Моделирование электромеханических процессов в электровозе с асинхронными тяговыми двигателями

• Автор: Плохов, Евгений Михайлович
• Шифр специальности: 05.09.03
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Ростов-на-Дону
• Количество страниц: 328 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Тенденции развития схем и конструкции перспективных электровозов
1.1. Состояние парка магистральных электровозов
Российских железных дорог
1.2. Бесколлекторный тяговый привод за рубежом
и в России
1.3. Выбор схемы АТД
1.4. Особенности конструкции АТД
1.5. Особенности схемы питания тяговых двигателей
электровоза ЭШО
1.6. Тяговый двигатель НТА-1
1.7. Принципы моделирования электромеханической
системы электровоза
Выводы по главе
Глава 2. Математическая модель для расчета электромагнитных процессов в АТД с короткозамкнутым ротором и двумя трехфазными обмотками на статоре
2.1. Модель первого уровня
2.2. Модель второго уровня
Выводы по главе
Глава 3. Расчет магнитного поля, электромагнитного момента и потерь мощности в различных
режимах работы АТД
3.1. Расчет потерь в АТД с двумя трехфазными обмотками
на статоре на основе модели первого уровня
3.2. Магнитные потери от полей рассеяния в АТД
при несинусоидальном напряжении
3.3. Электромагнитный момент АТД с двумя трехфазными
обмотками на статоре при питании от статического преобразователя частоты и числа фаз
3.4. Расчет электромагнитного поля АТД НТА-1
Выводы по главе
Глава 4. Математическое моделирование системы преобразования энергии
4.1. Моделирование компонентов системы преобразования
энергии

4.2. Расчет процессов в динамической нелинейной электрической цепи
4.3. Моделирование тягового трансформатора
4.4. Моделирование четырехквадрантного преобразователя.
4.5. Моделирование импульсного регулятора напряжения
4.6. Моделирование автономного инвертора напряжения
4.7. Моделирование системы преобразования энергии элек-
тровоза ЭШО при работе от контактной сети переменного тока
4.8. Моделирование системы преобразования энергии электровоза ЭШО при работе от контактной сети постоянного

Выводы по главе
Глава 5. Моделирование механической части электровоза

5.1. Особенности механической части отечественных
пассажирских электровозов
5.2. Конструкция механической части электровоза ЭШО
5.3. Моделирование механической части
5.4. Моделирование возмущающего воздействия со стороны

5.5. Механика контакта «колесо-рельс»
5.6. Динамические процессы при движении на выбеге
Выводы по главе
Глава 6. Примеры расчета электромеханических процессов
6.1. Описание пакета программ
6.2. Проверка адекватности математической модели
электрической части
6.3. Исследование влияния пульсаций момента АТД
на силу тяги электровоза
6.4. Электромеханические процессы в номинальном режиме

6.5. Исследование процесса возникновения боксования
6.6. Анализ процессов в тяговом электроприводе электровоза
с АТД в режиме трогания с места
Выводы по главе 6: Перспективы использования комплексной электромеханической модели
Заключение
Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы диссертации. Состояние экономики государства, развитие его социальной сферы во многом зависит от функционирования железнодорожной транспортной системы. Уровень транспортного обеспечения отраслей общественного хозяйства Российской Федерации определяется качеством железных дорог и подвижного состава. После резкого снижения объёмов перевозок на железнодорожном транспорте, вызванного известными причинами, начиная с 1998 г. наметилась тенденция к их росту.
В условиях реформирования отрасли, осуществляемой в настоящее время Министерством путей сообщения, одной из важнейших целевых инвестиционных программ является «Комплексная программа реорганизации и развития локомотивостроения...», включающая полный переход на производство локомотивов и моторвагонного подвижного состава с асинхронными тяговыми электродвигателями (АТД).
В связи с развитием силовой электроники, преобразовательной и микропроцессорной техники появилась возможность разработки новых видов тягового электропривода и, на его базе, новых электровозов, обеспечивающих высокие технико-экономические характеристики подвижного состава, автоматическое управление режимами работы, низкие затратйршэЕсвдуншцшагистральных электровозов нового поколения, оснащённых асинхронным тяговым приводом, возникает необходимость определения их характеристик в различных режимах и исследования работы оборудования. Учитывая значительное повышение удельной мощности АТД (более чем в два раза по сравнению с серийными коллекторными двигателями), становится еще более острой проблема оценки теплового состояния.
Экспериментальный путь решения возникающих задач оказывается слишком трудоемким и дорогостоящим, подтверждением чего являются неудовлетворительные результаты недавно завершенных испытаний перспективного скоростного электропоезда. Большие возможности открываются при использовании математического моделирования на стадии проектных проработок, в особенности при исследовании нестационарных процессов, протекающих в узлах и системах локомотива.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является построение комплексной математической модели электромеханических процессов в электровозе с асинхронным тяговым приводом, позволяющей повысить качество и сократить сроки и стоимость проектирования локомотивов нового поколения, а также выполнить прогнозирование работы новой техники в различных режимах эксплуатации.
Для её достижения были поставлены и решены следующие задачи:

няют в схемах преобразователей магистральных электровозов, имеют повторяющееся напряжение 4,0...4,5 кВ. Ряд западных фирм анонсировал разработку и освоение производства силовых полупроводниковых приборов с повторяющимся напряжением 6 кВ. Но даже в этом случае нет возможности иметь в плече преобразователя один прибор, а ведь и ОТО-тиристоры, и ЮВТ-транзисторы не могут быть соединены последовательно.
Некоторые зарубежные фирмы, создавая новые электровозы для работы на постоянном токе 3 кВ, применяют емкостный делитель напряжения и последовательное соединение входных преобразователей [1.27, 1.28]. Такое решение позволяет питать входной преобразователь напряжением, равным половине напряжения контактной сети, что снижает требования к классу полупроводниковых приборов.
Однако последовательное соединение входных преобразователей дает тот же отрицательный эффект, что и вынужденное последовательное включение на электровозах постоянного тока двух коллекторных тяговых двигателей: снижение коэффициента тяги из-за неравномерного распределения нагрузок между тяговыми двигателями, получающими питание от разных частей делителей. Чтобы уменьшить отрицательное влияние этого фактора на тяговые характеристики, применяют АТД с двумя трехфазными обмотками на статоре, каждая из которых получает питание от разных частей делителя [1.29].
Такая схема питания тяговых двигателей при работе на участках, электрифицированных на постоянном токе, применена на электровозе ЭП10 (рис.1.5.1). При работе электровоза на участках, электрифицированных на переменном токе, полуобмотки каждой фазы двигателя соединяются последовательно специальным переключателем обмоток (рис. 1.5.2).
При принятой схеме питания тяговых двигателей при работе электровоза на постоянном токе усложняются конструкция АТД и силовая схема, появляется необходимость в дополнительных специальных аппаратах.
Рабочие характеристики электровоза ЭШО и характеристики сопротивления движению (щ) с поездом из 24 пассажирских вагонов на площадке и при уклоне г = 12 %о приведены на рис. 1.5.3, расположение оборудования в кузове - на рис. 1.5.4.