якого при відсутності примусового охолодження, відносне значення тепловід­дачі дорівнює:

А 0,76 + 0,68 + 0,64 ЛАо _-3-_ 0,69

Аналогічні результати одержані нами для усіх вище згадуваних тягових двигу­нів.

Оскільки бажано використовувати результати цих аналізів для будь-яких тягових дви­гунів, з метою певного запасу для подальших досліджень приймаємо значення

А =0,65 (8)

Аналогічно виконано аналіз даних для іншої кількості охолоджуючого повітря, що дало змогу за даними табл. 2 побудувати загальний графік "А^)" у відносних одиницях при збережені незмінного значення перегріву. Графік залежності "А^)", наведений на рис. 1, мо­жна використовувати для будь-яких колекторних тягових електродвигунів.

Отже, тепловіддача двигуна зменшується за зменшенням кількості охолоджу­ючого повітря і, коли його немає зовсім (Q=0) ; Ао= 0,65, коли Q=0,3 відповідне йому значення А03 = 0,7 , а коли Q=0,5 - А05 = 0,76.

0 0,2 QA    Ляп Ofi 01 1,2

Рис. 1

Оскільки при будь-якій кількості охолоджуючого повітря усталений перегрів повинен залишитися незмінним, то згідно з рівняннями (3) і (4) сумарні втрати у дви­гунів при відсутності охолодження повинні бути зменшені до рівня 0,б5Хриом, де Ерном - сумарні втрати у номінальному режимі при повній кількості охолоджуючого повітря, тобто при Q=1,0. При цьому дещо змінюється значення коефіцієнта втрат а. Але у першому наближенні цими змінами можливо  знехтувати, тим паче, щовплив на нагрів постійних втрат у цілому на машині дуже малий і іноді, коли а < 0,35, його можна не враховувати. Тому збережемо значення коефіцієнта а незмінним.

З урахуванням рівняння (8), а також умови зниження сумарних втрат при відсу­тності примусової вентиляції, тобто при Q=0, можна записати, що нова сума втрат повинна бути

0,652ри„м. = £ра (9) Очевидно £риом. > £ро , або з урахуванням виразів (5) та (9), отримаємо: (1+ а;>0,65рм.иом.(1+ а)= рм.0 (1+ а),

(10)

де рм.0 - змінні втрати при відсутності охолодження.

Якщо Q = 0, то, оскільки рм.иом =І2иомі, з рівняння (10) виходить, що рм0=0,65рмиом або I20R=0,65 f^Ji, тобто струм навантаження без охолодження повинен бути не більше ніж:

/0=/ио^0,65=0,8 Іиом. (11)

Отримане рівняння (11) було перевірено експериментально і практичні резуль­тати співпали з теоретичними висновками.

Аналогічний висновок можна зробити для будь-якої кількості охолоджуючого повітря, використовуючи графік на рис.1.

Так, наприклад, для збереження перегріву незмінним і кількості повітря Q   =   0,33   згідно   з   виразом   (11),      струм   при   такій   вентиляції складе

І0зз Іиом

^0,71 =0,843 IHOM.

Отже, допустимий струм тривалого режиму тягового двигуна СТК520 при від­сутності примусового охолодження буде згідно з (11) І0 =0,8Іиом = 0,8-345 = 276А, а його еквівалентний струм згідно з режимом табл. 1 і рівнянням (7) складає 200А. Тоб­то, двигун за циклом табл. 1 може працювати взагалі без примусового охолодження.

Проте, ми не вважаємо за можливе через цілий ряд причин, які викликані осо­бливостями експлуатації електрорухомого складу, повністю відмовитись від примусо­вого охолодження будь-яких тягових двигунів і рекомендуємо зберегти подачу повіт­ря у кількості Q = 0,33 в.о. Для навантажувального циклу за табл. 1 двигуна СТК520 це складе приблизно 22 м3/хв., буде відповідати новим допустимим струмам тривалого режиму І0зз = 290А, що значно перевищує струм еквівалентного за нагрівом режиму, який визначено за виразом (7).

Очевидно, якщо подача повітря може бути скорочена, то відповідно повинні бути скорочені і кутові швидкості вентиляторів.

Зробимо попередні підрахунки економічної вигоди, що можна отримати із та­кого зниження потоку охолоджуючого повітря тягових двигунів.

Тягові двигуни на тягових агрегатах мають примусове охолодження, що забез­печується вентиляторами, які приводяться в рух електричними двигунами постійного струму потужністю 36 кВт - на агрегатах постійного струму та асинхронними двигу­нами потужністю 55 кВт - на агрегатах змінного струму.

На кожному агрегаті застосовано по шість двигунів-вентиляторів для охоло­дження тягових двигунів. Вище доведено, що для реального циклу роботи тягового агрегату зниження потоку охолоджуючого повітря для тягових двигунів СТК-520, з номінального до значення, що становить 1/3 номінального, є допустимим. Тому мо­жна визначити кутову швидкість приводного двигуна вентилятора, щоб забезпечити оптимальні значення потоків охолоджуючого повітря.

З проведених нами розрахунків можна сказати, що ця величина може бути отримана при зменшені номінальної частоти обертання двигуна у 3 рази. Таке змен­шення швидкості легко реалізується тому, що 6 двигунів-вентиляторів постійного струму легко за схемним рішенням перетворити у дві групи по три машини послідов­но. А для асинхронних двигунів існує надійний та дешевий перетворювач частоти із 50 Гц до 16 % Гц, який з успіхом експлуатується на магістральних електровозах змінного струму.

Як відомо [1], виробність вентилятора пропорційна частоті обертання, а поту­жність, що споживається - кубу частоти обертання, тобто Р ~п3. Тому при зменшені частоти обертання в три рази потужність двигуна вентилятора зменшиться у 27 разів. Слід додати, що оскільки ми не врахували неминучість зменшення ККД, деякі втрати та відхилення, ефективність зменшення потужності слід приймати не у 27, а близько 20 разів. Але і ця величина є достатньо великою, якщо підрахувати економію електроене­ргії, вважаючи, що тяговий агрегат за добу робить трохи більше за чотири цикли. Але це вже тема іншого дослідження.

Висновок

1. При циклічній роботі тягових двигунів, встановлених на тягових агрегатах, можливе зниження витрат охолоджуючого повітря і отримання економії електроенер­гії по електродвигунам вентиляторів.

2. Для остаточного прийняття рішення по необхідній кількості охолоджуючого повітря при циклічній роботі тягового двигуна необхідно перевірити його перегрів при максимальному струмі і відповідному йому часі в циклі. Перевірка проводиться по експериментальній кривій нагріву двигуна при відповідній кількості охолоджу­ючого повітря. При цьому перегрів двигуна не повинен перевищувати допустимий.

Література

1. Безрученко В.М., Варченко В.К., Чумак В.В. Тягові електричні машини електрорухо­мого складу - Д.: Видавництво Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту ім.. ак. В.Лазаряна, 2003.-252с.

2. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общай курс электропривода - М.: Энергоиздат, 1981. -

576с.

Определена зависимость теплоотдачи коллекторных тяговых двигателей от количества охлаждающего воздуха. Рассмотрена специфика работы тяговых агрегатов на горно­обогатительных комбинатах, которая является цикличной, что позволяет найти эквива­лентную нагрузку. Определена зависимость необходимого расхода охлаждающего возду­ха от этой нагрузки и даны рекомендации по уменьшению мощности электродвигателей вентиляторов.

The dependence of heat emission of collector tractive engines on the quantity of cooling air has been defined. Specificity of tractive aggregates operation on mining-and-processing integrated works has been observed; it is cyclic and this allows to find an equivalent load. The dependence of essential consumption of cooling air on this load has been defined and the references on decreasing of fans electric motors capacity were given.

Key words: tractive engine, heat transference, specific losses, method of equivalent quantity, energy savings.

Безрученко В.Н. - к.т.н., професор кафедри «Електропривод» Дніпропетровського на­ціонального університету залізничного транспорту ім. В. Лазаряна м. Дніпропетровськ

Варченко В.К. - к.т.н., доцент, генеральний конструктор ДП «НВК «Електровозобуду­вання» м. Дніпропетровськ

Гарцев Б.А. - магістрант Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту ім. В. Лазаряна м. Дніпропетровськ

Чумак В.В. - к.т.н., доцент, генеральний директор ДП «НВК «Електровозобуду-

вання»

Рецензент: технічний директор ДП «НВК «Електровозобудування» Олівсон В.М.

Вісник СНУ ім. В. Даля - № 4 (158) - Частина 1 - 2011

Страницы:
1 


Похожие статьи

В М Безрученко - Експуатаційна завантаженість струмом та витрати охолоджуючого повітря тягових двигунів