Энергетика электропривода. 
Тяговый электрический привод

БАЛАНС МОЩНОСТИ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

При разработке тяговых электроприводов, как и любых других электротехнических комплексов, на практике сопоставляются несколько (обычно не менее двух) вариантов их исполнения. Вызвано это, прежде всего, тем, что одни и те же функции, как это было показано ранее, могут выполнять приводы на постоянном и переменном токе с различными электрическими машинами. Для сравнения и обоснованного выбора того или иного типа привода необходимо руководствоваться определенными критериями, подтверждающими преимущество выбранного типа. В зависимости от того, какие аспекты применения привода интересуют, сравнение их производится по нескольким направлениям. К ним относятся:

• • технические параметры;
• • эксплуатационные характеристики;
• • стоимостные показатели;
• • экологичность и т. д.

Вместе с тем отправной точкой для сравнения служат технические параметры и прежде всего — мощность тягового привода.

Как указывалось выше, в процессе движения основной потребитель энергии привода — электрическая машина развивает различную мощность, максимальное значение которой приходится на завершающую стадию пуска, когда двигатель выходит на автоматическую характеристику полного поля. Этому моменту соответствует и максимальное значение потребляемой из источника питания энергии. При этом такие важные с позиций эксплуатационных показателей технические параметры, определяющие динамику подвижного состава, как сила тяги на ободе колеса и развиваемое ускорение, на стадии пуска с момента трогания до автоматической характеристики достигают максимальных значений раньше. В качестве примера на рис. 9.1 показаны зависимости потребляемой двигателем энергии A (t), создаваемого тягового усилия F (t)_y реализуемого в процессе движения ускорения a (t) и скорости его нарастания a) для классического варианта движения подвижного состава городского наземного транспорта по схеме «пуск — выбег — торможение». При этом считается, что в режиме торможения происходит возврат энергии в источник питания (рекуперация).

Рис. 9.1. Кривые параметров подвижного состава для классической

схемы движения

Из рисунка видно, что величина потребляемой от источника энергии в процессе пуска существенно изменяется, достигая максимального значения на автоматической характеристике. Развиваемая при этом мощность тягового двигателя с учетом его перегрузочной способности, как правило, увеличивается в два раза и более.

Неравномерное потребление энергии на движение приводит к необходимости учета не только общего и среднего значения, но и пиковых нагрузок, что особенно важно при использовании на подвижном составе автономных источников энергии. И если на транспортных средствах с электрохимическими источниками это приводит к уменьшению всличины выходного напряжения, то на теплоэлектрическом подвижном составе чрезмерная пиковая нагрузка может привести к остановке теплового двигателя, что недопустимо.

Кроме того, характер потребления электрической энергии при централизованном электроснабжении существенно влияет на значения параметров, по которым выбираются ее элементы — трансформаторы, выпрямители и другие элементы силовой цепи, а также уставки устройств защиты от перегрузок и коротких замыканий.

Строго говоря, показанная на рис. 9.1 кривая отражает не только энергию, потребленную тяговым двигателем для совершения движения транспортным средством, но и энергию, затраченную на преодоление внутренних потерь во всех элементах привода.

Не останавливаясь на потерях энергии в источнике питания тягового привода, которые существенно различаются в зависимости от его типа, рассмотрим основные ее составляющие в электрической и механической частях его, которые сводятся к следующим составляющим:

• • электрические потери, вызванные протеканием тока по элементам электрической цепи привода и выделяемые в виде теплоты;
• • магнитные потери, вызываемые перемагничиванием элементов магнитной цепи аппаратов привода и выделяемые в виде теплоты;
• • механические потери в элементах привода, вызванные трением и выделяемые в виде теплоты.

При этом электрические потери включают в себя потери, вызванные протеканием тока по элементам не только с активной составляющей их электрического сопротивления, но и их реактивной составляющей.

Для расчета потерь в электроприводе используется уравнение, описывающее баланс мощности между потребленной энергией от источника Р_с и реализованной энергией на движение транспортного средства Л/_коз_к с учетом потерь ее в элементах привода. Применительно к однодвигательному приводу подвижного состава уравнение имеет вид.

где Р_с — величина мощности энергии, потребленной от источника пи тания;

М_к — крутящий момент на ободе колеса; со_к — угловая скорость колеса;

Ji — момент инерции /-го элемента механической части привода;

Cj — жесткостьу-го элемента механической части привода;

Фу-угол поворотау'-го элемента механической части привода;

т_к — масса А:-го элемента привода;

h_k — высота подъема А>го элемента привода;

L{ — величина индуктивности /-го элемента электрической части привода;

// - ток, протекающий по /-му элементу электрической части привода; С" — величина электрической емкости «-го элемента электрической части привода;

U_n — напряжение источника питания;

APv — суммарная мощность потерь, вызванная потерями в активной составляющей электрического сопротивления обмоток электрического и электромеханического преобразователей, потерями, связанными с перемагничиванием стали, потерями в емкостных элементах, потерями из-за наличия трения в механической части.

Наличие как в механической, так и в электрической части тягового привода элементов, способных запасать энергию, определяет присутствие в уравнении составляющих, связанных с изменением энергии этих элементов.

Так, составляющая TV, оопределяет мощность, которая идет, ' dt

на изменение кинетической энергии движущихся элементов механической части. Как было показано ранее, кинетическая энергия подвижного состава определяется двумя составляющими: энергией поступательного движения и энергией вращательного. Для упрощения расчетов расхода энергии на движение вторая составляющая выражается как некоторая часть от энергии поступательного движения через коэффициент вращающихся масс поезда:

Мощность, которая идет на изменение потенциальной энергии деформируемых элементов механической части, описывается состав;

~ V.

ляющеи > с, ф,-.

Т ' ' dt.

Изменение потенциальной энергии элементов определяется выражением для мощности ^m_kg—-. Поскольку все элементы привода.

* dt

располагаются на транспортном средстве, одновременно изменяется их потенциальная энергия. Тогда она может быть выражена как интегральный показатель через массу поезда:

В электрической части энергия может запасаться в дросселях и конденсаторах, при этом изменение суммарной энергии в индуктивных и емкостных элементах определяется соответственно составляющими.

Экономичность работы электропривода в любом известном цикле характеризуется отношением произведенной механической работы г.

А_исх = fF, v_llcdt к потребленной за это время электроэнергии о.

Т".

А_} = jP_edt, которое называется цикловым КПД привода.

Применительно к тяговому приводу, где цикличность работы определяется расстоянием между остановочными пунктами, в качестве единой базы выступает стандартный перегон, длина которого определяется величиной /_С1анл = 350 м для подвижного состава трамвая и троллейбуса и /_станд = 1700 м — для метрополитена. Сопоставляя затраты энергии на преодоление стандартного перегона для различных типов приводов, можно сделать заключение об их экономичности.

Коэффициент полезного действия электропривода с централизованным электроснабжением как системы в соответствии с рис. 1.1 и известными положениями может быть представлен в виде произведения: где г|пр> Лэмпр" Лмп — КПД электрического и электромеханического преобразователей и механической части привода соответственно;

Рэмпо — мощность на входе электромеханического преобразователя;

Рмц — механическая мощность.

Каждая из составляющих общего коэффициента полезного действия — величина непостоянная. Она зависит от нагрузки, определяемой в тяговых приводах наполнением пассажирского салона, профилем пути, скорости электрических машин, величины питающего напряжения и других факторов. Однако исходным параметром, характеризующим каждое устройство, будет номинальный КПД, соответствующий номинальной нагрузке и скорости при номинальном напряжении питания, подводимого к приводу.

Из определения КПД следует, что эта энергетическая характеристика является мерой экономичности преобразования энергии тяговым электроприводом, мерой полезного использования потребляемой энергии. Поэтому универсальной оценкой КПД является выражение в форме (9.1).