Наукові основи створення енергозберігаючих систем повітропостачання для локомотивів

4. Порівняльний аналіз енергетичних характеристик електроприводів вентиляторів для неперервних способів охолоджування ТСУ по розробленій методиці визначив, що розглянуті неперервні способи: частотний, зміною напруги (фазовий), зміною кута установки лопатей, а також гидрооб'ємний, мають незначну відмінність в середньоексплуатаційних витратах на привід вентиляторів, які не перевищують 10…15 % від номінальної потужності на валу вентиляторів. Вони практично рівноцінні по своїй енергетичній економічності в порівнянні з релейним приводом, тому при виборі типу електроприводу для тепловоза, що знову проектується або при модернізації приводу необхідно враховувати передусім конструктивні чинники і якість терморегулювання теплоносіїв ТСУ. Порівняльний техніко-економічний аналіз довів, що всі неперервно регульовані способи терморегулювання ТСУ з електроприводами вентиляторів при середньовсесвітних цінах на паливо мають позитивний економічний ефект з переважанням майже в два рази для регулювання зміною напруги на мотор-вентиляторі.

5. У цей час відсутні достовірні методики теоретичних і експериментальних досліджень неперервно регульованих напругою асинхронних мотор-вентиляторів з феромагнітними елементами в струмовому ланцюгу ротора, як регулюючого органу для енергозберігаючих систем енергопостачання охолоджуючих пристроїв локомотива. Це затруднює оцінку ефективності заходів, направлених на вдосконалення конструкції приводу вентилятора з метою поліпшення енергетичних властивостей. Теоретичні дослідження електромагнітних процесів в феромагнітних елементах струмового ланцюга ротора асинхронних мотор-вентиляторів (АМВ) методами теорії електромагнітного поля визначили розрахункові параметри АМВ з постійною магнітною проникністю по глибині феромагнітних елементів із з магнітною проникністю, що змінюється згідно з кривою намагнічення феромагнітного матеріалу. Обгрунтовано теоретично і експериментально підтверджено, що зміна магнітної проникності по глибині феромагнітних елементів збільшує розрахункові значення активного опору ротора в 1,78…1,85 рази, індуктивного опору ротора в 1,18…1,24 рази, коефіцієнта потужності ротора на 10…14 % (в залежності від ковзання ротора). Розроблена інженерна методика розрахунку характеристик АМВ, з урахуванням нелінійних властивостей феромагнітних елементів дає можливість розрахувати регулювальні і енергетичні характеристики АМВ з похибкою не більше за 12 % для масивного ротора і не більше за 15 % для комбінованого ротора.

6. Сконструйовано і виготовлено дослідні зразки асинхронних мотор-вентиляторів з феромагнітними елементами в струмовому ланцюгу ротора потужністю від 24 кВт до 100 кВт з синхронною частотою обертання 1200, 1500, 2000, 3000 об/хв як для систем охолоджування ТСУ, так і для охолоджування тягового енергоустаткування для тепловозів потужністю 2200, 2940, 4400 кВт в секції. Для експериментальних досліджень розроблена спеціальна стендова установка з вимірювальним комплексом. З її допомогою можливо дослідити енергетичні, регулювальні, динамічні (пускові), теплові характеристики АМВ як в номінальному режимі, так і при глибокому регулюванні частоти обертання зміною напруги або частоти струму на обмотці статора. Експериментальні дослідження за розробленой методикой визначили раціональні конструктивні параметри роторів. Для АМВ потужністю до 30 кВт при напівзакритих пазах статора доцільна двошарова та масивна конструкції ротора з несиметричними лобовими вильотами, причому феромагнітний шар ротора є і конструктивною частиною, до якої кріпиться вентиляторне колесо. При цьому досягається мінімальна маса, спрощується конструкція АМВ і поліпшуються умови охолоджування. Для АМВ потужністю 30…100 кВт з відкритими пазами статора - конструкція ротора з феромагнітними елементами, винесеними за область повітряного зазору через понадміру великі додаткові втрати в феромагнітних елементах від вищих зубцових гармонічних магнітного поля. Тому на основі результатів теоретичних і експериментальних досліджень розроблені і перевірені нові конструктивні рішення АМВ з використанням вентиляторного колеса як короткозамкненого кільця білячої клітки - з комбінованим ротором (захищено авторським свідоцтвом). Для електроприводів вентиляторів потужністю більше за 100 кВт доцільно застосовувати асинхронний двигун з фазним ротором з рекуперацієй втрат енергії ковзання ротора на тягу (захищено авторським свідоцтвом). Результати випробувань АМВ на стендах і тепловозах 2ТЕ116, 2ТЕ121, ТЕ127, ТЕ136 довели доцільність конструкцій, що пропонуються.

7. Розроблена методика теоретичного дослідження температурних режимів теплосилової установки (ТСУ) з багатоконтурними зв'язаними охолоджуючими пристроями (ОП) і неперервно регульованими напругою електромеханічними системами повітропостачання для експлуатаційних режимів роботи локомотива. Постановка і рішення необхідної для цього задачі уточнювалися з урахуванням експериментальних аеродинамічних характеристик ОП, регулювальних характеристик АМВ, теплотехнічних характеристик об'єктів охолоджування для різних значень потужності ТСУ і температури зовнішнього повітря в експлуатації тепловоза. Результати теоретичного аналізу, отримані при рішенні задачі неперервного регулювання температурних режимів теплосилового обладнання на ЕОМ з використанням математичних моделей ОП, АМВ в межах зміни температури зовнішнього повітря від до і зміні потужності ТСУ від неробочого ходу до номінального значення, визначили принципи створення наступних автоматичних систем керування:

комбінованої системи керування температурним режимом ТСУ з неперервним регулюванням АМВ від тиристорного перетворювача напруги (ТПН);

релейно-неперервної зв'язаної системи керування температурним режимом ТСУ при живленні АМВ від ТПН;

об'єднаної системи керування температурним режимом ТСУ і збудженням генератора енергопостачання локомотива (захищено авторським свідоцтвом);

об'єднаної електромеханічної системи керування повітропостачанням для охолоджуючих пристроїв теплосилового і тягового електрообладнання (захищено авторським свідоцтвом).

8. Розроблено комбіновану автоматичну систему регулювання температури (АСРТ) теплоносіїв ТСУ з фазовим керуванням АМВ і методику розрахунку настроювальних параметрів АСРТ для експлуатаційних режимів тепловоза при зміні температури зовнішнього повітря від - 40°С до +40°С і потужності ТСУ від неробочого ходу до номінального значення. Результати експериментальних досліджень розроблених комбінованих АСРТ на тепловозах 2ТЕ116 № 307, ТЕ136 № 002, з розрахованими за методикою параметрами АСРТ, підтвердили можливість отримання від'ємної статичної нерівномірності температури теплоносіїв ТСУ до 10°С при зміні потужності ТСУ від неробочого ходу до номінального значення. Це дає можливість підтримувати теплові характеристики стінок циліндрів ТСУ у вузькій межі, що підвищує економічність і надійність ТСУ. Час загасання перехідних процесів (швидкодія) при зміні навантаження ТСУ з швидкою зміною ефективної потужності ТСУ від неробочого ходу до номінального значення становить 150…200 с; динамічна помилка по температурі теплоносіїв практично зведена до нуля.

9. Внаслідок математичного моделювання ОП ТСУ в експлуатаційних режимах тепловоза і аналізу роботи тягового електроустаткування тепловоза в тягових і електродинамічних режимах гальмування розроблена об'єднана автоматична система керування температурним режимом ТСУ і збудженням генератора енергопостачання тепловоза, який використовується також для збудження тягового синхронного генератора. При цьому значно спрощується конструкція регулюючого органу (приводу вентилятора) - відсутні тиристорний перетворювач напруги для фазового регулювання або тиристорний перетворювач частоти для частотного регулювання, або складний механізм повороту лопатей при пневматичному регулюванні кутом установки лопатей АМВ. Експериментальні дослідження на тепловозі ТЕ136 № 002 підтвердили працездатність системи і задовільну якість терморегулювання теплоносіїв ТСУ (в межах 6°С при швидкій зміні реостатом ефективної потужності ТСУ від неробочого ходу до номінального значення потужності і обернено після сталого режиму терморегулювання).

10. Запропонована об'єднана система керування повітропостачанням охолоджуючих пристроїв (ОП) ТСУ і тягового електрообладнання (ТЕ) і розроблена математична модель системи з використанням реальних експлуатаційних режимів роботи зв'язаного охолоджуючого пристрою (ОП) ТСУ і динаміці теплових процесів ТЕ при експлуатаційних струмових навантаженнях. Аналіз структурних схем обгрунтував доцільність застосування дворядних ОП для ТСУ з перепуском теплоносіїв між контурами охолоджування і центральної повітряної системи (ЦПС) для охолоджування ТЕ. Внаслідок моделювання теплових процесів в ТСУ і ТЕ у реальних експлуатаційних режимах роботи тепловоза потужністю 2х2940 кВт з граничними ваговими нормами потягів 5400…5600 т на дільницях рушення III категорії складності, що мають схили 9 ‰, визначено, що при спільній витраті повітря на ТСУ і ТЕ при підтримці температури теплоносіїв ТСУ (води на виході 85°С, масла 65…70°С) максимальне перевищення температури обмоток тягових електричних машин над температурою охолоджуючого повітря не перевищувало 76…80°С при 140°С допустимих значень (при зміні температури зовнішнього повітря від -40°С до +40°С), максимальний нагрів вентилів тягової ВУ не перевищував 75°С в зоні регулювання () при 102°С допустимих значень.

11. Обгрунтована доцільність мікропроцесорної реалізації керування об'єднаною системою повітропостачання теплосилового і тягового електрообладнання, при цьому мікропроцесорний регулятор повітропостачання є складовою частиною регулятора всієї електроенергетичної системи локомотива.

12. Виконані дослідження відкрили додаткові можливості для досягнення наступних позитивних якостей сучасних тепловозів, що модернізуються, і перспективних тепловозів за рахунок вдосконалення систем керування повітропосточанням для охолоджуючих пристроїв теплосилового і тягового обладнання:

річна економія палива на одну секцію тепловоза потужністю 2647 кВт становить 23,5 тон, для тепловоза потужністю 2940 кВт - 70 тон, для тепловоза потужністю 4400 кВт - 130 тон;

підвищуються енергетичні властивості тепловозів за рахунок ефективної потужності ТСУ, що звільнюється, яка може бути використана для підвищення тягових властивостей від 2,0 % до 2,3 % для тепловозів потужністю 2940 кВт в секції і від 3,3 % до 3,9 % для тепловозів потужністю 4400 кВт в секції.

Використання рекомендацій що пропонуються в дисертації дозволяє забезпечити річний економічний ефект на одну секцію:

25000 грн для тепловоза 2ТЕ116 при відсутності регулювання витрат повітря на охолоджування тягових двигунів (ТД);

для тепловозів потужністю 2940 кВт - 140000 грн, 4400 кВт - 260000 грн при об'єднаній системі повітропостачання теплосилового і тягового обладнання (при ціні палива 2000 грн за одну тонну).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Захарчук А.С. Регулируемый асинхронный мотор-вентилятор (АМВ) с фазным ротором для тепловоза с рекуперацией энергии скольжения на тягу // Вісник Східноукраїнського Державного Університету.- Луганск: СУДУ. - Вып.4(8). - 1997. - С. 69-75.

2. Захарчук А.С. Исследование регулировочных характеристик мотор-вентилятора с двухслойным ротором: // Вісник Східноукраїнського Державного Університету. - Луганск: СУДУ. - 1998. - №1(11). - С. 184-192.

3. Захарчук А.С. Система управления процессами охлаждения тяговых электрических машин для пассажирских тепловозов // Проблеми електронної промисловості у перехідний період // Зб. наук. праць. - Луганск: СУДУ.-1998.- С 145-156.

4. Захарчук А.С. Режимы питания регулируемых асинхронных мотор-вентиляторов от тягового синхронного генератора при тяжелых условиях трогания тепловоза // Вісник Східноукраїнського Державного Університету. - Луганск: СУДУ. -1998. - Вып. 4(14). - С. 50-54.

5. Захарчук А.С, Колесниченко С.П. Определение параметров связанной системы терморегулирования тепловозного дизеля // Вісник Східноукраїнського Державного Університету. - Луганск: СУДУ. -1998. - Вып. 4(15) (вторая часть). - С. 171-179.

6. Захарчук А.С. Режимы питания регулируемых асинхронных мотор-вентиляторов от тягового генератора при электродинамическом торможении тепловоза // Вісник Східноукраїнського Державного Університету. - Луганск: СУДУ. -1999. - Вып. 1(16). - С. 165-170.

7. Голубенко А.Л., Захарчук А.С. Сравнительный технико-экономический анализ непрерывных способов терморегулирования теплоносителей тепловозного двигателя внутреннего сгорания // Вісник Східноукраїнського Державного Університету. - Луганск: СУДУ. -1999. - Вып. 2(17). - С. 154-162.

8. Захарчук А.С. Математическое моделирование охлаждающего устройства для автоматических систем регулирования температурного режима тепловозного двигателя внутреннего сгорания // Вісник Східноукраїнського Державного Університету. - Луганск: СУДУ. -1999. - Вып. 3(18). - С. 101-108.

9. Захарчук А.С, Бухтияров И.Ю. Эксплуатационные режимы питания мотор вентиляторов на тепловозах от тягового синхронного генератора // Вісник Східноукраїнського Державного Університету. - Луганск: СУДУ. -1999. - Вып. 4(19). - С.158-164

10. Захарчук А.С Управление асинхронными мотор-вентиляторами генератором электроснабжения тепловоза // Вісник Східноукраїнського Державного Університету. - Луганск: СУДУ. -1999. - Вып. 6(22). - С. 140-152.

11. Захарчук А.С Регулируемый напряжением обращённый асинхронный мотор-вентилятор с двухслойным ротором // Вестник Харьковского Государственного Политехнического Университета. - Харьков: ХГПУ. -1999. - Вып. 85. - С. 80-88.

12. Захарчук А.С Автоматическая связанная система управления охлаждением тепловозного дизеля с регулируемыми напряжением асинхронными мотор-вентиляторами: // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте.-1999.-№3.-С.89-92

13. Голубенко А.Л, Захарчук А.С. Перспективы микропроцессорной реализации автоматических энергосберегающих систем воздухоснабжения для тепловозов // Технические науки, транспорт // Сб. научн. трудов. - Луганск: СУДУ.-1999.- С 6-13.

14. Захарчук А.С. Объединённая автоматическая система управления температурным режимом теплосиловой установки и возбуждением генератора энергоснабжения тепловоза. // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте.-2000.-№1.-С.80-83.

15. Захарчук А.С. Определение расчётных параметров комбинированного ротора асинхронного мотор-вентилятора // Вісник Східноукраїнського Державного Університету. - Луганск: СУДУ. -2000. - Вып. 1(23). - С.85-96.

16. Захарчук А.С. Методика расчёта характеристик асинхронного мотор-вентилятора с комбинированным ротором // Вісник Східноукраїнського Державного Університету. - Луганск: СУДУ. -2000. - Вып. 3(25). - С.203-211.

17. Захарчук А.С. Регулируемые напряжением асинхронные мотор-вентиляторы с ферромагнитными элементами в обмотке ротора // Прогрессивные технологии и системы машиностроения // Сб. науч. тр.- Донецк: ДонГТУ.-2000.- Вып. 9. - С .77-83.

18. Захарчук А.С. Повышение экономичности системы охлаждения тяговых электрических машин для магистральных грузовых тепловозов. // Вестник Харьковского Государственного Политехнического Университета. - Харьков: ХГПУ. -2000. - Вып. 89. - С. 120-125

19. А.с. 1787812 СССР, МКИ 860/06. Устройство для охлаждения тяговых двигателей питающихся через выпрямитель от четырехпроводной трехфазной сети /А.С. Захарчук (СССР). - №4875798/11; Заявлено 17.10.90; Опубл. 15.01.93, Бюл.№2. -4 с.

20. А.с. 1791220 СССР, МКИ В61 С5/02. Устройство для регулирования температуры силовых агрегатов тепловоза/А.С. Захарчук, С.В. Зайцев, С.П. Колесниченко (СССР).- №481 5514/11; Заявлено 17.04.90; Опубл. 30.01.93, Бюл. №4.-5 с.

21. А.с. 1700693 СССР, МКИ Н02К 7/14. Асинхронный мотор-вентилятор / А.С. Захарчук, С.А. Прокопенко, И.Ю. Бухтияров (СССР). - №4755220/07; Заявлено 31.10.89; Опубл. 23.12.91. Бюл.№47. - 4 с.

АНОТАЦІЯ

Захарчук О.С. Наукові основи створення енергозберігаючих систем повітропостачання для локомотивів. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.22.07 - Рухомий склад залізниць і тяга поїздів. - Східноукраїнський національний університет. Луганськ, 2000.

Приведено основні результати робіт, пов'язаних з підвищенням економічності перспективних локомотивів і таких, що модернізуються, за рахунок застосування енергозберігаючих електромеханічних систем повітропостачання для охолоджуючих пристроїв. Показано, що застосування неперервно регульованих напругою електромеханічних систем повітропостачання з асинхронними мотор-вентиляторами з феромагнітними елементами в струмовому ланцюгу ротора додає системам повітропостачання нові інтегративні властивості. Дано теоретичний аналіз робочих процесів в основних вузлах і в перспективних електромеханічних системах повітропостачання загалом, приведені результати експериментальних досліджень на натурних стендах і на локомотивах.

Уперше вирішена проблема поліпшення енергетичних властивостей локомотивів створенням об'єднаної системи керування повітропостачанням охолоджуючих пристроїв (ОП) теплосилового і тягового обладнання локомотива.

Ключові слова: локомотив, система повітропостачання, теплосилова установка, тягове обладнання, охолоджуючий пристрій, асинхронний мотор-вентилятор.

АННОТАЦИЯ

Захарчук А.С. Научные основы создания энергосберегающих систем воздухоснабжения для локомотивов. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук по специальности 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов - Восточноукраинский национальный университет. Луганск, 2000.

Приведены основные результаты работ, связанных с повышением экономичности модернизированных и перспективных локомотивов за счёт применения энергосберегающих электромеханических систем воздухоснабжения для охлаждающих устройств. Показано, что применение непрерывно регулируемых напряжением электромеханических систем воздухоснабжения с асинхронными мотор-вентиляторами с ферромагнитными элементами в токовой цепи ротора придаёт системам воздухоснабжения новые интегративные свойства. Дан теоретический анализ рабочих процессов в основных узлах и в перспективных электромеханических системах воздухоснабжения в целом, приведены результаты экспериментальных исследований на натурных стендах и на локомотивах.

Обоснованы научные принципы усовершенствования систем воздухоснабжения с целью повышения экономичности локомотива за счет технических решений, направленных на создание непрерывно регулируемых напряжением электромеханических систем с асинхронными мотор-вентиляторами с ферромагнитными элементами в токовой роторной цепи.

Развит теоретический аппарат исследования и расчета регулируемых напряжением асинхронных мотор-вентиляторов с ферромагнитными элементами в токовой роторной цепи.

Разработаны математические модели электромеханических преобразователей энергии для систем воздухоснабжения для охлаждающих устройств, теоретически определены их статические и экспериментально динамические характеристики как регулирующих органов для автоматических систем регулирования температурных режимов теплосилового и тягового оборудования.

Выполнено теоретический анализ режимов работи связанных двухконтурных охлаждающих устройств ТСУ с непрерывно регулируемыми напряжением мотор-вентиляторами для эксплуатационных режимов работи ТСУ и эксплуатационных температур наружного воздуха; в результате анализа обосновано создание объединенной системы регулирования температурными режимами ТСУ и регулирования возбуждения генератора энергоснабжения локомотива (от которого возбуждается тяговый генератор через управляемый возбудитель), что дает возможность исключить дорогостоящие, сложные промежуточные преобразователи (напряжения или частоты) в силовых цепях для регулирования частоты вращения мотор-вентиляторов.

Разработан принцип построения и методика расчета настроечных параметров комбинированной автоматической системы регулирования температуры теплоносителей ТСУ с регулируемыми асинхронными мотор-вентиляторами при питании от тиристорного преобразователя напряжения.

Разработаны методы расчета и исследования эффективных структур объединенных электромеханических систем управления воздухоснабжением охлаждающих устройств теплосилового и тягового оборудования.

Практическое значение полученных результатов содержится в разработке методов расчета, в экспериментальных исследованиях энергосберегающих систем воздухоснабжения для локомотивов и способах их технической реализации. Основные выводы и рекомендации автора использованы при создании энергосберегающих систем регулирования температуры теплоносителей ТСУ для тепловозов 2ТЭ116, ТЭ136, ТЭ127, которые прошли реостатные и поездные испытания, что подтверждает эффективность предложенных технических решений. Разработанный и изготовленный на ХК "Лугансктепловоз" ряд регулируемых напряжением асинхронных мотор-вентиляторов мощностью от 24 до 100 кВт с номинальными частотами вращения 1200, 1500, 2000, 3000 об/мин как для тепловозов, которые эксплуатируются в Украине (2ТЭ116), так и для перспективных, которые проектируются.

На основе полученных в работе результатов даны рекомендации по созданию энергосберегающих электромеханических систем воздухоснабжения для охлаждающих устройств.

Ключевые слова: локомотив, система воздухоснабжения, теплосиловая установка, тяговое оборудования, охлаждающее устройство, асинхронный мотор-вентилятор.

THE SUMMARY

Zaharchyk A.S. Scientific bases for creating power reserve of systems airdelivery for locomotives. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the doctor of engineering science on a speciality 05.22.07 - Railroad rolling stock and traction of trains - East Ukrainian national university. Lugansk, 2000.

The basic results of the works connected to increase of profitability of modernized and perspective locomotives at the expense of application power reserve of electromechanical systems airdelivery for cooling devices are given. From uniform methodological positions the possible variants of construction of more perfect electromechanical systems airdelivery are analysed in view of specificity of their application on locomotives. Is shown, that the application of electromechanical systems, smoothly adjustable by a voltage, airdelivery with asynchronous motors - fans with ferromagnetic by elements in current of a circuit of a rotor gives to systems airdelivery new integration properties. The theoretical analysis of working processes in the basic sites and in perspective electromechanical systems of airdelivery as a whole is given, the results of experimental researches on natural stands and on locomotives are given. On the basis of the results, received in work, the recommendations for creation power reserve of electromechanical systems airdelivery for cooling devices are given.

Keywords: locomotive, system airdelivery, warmthenergy installation, traction equipment cooling device, asynchronous motor - fan.

Размещено на Allbest.ru