Введение к работе
Актуальность. В «Энергетической стратегии ОАО «РЖД» на период до 2010 года и на перспективу до 2030 года» отмечается необходимость снижения энергоемкости перевозочного процесса и удельных затрат на энергопотребление в сфере тяги и улучшения тягово-энергетических характеристик локомотивов за счет модернизации эксплуатируемого парка тягового подвижного состава путем перехода на коммутационное электрооборудование на основе силовых полупроводниковых приборов.
Технические средства железнодорожного транспорта характеризуются высокой степенью физического износа, что обуславливает дополнительные затраты на эксплуатацию и ремонт электрического подвижного состава (ЭПС). Одной из причин неудовлетворительного технического состояния электровозного парка, ведущей к увеличению отказов тяговых двигателей (ТЭД), является полная или частичная неукомплектованность локомотивов индуктивными шунтами. Например, на Красноярской ж. д. только 12% электровозов серии ВЛ80С и ВЛ80Т эксплуатируются с индуктивными шунтами. В локомотивном депо Кандалакша (ТЧ-27) Октябрьской ж.д. 7% электровозов данных серий индуктивными шунтами не оборудованы. Потребность в индуктивных шунтах в депо Вологда (ТЧ-11) Северной ж.д. составляет почти 100%.
Компания ОАО «РЖД» заинтересована в создании альтернативных морально устаревшим системам с индуктивным шунтом систем ослабления возбуждения с меньшей стоимостью, массой и габаритами.
Предлагаемая полупроводниковая система ослабления возбуждения электровозов переменного тока с коллекторными тяговыми двигателями позволяет снизить вероятность коммутационных перегрузок тяговых двигателей при возникновении нестационарных режимов работы за счет высокого быстродействия электронных ключей.
Целью работы является снижение перегрузки тяговых двигателей электровозов переменного тока в нестационарных режимах при ослабленном возбуждении.
Объектом исследования является тяговый двигатель электровоза переменного тока в режиме ослабленного возбуждения.
Предметом исследования является безындуктивная система ослабления возбуждения тяговых двигателей, обеспечивающая требуемые характеристики электровозов переменного тока.
Основные задачи исследования:
- разработка требований к безындуктивной системе ослабления возбуждения тяговых двигателей;
- обоснование требуемых параметров полупроводниковых приборов для систем ослабления возбуждения и оценка их влияния на характеристики ТЭД;
- экспериментальные исследования безындуктивных систем ослабления возбуждения на основе полупроводниковых приборов;
- разработка математической модели для исследования нестационарных режимов работы тяговых двигателей с безындуктивными шунтами.
Методика исследований. В диссертационной работе использовались методы расчета электрических цепей, теория электрической тяги, экспериментальные исследования и математическое моделирование с помощью компьютерных программ MatLab, Simulink.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
-
Предложен алгоритм управления полупроводниковым ключом, реализующим работу тяговых двигателей в нестационарных режимах с минимально допустимым коэффициентом регулирования возбуждения. Для уменьшения вероятности возникновения кругового огня по коллектору обеспечен принудительный перевод двигателя на полное возбуждение в нестационарных режимах.
-
Показано, что разработанная система ослабления возбуждения на полностью управляемых полупроводниковых приборах совместима со штатной схемой реостатного торможения.
-
Оценено влияние параметров силовых полупроводниковых приборов на тяговые характеристики двигателей в режиме ослабленного возбуждения, наибольшее расхождение которых относительно штатных составляет для транзисторов IGBT 3-4% и 1-2% для транзисторов MOSFET.
-
Показано, что применение транзисторов MOSFET в схеме безындуктивного шунта не требует корректировки величины сопротивления резисторов ослабления возбуждения.
Практическая ценность работы:
1. Разработан безындуктивный шунт на основе управляемого полупроводникового прибора для электровозов переменного тока ВЛ80С, ВЛ80Т.
2. Показана возможность снижения удельных показателей массы шунта и капитальных затрат на систему ослабления возбуждения тяговых двигателей электровозов переменного тока за счет применения полупроводниковых приборов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Целесообразность использования полупроводниковых приборов в системах ослабления возбуждения тяговых двигателей взамен индуктивных шунтов.
2. Рекомендации по выбору параметров полупроводниковых приборов в системах ослабления возбуждения электровозов переменного тока.
3. Алгоритм работы безындуктивного шунта для электровозов переменного тока.
3. Результаты математического моделирования нестационарных режимов работы тягового двигателя при ослабленном возбуждении с безындуктивным шунтом.
4. Результаты экспериментальных исследований безындуктивных систем ослабления возбуждения.
Достоверность основных теоретических положений и работоспособность предложенных технических решений подтверждена результатами экспериментальных исследований макетных образцов на лабораторном стенде, испытательной станции локомотивного депо и электровозе переменного тока ВЛ80С-2031. Расхождение расчетных и экспериментальных данных коэффициентов регулирования возбуждения не превышает 9%. На схемные решения безындуктивных шунтов получены три патента на полезные модели.
Реализация и внедрение результатов работы: изготовлен и испытан в экспериментальных поездках на электровозе ВЛ80С-2031 безындуктивный шунт на основе управляемого полупроводникового прибора.
Апробация работы: диссертационная работа обсуждалась на заседаниях кафедры «Электрическая тяга» в 2007 - 2010 годах. Основные результаты работы прошли апробацию на: научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Шаг в будущее», Санкт-Петербург, ПГУПС в 2006 - 2010 годах; Международных симпозиумах «Eltrans’ 2007, 2009», СПб, ПГУПС, 2007, 2009; Всероссийской научно-технической конференции «Транспорт, наука, бизнес: проблемы и стратегия развития», – Екатеринбург, УрГУПС, 2008; Международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки, – Хабаровск, ДВГУПС, 2008; Международной конференции «Современные технологии – транспорту», СПб, ПГУПС, 2009.
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 15 печатных работах, из них 2 публикации в изданиях, которые входят в перечень, рекомендованный ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.
Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 161 страница состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников (142 наименования) и 7 приложений. Работа содержит 31 таблицу и 100 рисунков.
