Генератор подпитки тяговых двигателей тепловоза тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат технических наук Елкин, Сергей Николаевич

• Елкин, Сергей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Елкин, Сергей Николаевич

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса и постановка задач исследований.

Глава 2. Математическое моделирование электромагнитных процессов в униполярном индукторном генераторе при работе на активно-индуктивную нагрузку.

2.1 Устройство генератора.

2.2 Построение математической модели.

2.3 Численная реализация математической модели на компьютере.

2.3.1 Расчет переходных характеристик намагничивания зубцовой зоны методом конечных элементов.

2.3.2 Аппроксимация характеристик элементов схемы замещения магнитной системы ГП.

2.3.3 Линеаризация нелинейных элементов.

2.3.4 Определение начальных значений потокосцеплений.

2.3.5 Алгоритм расчета электромагнитных процессов.

2.4 Оценка достоверности разработанной математической модели, алгоритма и расчетной программы.

2.5 Выводы.

Глава 3. Расчет генератора подпитки с учетом особенностей включения в силовую сеть тепловоза.

3.1 Краткая характеристика работы ГП в составе системы подпитки.

3.2 Математическое моделирование электромагнитных процессов в ГП.

3.2.1 Построение математической модели.

3.2.2 Алгоритм расчета электромагнитных процессов в генераторе подпитки.

3.2.3 Оценка достоверности разработанной математической модели, алгоритма и расчетной программы.

3.2.4 Расчет контура возбуждения.

3.3 Расчет ГП.

3.3.1 Предварительный выбор основных размеров.

3.3.2 Выбор рациональной геометрии зубцовой зоны.

3.3.3 Расчет переходных характеристик намагничивания зубцовой зоны.

3.3.4 Расчет индуктивностей пазовых и лобовых рассеяний.

3.3.5 Расчет электромагнитных процессов.

3.3.6 Укладка провода в пазу.

3.3.7 Расчет геометрических размеров контура возбуждения.

3.3.8 Расчет потерь в стали.

3.3.9 Определение потерь генератора.

3.3.10 Тепловой расчет.

3.4 Результаты расчетов ГП с разными вариантами зубцовых зон.

3.5 Вопросы конструкции подшипниковых узлов.

3.6 Выводы.

Глава 4. Расчет генератора подпитки с емкостной компенсацией.

4.1 Способы получения форсированного тока генератора в пусковых режимах тепловоза.

4.2 Построение математической модели и алгоритма для расчета ГП с продольной емкостной компенсацией.

4.3 Расчет электромагнитных процессов в ГП с продольной емкостной компенсацией.

4.4 Результаты расчетов ГП, имеющих продольную емкостную компенсацию, с разными вариантами зубцовых зон.

4.5 Вопросы выбора компенсирующих конденсаторов.

4.6 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Генератор подпитки тяговых двигателей тепловоза»

В тепловозных дизельных электроэнергетических установках рекомендуется применение системы получения дополнительной электроэнергии за счет использования остаточной энергии выхлопных газов. В этом случае выхлопными газами приводится во вращение специальная силовая турбина с электрогенератором на валу, а полученная электрическая энергия используется для подпитки тяговых двигателей постоянного тока. По оценкам специалистов ВНИ-ИЖТа и Коломенского тепловозостроительного завода, применение такой системы на магистральном тепловозе позволит сэкономить до 5 % дизельного топлива. На тепловозе типа ТЭП-70 генератор подпитки (ГП) должен работать с частотой вращения силовой газовой турбины 10. 12 тыс. об/мин, иметь мощность до 200 кВт, при напряжении в силовой сети постоянного тока от 300 до 800 В. Мощность главного генератора достигает 2600 кВт.

В настоящей работе предлагается создание ГП на основе униполярного индукторного генератора. В этом случае ГП подключается через диодный выпрямитель к силовой сети постоянного тока. Главными достоинствами генератора индукторного типа являются конструктивная и технологическая простота, повышенная надежность, прочный ротор, допускающий повышенные частоты вращения. Это обеспечивает его высокую конкурентоспособность по отношению к другим типам генераторов.

При пониженном напряжении в силовой сети тепловоза с целью предотвращения аварийного разгона силовой турбины ГП должен работать с мощностью равной номинальной. При этом ток якорной обмотки в несколько раз превышает номинальный. Режим работы ГП с большими токами якоря наиболее сложен для расчета, поскольку он характеризуется существенным влиянием степени насыщения магнитной системы генератора на величину тока. Для снижения массы ГП может использоваться емкостная компенсация фазных индук-тивностей путем включения последовательно с обмотками якоря компенсирующих конденсаторов.

В существующей литературе недостаточно отражены вопросы электромагнитного расчета индукторных генераторов в режимах с повышенным током якоря, при использовании традиционных методов расчета нет возможности достаточно точно учесть особенности подключения ГП через выпрямитель к сети большой мощности.

В работе рассмотрены вопросы расчета электромагнитных процессов и проектирования ГП на основе униполярной индукторной машины с учетом особенностей его работы в составе системы подпитки тяговых двигателей тепловоза. Работа содержит четыре главы.

В первой главе обоснован выбор типа генератора, выделены основные задачи, возникающие при его создании, определены методы их решения и дан краткий обзор литературы.

Вторая глава посвящена созданию математической модели, алгоритма и программы расчета электромагнитных процессов в трехфазном одноименнопо-люсном двухпакетном индукторном генераторе с сосредоточенными обмотками якоря при работе на активно-индуктивную нагрузку. Достоверность полученных расчетных данных подтверждается сравнением с результатами натурных экспериментов.

В третьей главе на основе опробованной во второй главе математической модели разрабатываются математическая модель, алгоритм и программа расчета электромагнитных процессов в ГП при работе в составе реальной системы подпитки. По результатам проведенных расчетов выработаны рекомендации по проектированию. Достоверность подтверждается сравнением расчетных данных с результатами испытаний опытного образца ГП.

Четвертая глава посвящена разработке математической модели, алгоритма и программы расчета электромагнитных процессов в ГП с продольной емкостной компенсацией при работе в составе реальной системы подпитки, а также выработке рекомендаций по его проектированию.

Основные результаты работы отражены в четырех статьях [1-4].

Заключение диссертации по теме «Электромеханика и электрические аппараты», Елкин, Сергей Николаевич

4.6 ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель, алгоритм и программа электромагнитного расчета генератора подпитки с продольной емкостной компенсацией, позволяющая учесть особенности подключения генератора к силовой сети тепловоза.

2. Оптимальным соотношением зубцов статора и ротора ГП с продольной емкостной компенсацией является 18/21.

3. Наибольшие потери в пакетах электротехнической стали соответствуют минимальному рабочему напряжению генератора.

4. При работе ГП в режимах, близких к резонансным, ограничение частоты вращения ГП и приводящей его силовой газовой турбины достигается без изменения тока возбуждения, за счет резкого возрастания мощности при увеличении частоты вращения.

5. При работе ГП с большими фазными токами под действием реакции якоря поток в зубцах статора изменяется по направлению.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработаны математическая модель, алгоритм и программа электромагнитного расчета генератора подпитки по мгновенным значениям величин, позволяющие учитывать особенности его включения в силовую сеть тепловоза, обладающие достаточно высокой точностью и быстродействием.

2. Разработан набор программ расчета электромагнитных процессов, прочности ротора, вентиляционного, теплового. Примененный подход обеспечивает возможность расчета и оперативного уточнения параметров генератора подпитки с учетом особенностей эксплуатации на тепловозе.

3. Выработаны рекомендации по проектированию: выбор числа зубцов статора и ротора, выбор относительной глубины паза индуктора, диаметра центрального отверстия в пакете ротора, отношения ширины паза к ширине зубца индуктора, определения обмоточных данных с учетом широкого диапазона изменения рабочего напряжения.

4. Создана модификация математической модели, алгоритма и программы электромагнитного расчета генератора подпитки с применением продольной емкостной компенсации индуктивного сопротивления обмоток якоря.

5. Выработаны рекомендации по проектированию генератора подпитки с продольной емкостной компенсацией: выбор числа зубцов статора и ротора, определения обмоточных данных с учетом широкого диапазона изменения рабочего напряжения, емкости компенсирующих конденсаторов.

6. Использование компенсирующих конденсаторов позволяет на 30 % уменьшить массу генератора подпитки. При этом масса меди снижается на 37 %.

7. Как показала экспериментальная проверка, погрешность расчета электромагнитных процессов разработанными программами не превышает 5 %, что вполне достаточно для практического применения при проектировании.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Елкин, Сергей Николаевич, 2000 год

1. Коломейцев Л.Ф., Елкин С.Н. Моделирование электромагнитных процессов в трехфазном униполярном индукторном генераторе с сосредоточенными обмотками якоря//Изв. вузов. Электромеханика. 2000. №1. С.37-40.

2. Коломейцев Л.Ф., Елкин С.Н. Расчет электромагнитных процессов в униполярном индукторном генераторе подпитки тяговых двигателей тепловоза// Изв. вузов. Электромеханика. 2000. №3. С.

3. Коломейцев Л.Ф., Елкин С.Н. Индукторный генератор с емкостной компенсацией в системе подпитки тяговых двигателей тепловоза// Изв. вузов. Электромеханика. 2000. №3. С.

4. Балагуров В.А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока: Учеб. пособие для студентов вузов. М.: Высш. школа. 1982. 272 с.

5. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины: Учеб. пособие для электромеханических и электроэнергетических спец. втузов. М.: Высш. шк. 1985. 255 с.

6. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. М.: Энергоатомиздат. 1988. 280 с.

7. Hammond Е.Е., NeffW.S., Shilling W.J. A 2.5 MVA High Voltage Light-weight Generator. Aircraft, v. 16, N1, 1979.

8. Miller T. Switched Reluctance Motors and Their Control. Hillsboro, OH: Magna Physics Publishing, and Oxford: Oxford University Press, 1993.

9. Ю.Тяговые электродвигатели тепловозов / В.И.Бочаров, В.И.Захаров, Л.Ф.Коломейцев, Г.И.Колпахчьян, М.А.Комаровский, В.Г.Наймушин,

10. B.И.Седов, И.И.Талья, В.Г.Шербаков, В.ПЯнов; Под ред. В.Г.Щербакова. Новочеркасск: Агентство Наутилус. 1998. 672 с.

11. Альпер Н.Я., Терзян А.А. Индукторные генераторы. M. : Энергия, 1970. -192 с.

12. Алексеева М.М. Машинные генераторы повышенной частоты. JL: Энергия, 1967. - 343 с.

13. Домбур Л.Э. Аксиальные индукторные машины. Рига: Зинатне. 1984. 247 с.

14. Жежерин Р.П. Индукторные генераторы. М.: Госэнергоиздат. 1961. 320 с.

15. Домбур Л.Э. Гармонический анализ кривых поля возбуждения аксиальных индукторных машин и выбор оптимальных соотношений геометрии зубцо-вой зоны. Бесконтактные электрические машины. 1963. Вып.З. С.73-97.

16. Домбур Л.Э. Гармонический анализ коэффициентов магнитных полей. Бесконтактные электрические машины. 1965. Вып.4. С.33-73.

17. Апсит В.В. Современные проблемы развития теории бесконтактных электрических машин. Изв. АН Латв. ССР. Сер.: Физ.м.техн.наук. 1960. №3.1. C.62-69.

18. Чабан В.И. Основы теории переходных процессов электромашинных систем.

19. Львов.: Вища школа. 1980. 199 с. 20.Чабан В.И., Семенова С.В. О записи дифференциальных уравнений разветвленной магнитной цепи. Теоретическая электротехника. Львов. 1982. №32. С.42-46.

20. Фильц Р.В., Глухивский Л.И. Основные положения магнитно-нелинейной теории явнополюсной синхронной машины. Электричество. 1970. №6. С.30-34.

21. Фильц Р.В., Глухивский Л.И., Лябук H.H. Расчет характеристик и процессов насыщения явнополюсных синхронных машин. Электричество. 1977. №2. С.15-32.

22. Фильц Р.В. Математические основы теории электромеханических преобразователей. Киев.: Наукова думка. 1979. 208 с.

23. Птах Г.К., Евсин Н.Ф. Расчет электромагнитных процессов в однофазном одноименнополюсном индукторном генераторе с учетом насыщения зубцовой зоны// Изв. вузов. Электромеханика. 1979. №7. С.635-637.

24. Птах Г.К., Коломейцев Л.Ф., Евсин Н.Ф. Переходные характеристики для зубцовой зоны однофазного индукторного генератора// Изв. вузов. Электромеханика. 1984. №4. С. 14-19.

25. Архипов А.Н., Евсин Н.Ф., Коломейцев Л.Ф., Петраков М.Д. Расчет электромагнитных процессов в трехфазном индукторном генераторе с классической зубцовой зоной// Изв. вузов. Электромеханика. 1984. №3. С.29-35.

26. Птах Г.К., Коломейцев Л.Ф., Евсин Н.Ф., Петраков М.Д. Исследование несинусоидальности формы кривой напряжения однофазного индукторного генератора с помощью вычислительных экспериментов// Изв. вузов. Электромеханика. 1985. №10. С.35-38.

27. Архипов А.Н., Архипова Л.И., Коломейцев Л.Ф., Петраков М.Д. Расчет переходных процессов в трехфазном индукторном генераторе при работе на выпрямительную нагрузку с регулятором напряжения// Изв. вузов. Электромеханика. 1986. №10. С.52-54.

28. Птах Г.К., Коломейцев Л.Ф., Архипов А.Н. Математическая модель электромагнитных связей в трехфазном индукторном генераторе с произвольной структурой обмотки якоря// Изв. вузов. Электромеханика. 1987. №3.

29. Коломейцев Л.Ф., Пахомин С.А. К определению токов в обмотках электромеханических преобразователей при математическом моделировании электромагнитных процессов//Изв. вузов. Электромеханика. 1987. №6. С.27-33.

30. Коломейцев Л.Ф., Птах Г.К., Архипов А.Н., Пахомин С.А. Метод расчета электромагнитных процессов в нелинейных электромеханических системахна основе эквивалентных схем замещения// Изв. вузов. Электромеханика. 1987. №11. С.80-88.

31. Архипов А.Н., Евсин Н.Ф., Коломейцев Л.Ф., Петраков М.Д. Расчет электромагнитных процессов в трехфазном индукторном генераторе, работающем на выпрямительную нагрузку// Изв. вузов. Электромеханика. 1984. №6. С.34-38.

32. Иванов-Смоленский A.B., Абрамкин Ю.В., Власов А.И., Кузнецов В.А. Расчет электромагнитных процессов в электрических машинах методом прово-димостей зубцовых контуров. Вычислительная техника и моделирование в энергетике. Киев, 1984. С.149-168.

33. Евсин Н.Ф. Математическое моделирование электромагнитных процессов в индукторном генераторе повышенной частоты: Дис.канд.техн.наук. Новочеркасск. 1975. 180 с.

34. Радин В.И., Петраков М.Д., Коломейцев Л.Ф., Евсин Н.Ф. Расчет электромагнитных процессов в однофазном униполярном индукторном генераторе// Изв. вузов. Электромеханика. 1976. №10. С.1095-1099.

35. Птах Г.К. Разработка математических моделей, расчет и исследование электромагнитных процессов в индукторных генераторах: Дис.канд.техн.наук. Новочеркасск. 1979. 183 с.

36. Силовая преобразовательная техника. Т.1. Моделирование вентильных преобразователей на вычислительных машинах. / Конев Ф.Б.; Ред. Гуткин Б.М. М.: ВИНИТИ, 1976. 84 с.

37. Конев Ф.Б., Троицкая Г.А. Метод расчета электромагнитных процессов в вентильных преобразователях на ЦВМ. Электротехн. пром-ть. Сер.: Преобразовательная техника, 1972, вып.7. С.21-23.

38. Дижур Д.П. Метод моделирования на ЦВМ вентильных преобразовательных схем. Тр. НИИ постоянного тока. 1970. вып.16. С.46-53.

39. Богрый B.C. Русских A.A. Математическое моделирование тиристорных преобразователей. М.: Энергия. 1972. 183 с.

40. Коротков Б.А. Математическое моделирование мостовых преобразователей. Тр. НИИ постоянного тока, 1970, вып.16, С.54-66.

41. Зубков Ю.С. К расчету переходных процессов в насыщенной индукторной машине. В кн.: Бесконтактные электрические машины. Рига: Зинатне. 1969. №8.

42. Калиткин H.H. Численные методы. М.: Наука, 1978.

43. Фильц Р.В., Гаврилюк Р.Б., Плахина Е.Г. Об аппроксимации характеристик намагничивания при расчетах на ЭВМ переходных процессов в электрических машинах и трансформаторах// Изв. вузов. Электромеханика. 1978. №4. С.357-360.

44. Бахвалов Ю.А., Коломейцев Л.Ф., Евсин Н.Ф., Птах Г.К. Расчет магнитного поля в зубцовой зоне одноименнополюсного индукторного генератора методом конечных элементов// Изв. вузов. Электромеханика. 1979. №6. С.524-527.

45. Турчак Л.И. Основы численных методов: Учеб. пособие. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1987. 320 с.

46. Булгаков A.A. Новая теория управляемых выпрямителей. М.: Наука. 1970. 320.С.9

47. Назикян Г.А. Индукторный генератор для ультразвуковой технологии: Дис.канд.техн.наук. Новочеркасск, 1986. 168 с.

48. Данилевич Я.Б., Кашарский Э.Г. Добавочные потери в электрических машинах. М.-Л.: Госэнергоиздат. 1963. 214 с.

49. Жерве Г.К. Обмотки электрических машин. Л.: Энергоатомиздат. 1989. 400 с.

50. AVXCapacitors Datasheet. 1999. P.23-26.

51. Хуторецкий Г.М., Токов М.И., Толвинская Е.В. Проектирование турбогенераторов. Л.: Энергоатомиздат. 1987. 256 с.

52. Иванов-Смоленский A.B., Кузнецов В.А. Универсальный численный метод моделирования электромеханических преобразователей и систем// Электричество. 2000. № 7. С.24-33.

53. Slem.on, G.R., Awad, M.L. On Equivalent Circuit Modeling for Synchronous Machines IEEE Transactions on Energy Conversion. September 1998.

54. Пертренко A.M., Ровинский П.А., Сазонов A.C., Соколов Л.Г. В кн.: Бесколлекторные электрические двигатели с полупроводниковыми устройствами. Л.: Всесоюзный научно-исследовательский институт электромашиностроения. 1985. С.37-48.

55. Проектирование тяговых электрических машин. Под ред. М.Д.Находкина. Учебное пособие для вузов ж.-д. трансп. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.:"Транспорт". 1976. 624 с.

56. Иванов-Смоленский A.B. Анализ магнитного поля контура в электрической машине с двухсторонней зубчатостью сердечников// Изв. АН СССР. Серия Энергетика и транспорт. 1976. № 4. С.37-51.

57. Иванов-Смоленский A.B. Метод проводимостей зубцовых контуров и его применение к электромагнитному расчету ненасыщенной электрической машины с двухсторонней зубчатостью сердечников// Электричество. 1976. №9. С. 18-28.

58. Универсальный метод расчета электромагнитных процессов в электрических машинах// A.B. Иванов-Смоленский, Ю.В. Абрамкин, А.П. Власов, В.А. Кузнецов; Под ред. A.B. Иванова-Смоленского. М.: Энергоатомиздат. 1986. 216 с.

59. Кузнецов В.А., Федотов А.И. Дискретная математическая модель системы синхронный генератор-выпрямительная нагрузка// Электричество. 1995. № 4. С.23.- 122

60. Пульников A.A. Метод решения систем уравнений нелинейных электрических и магнитных цепей// Электричество. 1999. № 2.