Разработка методов выбора параметров тяговых приводов тепловозов по уровню энергетической эффективности
На правах рукописи
СОЛДАТЕНКО Денис Александрович
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ ТЯГОВЫХ ПРИВОДОВ ТЕПЛОВОЗОВ ПО УРОВНЮ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
Специальность 05.22.07 – «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2008
Работа выполнена в государственном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ)
Научный руководитель - доктор технических наук, профессор
Логинова Елена Юрьевна
Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор
Тулупов Виктор Дмитриевич
кандидат технических наук, доцент
Чернов Евгений Тихонович
Ведущее предприятие:
Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (ОАО «ВНИИЖТ»)
Защита диссертации состоится __________2009г. в _______часов на заседании диссертационного совета Д218.005.01 в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, 15, ауд. 2505.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Автореферат разослан _____________ 2009 года.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу совета университета.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д218.005.01,
доктор технических наук, доцент А.В. Саврухин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В настоящее время в парке автономных локомотивов преобладают тепловозы с коллекторными тяговыми двигателями. Высокие весогабаритные показатели этих двигателей затрудняют их использование в энергетических цепях мощных тепловозов, в которых нуждается железнодорожный транспорт.
В конце 1990-х годов на новых, преимущественно пассажирских, тепловозах начала внедряться электрическая передача переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями (ТАД), обладающими меньшими весогабаритными показателями, и требующие меньших затрат на техническое обслуживание и ремонт в эксплуатации.
Однако, как ожидается, основной эффект от использования асинхронных тяговых двигателей на локомотивах может быть достигнут при оборудовании электрической передачей переменного тока грузовых тепловозов секционной мощностью 4000-4500кВт, так как на ряду с низкими весогабаритными показателями тяговый привод с асинхронным тяговым двигателем обладает высокой механической устойчивостью.
Разработка и внедрение на локомотивах двух типов тяговых приводов – с коллекторным тяговым двигателем и асинхронным тяговым двигателем – требует разграничения областей их рационального применения. Поэтому актуальность диссертационной работы определяется необходимостью создания методики выбора тягового привода для грузовых тепловозов различной мощности по критериям эффективности его применения.
Целью работы является решение научно-технической задачи определения областей рационального применения на грузовых тепловозах тяговых электродвигателей переменного и постоянного тока по критериям технико-экономической эффективности.
Использование рационального типа электродвигателя в тяговом приводе тепловоза позволит повысить показатели эффективности его работы в эксплуатации, что необходимо для реализации планов, предусмотренных «Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года», утвержденной распоряжением правительства РФ №877-р, подписанным главой правительства В.В. Путиным 17 июня 2008г.
В процессе решения задачи:
- определены значения параметров коллекторных и асинхронных тяговых двигателей для возможного диапазона мощностей грузовых тепловозов;
- разработаны методы прогнозирования среднеэксплуатационных значений коэффициентов полезного действия коллекторных и асинхронных тяговых двигателей;
- определены области рационального применения в тяговом приводе тепловозов коллекторных и асинхронных тяговых двигателей по принятым критериям эффективности.
Методика исследований Научные выводы и рекомендации работы получены с использованием результатов экспериментальных исследований и методов математического моделирования.
Научная новизна работы определяется разработкой методов выбора типа и параметров электродвигателя для тягового привода грузового тепловоза по критериям его технико-экономической эффективности.
Практическая значимость работы заключается в определении областей применения коллекторных и асинхронных двигателей для тягового привода тепловозов мощностью 15004500 кВт.
Реализация результатов работы Результаты работы внедрены на заводе «Электротяжмаш-Привод» (г. Лысьва) и используются в учебном процессе кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» Московского государственного университета путей сообщения.
Апробация работы Основные положения диссертации обсуждены на научно-практической конференции «Наука – транспорту-2004» (МИИТ, 2004г.); на 5-ой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (МИИТ, 2004г.); на 7-ой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (МИИТ, 2006г.); на 8-ой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (МИИТ, 2007г.); на 5-ой международной научно-практической конференции «Trans-Mech-Art-Chem» (МИИТ, 2008г.)
Публикации Основные положения диссертации изложены в 6-ти статьях научных периодических журналов, 4 из которых - в изданиях, рекомендованных ВАК по специальности 05.22.07, и 11-ти тезисах научных и научно-практических конференций.
Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, пяти глав текста, заключения, приложения и списка использованных источников, включающего 129 наименований. Общий объем диссертации – 162 стр., в том числе 11таблиц и 51 рисунок.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации.
В первой главе выполнен сравнительный анализ технических характеристик тяговых электродвигателей постоянного и переменного тока; проанализированы существующие критерии для оценки эффективности работы электродвигателей в тяговом приводе локомотивов.
Вопросы, относящиеся к разработке и исследованию тягового электропривода нашли отражения в работах М.П. Костенко, А.Б. Иоффе, М.Д. Находкина, О.А. Некрасова, В.Д. Тулупова, Н.А. Ротанова, А.С. Курбасова, В.А. Винокурова, С.В. Покровского, В.А. Сенаторова, В.И. Захарова, Д.Е. Кирюшина и др. В качестве основного показателя работы электродвигателя как основного элемента тягового привода традиционно используют коэффициент полезного действия (КПД) на номинальном режиме работы. Курбасовым А.С., Ротановым Н.А., Покровским С.В., Кирюшиным Д.Е. указывается, что широкий диапазон нагрузок тяговых двигателей в эксплуатации влияет на их экономичность, что также необходимо учитывать при оценке эффективности тягового привода.
Электродвигатель является основным агрегатом тягового привода, и вместе с регулятором охвачен обратными связями с учетом требуемого алгоритма управления; поэтому именно электродвигатель определит эффективность работы привода в эксплуатации. В связи с этим целесообразность применения тягового привода на тепловозе предлагается оценивать с помощью целевой функции, построенной из критериев эффективности тягового электродвигателя, в качестве которых приняты:
(1)
где НОМ и – соответственно номинальное и интегральное значения КПД электродвигателя; Кус - значение удельного стоимостного показателя электродвигателя.
В качестве удельного стоимостного показателя электродвигателя принята зависимость 
, производная от коэффициента использования конструкционных материалов: 
, где Мi – значение массы i-го электротехнического материала конструкции двигателя; Цi – цена за 1 кг i-го материала; Р2 - мощность на валу тягового электродвигателя.
Поскольку и Кус являются противоречивыми критериями для определения эффективности работы электродвигателя, поставленная задача решалась методом векторной оптимизации, предусматривающим свертку критериев в целевую функцию:
(2)
Вторая глава посвящена определению и анализу значений критериев эффективности работы двигателей постоянного тока (ТЭД) мощностью 180Р2550кВт.
Для расчета критериев эффективности ТЭД, работающего в тяговом приводе энергетической цепи тепловоза, разработана математическая модель двигателя постоянного тока как электромеханического объекта. При разработке модели ТЭД использовались заводская методика расчета двигателя постоянного тока и фундаментальные работы А.Б. Иоффе, П.С. Сергеева, В.П. Шуйского, А.Е. Алексеева, М.Д. Находкина и др.
Математическая модель ТЭД создана в интегрированной среде Turbo Pascal Version 7.0 Borland International; ее использование позволяет рассчитать параметры двигателя заданной мощности и его характеристики во всем диапазоне изменения нагрузок.
Адекватность модели реальному объекту проверялась сопоставлением расчетных и экспериментальных нагрузочных и электромеханических характеристик тягового электродвигателя ЭДУ-133, полученных при его паспортных испытаниях на заводе «Привод» (г. Лысьва). Анализ результатов показал, что ошибка моделирования характеристик ЭДУ-133 не превышает 2% для всего диапазона изменения нагрузки.
С целью определения параметров и характеристик тяговых электродвигателей для тепловозов мощностью 15004500кВт разработан программный модуль, в основу которого положены математическая модель двигателя как электромеханического объекта и теория подобия тяговых электрических машин. Модуль реализован в математическом пакете MathCAD. Показателями подобия двигателей при расчетах являлись: габариты, предельные значения магнитных, токовых, тепловых и механических нагрузок. Достоверность моделирования параметров ТЭД подтверждена сходимостью характеристик и параметров расчетного двигателя и универсального тягового электродвигателя постоянного тока типа ЭДУ-133 на режимах мощности 305 кВт и 365 кВт.
С помощью разработанного программного модуля были определены параметры и характеристики тяговых двигателей постоянного тока в диапазоне мощностей от 180 до 550 кВт (рис.1). В процессе расчета параметров определялись геометрия якоря и станины, параметры коллектора, параметры магнитной цепи, сопротивления обмоток якоря и возбуждения.
Расчеты показали, что в диапазоне мощности 180кВтР2<305кВт диаметр якоря ТЭД будет составлять Dа=423мм, а в диапазоне мощности 305кВтР2<420кВт диаметр якоря должен быть увеличен до Dа=493мм; при этом двигатель может быть размещен в габаритах тепловозной тележки с диаметром колеса 1050мм.
Максимальное значение номинального момента, который может реализовать ТЭД с диаметром якоря Dа=493мм, составляет М2=6445Нм при значении линейной нагрузки АЛИН=650А/см. Для реализации двигателем на продолжительном режиме работы момента М2=5370Нм его диаметр будет таким же - Dа=493мм, при этом значение линейной нагрузки снижается до 555А/см. При мощности двигателя Р2>420кВт он должен иметь 6-ти полюсное исполнение, Dа660мм и размещение его возможно только в габаритах тепловозной тележки с диаметром колеса DКОЛЕСО=1250мм.
Значение плотности тока в обмотке якоря для двигателей исследуемого диапазона мощности будет составлять ja=56А/мм2.
Кроме того, при моделировании получено, что увеличение максимального напряжения двигателя с 800В до 1000В увеличивает его КПД всего на 1,5% (рис.2), а значения КПД 6-ти полюсных тяговых двигателей на 11,5% меньше, чем у ТЭД 4-х полюсного исполнения.
На основании расчетов характеристик тепловозных ТЭД было получено, что значения тягового момента на валу в диапазоне мощности 180кВтР2550кВт при принятых значениях удельных нагрузок и расчетной скорости тепловоза может быть аппроксимировано зависимостью:
.
С помощью разработанного программного модуля были определены значения критериев эффективности тяговых электродвигателей НОМ, Кi и Кус всего исследуемого диапазона мощности.
Для расчета значений при работе двигателей в эксплуатации была разработана динамическая модель движения поезда, локомотив которого оборудован тяговым приводом постоянного тока заданной мощности. Основой модели является дифференциальное уравнение движения поезда:
, м/с2, (3)
где VЛОК – скорость поезда; 
и 
- соответственно значения сил тяги и сопротивления движению поезда, отнесенные к массе поезда.
Алгоритм работы ТЭД в динамической модели движения поезда разработан с учетом ограничений, накладываемых на управление энергетическими системами и тяговым приводом тепловоза, а также допустимыми нагрузками самого двигателя.
Определение значений критерия ТЭД при его работе в энергетической цепи тепловоза осуществлялся методами математического моделирования процесса движения тепловоза с составом расчетного веса по участку с профилем III типа классификации ВНИИЖТ (рис.3); при этом одновременно рассчитывались эксплуатационные характеристики работы локомотива – время хода поезда по участку и техническая скорость движения.
Расчет значений интегрального КПД выполнялся по зависимости:
, (4)
где 
– текущее значение КПД; t – время движения локомотива по заданному участку профиля.
В результате расчетов получено, что в среднем интегральный КПД тяговых электродвигателей на 1517% ниже значений их номинального КПД, поэтому оценка эффективности работы тяговых двигателей по значению номинального КПД является необъективной. С увеличением мощности ТЭД увеличивается разность между значениями НОМ и,; при мощности тягового двигателя постоянного тока более 430 кВт эффективность его работы в эксплуатации снижается (рис.3).
В третьей главе определены значения критериев эффективности работы асинхронных двигателей при их использовании в тяговом приводе тепловозов.
Расчет параметров, характеристик и значений критериев эффективности работы асинхронных тяговых двигателей выполнялся с помощью программного модуля, в основу которого положена математическая модель ТАД как электромеханического объекта. В модуле используется теория подобия асинхронных двигателей и условия реализации двигателем на номинальном режиме работы предельных значений магнитных, токовых, тепловых и механических нагрузок. Адекватность модели реальному объекту проверялась путем сопоставления расчетных и экспериментальных характеристик асинхронных тяговых электродвигателей ДАТ-305 и ДАТ-470, полученных при их паспортных испытаниях на заводе «Привод» (г. Лысьва). Результаты показали, что ошибка моделирования характеристик холостого хода указанных двигателей не превышает 3% во всем диапазоне изменения частоты f1 и амплитуды U1 питающего напряжения, а номинального режима 2% - для значений тока статора и 4% - для значений коэффициента мощности.
С помощью разработанного программного модуля были рассчитаны параметры асинхронных двигателей мощностью 305кВт и 470кВт. Анализ показал их полное соответствие параметрам электродвигателей ДАТ-305 и ДАТ-470, имеющих такую же мощность.
Разработанный программный модуль позволил рассчитать параметры асинхронных тяговых двигателей мощностью от 180 кВт до 550 кВт и сопоставить их с параметрами коллекторных двигателей тягового привода тепловозов.
Так, для создания номинального момента на валу 9020 Нм (при мощности электродвигателей 430 кВт) диаметр якоря коллекторного двигателя должен быть равен Da=660 мм, тогда как в асинхронном двигателе диаметр ротора будет составлять всего D2=492 мм (рис.4). Соответственно общие масса и стоимость асинхронного двигателя будут в 1,5 раза меньше коллекторного.
Установлено, что асинхронные двигатели мощностью до 500кВт с числом полюсов 2р=4, 2р=6 и 2р=8 имеют диаметры роторов 383520мм; это позволяет размещать их в габарите тепловозной тележки с диаметром колесных пар 1050 мм. Тяговые двигатели постоянного тока мощностью менее 430кВт с 2р=4 еще могут быть размещены в габаритах такой же тележки, а ТЭД мощностью P2430кВт и ТАД мощностью P2550кВт требуют использования в конструкции тележек колесных пар с диаметром колеса 1250 мм.
Моделирование характеристик тепловозных ТАД показало, что в диапазоне мощности 180кВтР2<550кВт реализуемый ими момент на валу при принятых значениях удельных нагрузок и расчетной скорости тепловоза может быть представлен аппроксимирующей зависимостью:
.
Для расчета значений критерия при работе ТАД в эксплуатации использовалась программа, имитирующая движение поезда с составом расчетного веса по участку с профилем III типа классификации ВНИИЖТ, локомотив которого оборудован тяговым приводом с асинхронными двигателями, Алгоритмом программы реализовано рациональное управление ТАД при его работе в тяговом приводе энергетической цепи тепловоза по экстремумам П-образных характеристик, доставляющих max при всех текущих значениях скорости движения.
Моделирование режимов работы двигателя на тепловозе выполнялось с учетом того, что он получает питание от источника синусоидального напряжения (ИСН) или идеального инвертора с гармоническим составом выходного напряжения =6k±1.
Результаты расчета показали, что при питании ТАД от ИСН КПД двигателей мощностью более 430кВт на номинальном режиме работы достигает 92,4%; для ТАД мощностью Р2430кВт значения КПД будут снижаться вместе со значением Р2, уменьшаясь до 89% для двигателя мощностью 180кВт. Значения их интегрального КПД составляет 74ТАДИСН 75% во всем диапазоне изменения мощности. Чем выше мощность ТАД, тем больше разность между значениями ТАД и ТАД.
В том случае если источником питания ТАД является идеальный инвертор добавочные потери от высших гармонических составляющих тока и напряжения на 23% снижают значения интегрального КПД (рис. 5).
Установлено, что значения коэффициентов мощности тяговых асинхронных двигателей исследуемого диапазона мощностей на номинальном режиме работы находятся в интервале 80,5cosТАД 84,5%.
В четвертой главе анализируется целесообразность применения тяговых двигателей постоянного и переменного тока различной мощности на тепловозах по принятым критериям.
Оценка эффективности тяговых двигателей по значениям их КПД на номинальных режимах работы показала, что при мощности тягового привода до 300кВт, коллекторный тяговый двигатель эффективнее асинхронного, т.к. имеет более высокие значения КПД (рис. 6). Применение асинхронных двигателей в тяговом приводе грузовых тепловозов оправдано только при мощности привода более 430 кВт и использовании в нем ИСН (рис. 6). В этом случае значение КПД асинхронного двигателя будет на 2% выше КПД двигателя постоянного тока. Поэтому в диапазоне скорости движения поезда 20VЛОК40км/ч у мощных тепловозов с асинхронными тяговыми двигателями сила тяги может быть примерно на 3% больше, чем сила тяги у тепловозов с коллекторными тяговыми двигателями. В диапазоне мощности тягового привода 180Р2350кВт коллекторный и асинхронный тяговые двигатели имеют практически одинаковую эффективность.
Значение коэффициента использования меди в конструкции ТАД с алюминиевыми стержнями беличьей клетки для всего исследуемого диапазона мощности двигателей КМ_ТАД0,43кг/кВт; соотношение коэффициентов использования конструкционных материалов коллекторного и асинхронного двигателя КМ_ТЭД/КМ_ТАД4, однако при этом необходимо учитывать массу электротехнического алюминия стержней ротора. По массе электротехнической стали, асинхронные двигатели уступают коллекторным: соотношение коэффициентов использования стали в конструкции двигателей одинаковой мощности КСТ_ТАД/КСТ_ТЭД=1,52 при КСТ_ТАД3,99кг/кВт для ТАД мощностью 430Р2550кВт. Очевидно, что большой объем стали в асинхронном тяговом двигателе повышает его стоимость.
Сравнение коллекторного и асинхронного двигателей, работающих в тяговом приводе локомотивов мощностью 1500<Ne3000 кВт по значениям интегральных КПД, полученным для одинаковых условий эксплуатации показало, что двигатели имеют одинаковую эффективность если ТАД в тяговом приводе получает питание от ИСН (рис. 7): в этом случае значения интегральных КПД коллекторного и асинхронного тяговых двигателей в эксплуатации составляют 7475%.
Для тепловозов мощностью 3000<Ne4500 кВт асинхронные двигатели с питанием от ИСН имеют преимущество перед ТЭД: интегральный КПД 6-ти полюсных двигателей постоянного тока с Р2>430кВт снижается в эксплуатации до 73% при интегральном КПД асинхронного двигателя ТАДИСН75%. Поэтому применение асинхронного привода с питанием двигателей от ИСН на тепловозах мощностью более 3000кВт позволяет на 23% повысить весовую норму поездов по сравнению с тепловозами, оборудованными коллекторными двигателями. Это снижает себестоимость перевозок автономными локомотивами с передачей переменного тока.
Для возможности прогнозирования эффективности работы тяговых двигателей постоянного и переменного тока в эксплуатации введено понятие относительного КПД, представляющего зависимость 
. Моделирование работы тепловозов с различными типами приводов в эксплуатации показало, что для любых условий эксплуатации величина относительного КПД электродвигателей может быть представлена графической зависимостью ОТН=f(P2) (рис.6).
В пятой главе определяется эффективность применения на тепловозах тягового привода различного типа.
Для этого использовалась целевая функция, определяемая зависимостью (2); рациональному типу привода для заданных условий эксплуатации соответствуют значения 
.
Расчет коэффициентов КУС_ТАД и КУС_ТЭД выполнялся с учетом марок электротехнических материалов, применяемых в конструкциях двигателей в ценах 2007 года. Результаты показали, что удельная стоимость материалов ТЭД при мощности Р2=183 кВт составляет КУС_ТЭД=605,9 руб/кВт, что почти в 3 раза выше, чем значение КУС_ТАД для ТАД аналогичной мощности. При мощности ТЭД Р2=550 кВт показатель удельной стоимости составляет КУС_ТЭД=367,5 руб/кВт, что в 2 раза выше, чем для асинхронного двигателя.
Получено, что наименьшие значения целевой функции соответствуют двигателям постоянного тока мощностью Р2=350450кВт; в этом случае обеспечивается самое рациональное соотношение между их ценой и эффективностью работы в эксплуатации.
Кроме того, значения ТЭДТАДИСН при 180Р2430кВт; это является основанием для применения в тяговом приводе данной мощности двигателей постоянного тока. Асинхронный двигатель требует использования в тяговом приводе преобразователей частоты. Поэтому значение целевой функции ЦТАДПЧ в 78 раз больше ЦТЭД и при 180Р2430кВт достигает 1014о.е., снижая эффективность асинхронного тягового привода по сравнению с тяговым приводом постоянного тока. Если в качестве ИСН использовать инвертор напряжения на IGBT транзисторах, который формирует напряжение с высшими гармоническими составляющими 13, то, в предположении, что его цена будет такой же, как цена ПЧ, полученные значения целевой функции для асинхронного тягового привода ЦТАДИСН получаются ниже, чем ЦТАДПЧ. Это вызвано тем, что отсутствие гармонических составляющих тока высокого порядка повышает КПД ТАД (рис. 8). При Р2>430кВт значения ТАДИСН> ТЭД, а ТАДПЧТЭД. Поскольку ТАД может быть размещен в габарите тележки с диаметром колеса 1050 мм и обладает жесткими характеристиками, что особенно важно для тягового привода мощных грузовых локомотивов, на тепловозах мощностью 3000<Ne4500 кВт целесообразен переход на асинхронный тяговый привод, несмотря на то, что ЦТАДПЧ> ЦТЭД.
Расчет экономического эффекта применения на тепловозе асинхронного тягового привода был выполнен применительно к тепловозам 2ТЭ25К и 2ТЭ25А. Результаты расчетов показали, что экономическую эффективность от применения на тепловозах асинхронного тягового привода можно получить только при снижении расчетной скорости движения тепловоза и соответствующего увеличения весовой нормы поезда. Используя высокую жесткость асинхронного тягового привода на тепловозе 2ТЭ25А расчетная скорость была снижена до 18 км/ч (рис. 9); при этом экономический эффект применения данного тягового привода может составить 3290 тыс. рублей в год при выполнении 550 млрд. ткм нетто перевозочной работы, приходящейся на долю тепловозного парка.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
- В диссертационной работе решена задача определения областей рационального применения на грузовых тепловозах тяговых электродвигателей постоянного и переменного тока по критериям технико-экономической эффективности.
- В качестве критериев эффективности тягового привода приняты: интегральные значения КПД тягового двигателя и значения удельного стоимостного показателя использования конструкционных материалов в тяговом двигателе Кус.
- Для определения параметров тяговых электродвигателей как основных элементов тягового привода локомотива разработаны математические модели коллекторного и асинхронного двигателя как электромеханических объектов и программные блоки, позволяющие рассчитать параметры двигателей в диапазоне мощностей 180550кВт, базирующиеся на заводских методиках расчета тяговых электрических машин и теории их подобия; сопоставление характеристик и параметров реальных и расчетных двигателей показало сходимость 95-97%.
- Анализ расчетных характеристик и параметров электродвигателей показал:
- при Р2430кВт коллекторные ТЭД могут устанавливаться только в тележку с диаметром колеса 1250мм; асинхронные двигатели с Р2<550кВт позволяют размещение их в габарите тепловозной тележки с диаметром колесных пар 1050мм;
- при мощности двигателей менее 430кВт значения номинального КПД коллекторного двигателя выше асинхронного;
- при мощности свыше 430кВт значения номинального и интегрального КПД асинхронного тягового электродвигателя с источником синусоидального напряжения на 2% выше коллекторного, что обосновывает целесообразность его использования на тепловозах с секционной мощностью более 3000кВт;
- Для прогнозирования эффективности работы двигателей в эксплуатации и расчета значений эксплуатационных критериев эффективности разработана динамическая модель движения поезда, энергетическая цепь локомотива которого содержит исследуемый тяговый привод. Расчет показал, что значения интегральных КПД тяговых двигателей на 1517% ниже номинальных и с увеличением мощности эта разность возрастает.
- Для возможности оценки эффективности работы тяговых электродвигателей в эксплуатации по значению номинального КПД введено понятие относительного КПД ОТН, представляющего отношение интегрального и номинального КПД. Получено, что для тягового привода любого типа ОТН=f(P2).
- Установлено, что значения коэффициента удельной стоимости асинхронного двигателя для всего исследуемого диапазона мощностей в 23 раза меньше, чем для двигателя постоянного тока. Стоимость тягового привода переменного тока с учетом преобразователя в 34 раза превышает стоимость привода постоянного тока.
- Экономическая эффективность выбора типа привода для тепловозов, выполненная методом векторной оптимизации, показала, что наименьшие значения целевой функции, составленной из указанных критериев, соответствуют приводу постоянного тока мощностью Р2=350450кВт.
- В случае снижения расчетной скорости тепловоза с асинхронным тяговым приводом до 18 км/ч экономия годовых эксплуатационных затрат за счет увеличения весовой нормы поезда при выполнении 550 млрд. ткм нетто перевозочной работы, приходящейся на долю тепловозного парка, составит 3290 тыс. рублей.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
- Солдатенко Д.А. Влияние класса изоляции на тяговую характеристику локомотивов / Локомотив. - 2002. - №11. С. 34-35.
- Солдатенко Д.А., Логинова Е.Ю. Возможность улучшения технических характеристик тяговых электродвигателей при заводском ремонте // Труды научно-практической конференции Неделя науки – 2003 «Наука – транспорту - 2003».- М.: МИИТ, 2003.
- Чащин В.В., Логинова Е.Ю., Солдатенко Д.А. Определение эффективности работы тягового электродвигателя ДАТ-305 в электрической передаче тепловоза / Транспорт: наука, техника, управление. - 2004. - №4. С. 41-44.
- Логинова Е.Ю., Солдатенко Д.А. Обоснование выбора типа тягового электропривода по критериям условной эффективности / Транспорт: наука, техника, управление. - 2004. - №12. С. 26-29.
- Солдатенко Д.А. Сравнение электроприводов тепловозов переменного и постоянного тока / Локомотив. - 2005. - №3. С. 36-37.
- Логинова Е.Ю., Солдатенко Д.А. Сопоставление экономичности работы тягового оборудования локомотивов по интегральным показателям эффективности // Труды научно-практической конференции Неделя науки – 2004 «Наука – транспорту - 2004».- М.: МИИТ, 2004.
- Кофанов В.А., Солдатенко Д.А. Влияние параметров ротора на потери асинхронного тягового двигателя // Труды 5-ой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». – М.: МИИТ, 2004.
- Солдатенко Д.А., Кофанов В.А. Эксплуатационные составляющие потерь в тяговом электроприводе // Труды 5-ой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». – М.: МИИТ, 2004.
- Солдатенко Д.А., Кофанов В.А. Анализ потерь в асинхронном тяговом приводе в эксплуатации // Труды научно-практической конференции Неделя науки – 2005 «Наука – транспорту - 2005».- М.: МИИТ, 2005.
- Солдатенко Д.А., Логинова Е.Ю. Анализ возможности прогнозирования теплового состояния тягового электродвигателя в эксплуатации по интегральным значениям нагрузки // Сборник трудов научно-практической конференции, ЛИИЖТ, 2005г.
- Логинова Е.Ю., Солдатенко Д.А. Влияние параметров тяги на потери в асинхронном приводе тепловоза / Вестник ВНИИЖТ. - 2005. - №4. С. 44-47.
- Солдатенко Д.А. Моделирование режимов работы передач переменного и постоянного тока на тепловозе // Межвузовский сборник научных трудов.- М.: РГОТУПС, 2006.
- Солдатенко Д.А. Возможность оценки эффективности работы тяговых электродвигателей в эксплуатации // Труды 7-ой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». – М.: МИИТ, 2006.
- Логинова Е.Ю., Солдатенко Д.А. Влияние параметров тяговых приводов локомотивов на допустимые нагрузки на рельс // Труды 8-ой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». – М.: МИИТ, 2007.
- Солдатенко Д.А., Логинова Е.Ю. Выбор рационального типа тягового электропривода для автономных локомотивов // Труды V международной научно-практической конференции «Trans-Mech-Art-Chem». – М.: МИИТ, 2008.
- Логинова Е.Ю., Солдатенко Д.А. Использование критериев эффективности при выборе тягового электродвигателя для электрической передачи тепловоза / Транспорт: наука, техника, управление. - 2009. - №2. (в печати).
- Солдатенко Д.А., Логинова Е.Ю. Влияние типа привода локомотива на параметры его колесной пары по условию безопасности движения // Труды IX научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». – М.: МИИТ, 2009. (в печати).
СОЛДАТЕНКО Денис Александрович
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ ТЯГОВЫХ ПРИВОДОВ ТЕПЛОВОЗОВ ПО УРОВНЮ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
Специальность 05.22.07 – «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»
___________________________________________________________________________________
Подписано к печати –
Формат 60841/16 Объем 1,5 п.л. Заказ - Тираж 80 экз.
___________________________________________________________________________________
Типография МИИТ, 127994, Москва, ул. Образцова, 15, МИИТ
