Результаты моделирования и обоснования выбора параметров автономных вентильно-индукторных приводов при электрическом торможении полуприцепа экспериментального автопоезда

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Результаты моделирования и обоснования выбора параметров автономных вентильно-индукторных приводов при электрическом торможении полуприцепа экспериментального автопоезда

С.А. Ерусланкин

лаборант кафедры «ТУ» МАДИ



Аннотация

В статье представлены результаты моделирования служебного электрического торможения полуприцепа экспериментального автопоезда вместо механического, выполнена предварительная оценка тормозных свойств автопоезда при остановочном электрическом торможении, обоснован выбор параметров вентильно-индукторного привода при остановочном электрическом торможении, определены зависимости предельных уклонов, преодолеваемых автопоездом с заданной скоростью при электрическом торможении с различной тормозной мощностью, рассчитаны предельная тормозная характеристика на валу вентильно-индукторного двигателя и предельная тормозная характеристика автопоезда.

Ключевые слова: автопоезд, вентильно-индукторный привод, вентильно-индукторный двигатель, электрическое торможение.

полуприцеп автопоезд тормозной привод



Введение

Применение электрического торможения в известной электромеханической трансмиссии (ЭМТ) на базе электрических машин постоянного тока не используется. Вместе с тем, применение служебного электрического торможения вместо механического позволяет использовать последнее только в качестве вспомогательного и аварийного, благодаря чему значительно повышается ресурс механических тормозов и сокращаются затраты на их техническое обслуживание. Особенно эффективно использование электрического торможения при движении автопоезда на затяжных спусках с поддержанием заданной скорости, обеспечиваемым автоматически, благодаря регулировочным возможностям вентильно-индукторного привода (ВИП). Это расширяет возможности использования специального транспортного средства и облегчает водителю управление им. В отличие от активного тягового режима, когда суммарное тяговое усилие автопоезда складывается из тягового усилия, реализуемого гидромеханической трансмиссией (ГМТ) тягача, и тягового усилия, реализуемого ЭМТ полуприцепа, при электрическом торможении ЭМТ полуприцепа на базе ВИП должна самостоятельно реализовать тормозное усилие, достаточное для обеспечения требуемых тормозных свойств всего автопоезда. Именно, исходя из этого требования, проведены расчеты тормозных характеристик автопоезда, реализуемых ВИП.

В качестве способа электрического торможения автопоезда выбрано генераторное торможение вентильно-индукторного двигателя (ВИД) с преобразованием кинетической энергии транспортного средства в электрическую и поглощением её в специальных блоках тормозных резисторов, имеющих высокую перегрузочную способность по току. Такой способ торможения много лет эффективно используется как на городском и магистральном транспорте, так и на дизель-электрических транспортных средствах, в частности, тепловозах и карьерных самосвалах.

В отличие от ЭМТ постоянного тока, где переход от тягового к тормозному режиму требует изменения структуры силовой цепи, в ВИП это достигается изменением алгоритма управления ВИД.



Предварительная оценка тормозных свойств автопоезда при остановочном электрическом торможении

Кинетическая энергия автопоезда без учета коэффициента инерции вращающихся масс определяется по следующей формуле

, (1)

где - полная масса автопоезда, т;

- скорость автопоезда, км/ч.

Подставляя в (1) значение = 120 т и учитывая, что Дж = Вт с, получаем

, кВт с (2)

Результаты расчета по (2) сведены в Табл.1

Таблица 1

V, км/ч	10	15	20	25	30	35	40	45
Wка, кВт с	463	1042	1852	2894	4167	5672	7408	9376
tт400, c	1	2,26	4,02	6,28	9,05	12,3	16,1	20,35
tт600, с	0,67	1,51	2,68	4,19	6,03	8,21	10,72	13,57
tт800, с	0,5	1,13	2	3,14	4,52	6,16	8,04	10,18

Если принять, что в процессе электрического торможения во всем скоростном диапазоне поддерживается постоянная выходная мощность Р1вид на зажимах постоянного тока преобразователя ВИД, а значение кпд ВИД также постоянно во всем скоростном диапазоне, то и мощность Р2вид на валу ВИД также остается постоянной во всем скоростном диапазоне. Тогда время торможения автопоезда с заданной скорости до полной остановки можно приближенно рассчитать по формуле

(3)

где tт - время торможения автопоезда с заданной скорости до полной остановки, с;

- кинетическая энергия автопоезда при скорости начала торможения, кВт с;

- мощность на валу ВИД в тормозном режиме, кВт;

- мощность на зажимах постоянного тока преобразователя ВИД, кВт;

- кпд редуктора мотор-колеса, о.е.;

- кпд ВИД, о.е.

В формуле (3) - значение тормозной мощности, т.е. мощности, рассеиваемой в тормозном резисторе, установленном в общем звене постоянного тока 8-ми ВИД.

Подставляя в (3) и значения Wка для каждой скорости из табл.1, определяем время торможения для трех значений тормозной мощности Рт, равных 400 кВт, 600 кВт и 800 кВт.

Результаты расчета сведены в табл.1.

Отметим, что расчет проведен без учета тормозящего действия сил сопротивления качению. При учете этих сил значения времени торможения будут меньше указанных в табл.1.

Выбор параметров ВИП при остановочном электрическом торможении

Выбираем базовое значение напряжения в общем звене постоянного тока преобразователей ВИД в тяговом и тормозном режимах Ud=600 В.

При этом требуемое сопротивление тормозного резистора определяется по формуле



, (4)

где Ud - напряжение в звене постоянного тока, В;

- мощность, рассеиваемая в тормозном резисторе, кВт.

Мощность на валу ВИД в тормозном режиме определяется по следующей формуле

, кВт (5)

Электрическая мощность, отдаваемая ВИД в тормозном режиме

(6)

Ток в звене постоянного тока преобразователя ВИД в тормозном режиме

, А (7)

Ток в тормозном резисторе

, А (8)

Результаты расчетов по (4) - (8) для трех значений тормозной мощности , равных 400 кВт, 600 кВт и 800 кВт, приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Рт, кВт	Rт, Ом	IRт, А	Р1вид, кВт	Р2вид, кВт	Id вид, А
400	0,9	667	50	54,3	83,4
600	0,6	1000	75	81,5	125
800	0,45	1333	100	108,7	166,6

В качестве блоков тормозных резисторов выбираем блоки силовых резисторов БСР10-13У2 ДЖТИ.434362.013, применяемые в комплекте электрооборудования «ПУЛЬС» («ДИНАС-12») в вагонах метрополитена модели 81-720/721 («ЯУЗА»).

Каждый из этих блоков содержит 10 последовательно включенных фехралевых резистивных элементов 6ТД.662.005-01 (ДИКЖ.434257.002) с параметрами R = 0,189 Ом±10%, = 107 А, масса 4,64 кг. Суммарное сопротивление одного блока БСР10-13У2 равно R? = 1,89 Ом. Тогда при = 400 кВт необходимо включить два блока БСР10-13У2 параллельно, при этом суммарное сопротивление двух параллельно включенных блоков будет равно =R?/2=1,89/2=0,945Ом±10%, что примерно соответствует значению =0,9 Ом, указанному в табл.2 для = 400 кВт.

Коэффициент перегрузки резистивных элементов по току для этого случая равен

(9)

Максимальное время действия перегрузки tпер при торможении со скорости 45 км/ч при мощности = 400 кВт равно 400 = 20,35 с (см. табл.1).

Полученные значения КI 400 = 3,1 и = 20,35 с обеспечивают с запасом допустимый тепловой режим выбранных блоков резисторов.

Габаритные размеры блока резисторов БСР10-13У2:

длина - 688 мм, ширина - 280 мм, высота - 738,5 мм.

Масса блока БСР10-13У2 равна 75 кг.

При =600 кВт необходимо включить параллельно три блока БСР10-13У2, при этом суммарное сопротивление трех параллельно включенных блоков будет равно = R? /3 = 1,89/3 = 0,63 Ом±10%, что примерно соответствует значению = 0,6 Ом, указанному в табл.2 для =600 кВт.

Коэффициент перегрузки резистивных элементов по току для этого случая равен

(10)

Максимальное время действия перегрузки tпер при торможении со скорости 45 км/ч при мощности = 600 кВт равно 600=13,57 с (см. табл.1). Следовательно, тепловая нагрузка блоков резисторов в этом случае не превышает допустимых значений и меньше (из-за меньшей длительности перегрузки), чем в предыдущем случае при = 400 кВт.

При = 800 кВт необходимо включить параллельно четыре блока БСР10-13У2, при этом суммарное сопротивление четырех параллельно включенных блоков будет равно = R? /4 = 1,89/4 = 0,4725 Ом±10%, что примерно соответствует значению = 0,45 Ом, указанному в табл.2 для =800 кВт.

Коэффициент перегрузки резистивных элементов по току для этого случая равен

(11)

Максимальное время действия перегрузки tпер при торможении со скорости 45 км/ч при мощности =800 кВт равно 800=10,18 с (см. табл. 1).

Следовательно, тепловая нагрузка блоков резисторов в этом случае также не превышает допустимых значений и меньше (из-за меньшей длительности перегрузки), чем в случаях = 400 кВт и = 600 кВт.



Расчет зависимостей предельных уклонов, преодолеваемых автопоездом с заданной скоростью при электрическом торможении с различной тормозной мощностью

Проведенные выше расчеты и выбранные параметры ВИП касались остановочного торможения автопоезда. Рассмотрим теперь необходимые тормозные свойства автопоезда при подтормаживании на затяжных спусках. Расчеты проводим только для торможения автопоезда на дороге с асфальтово-бетонным покрытием, обладающим наименьшим сопротивлением качению и, следовательно, требующим максимальных тормозных свойств автопоезда при прочих равных условиях.

Уравнение равновесия действующих сил при подтормаживании автопоезда с установившейся скоростью на спуске с заданным продольным уклоном выражается следующей формулой

, (12)

где - суммарное тормозное усилие автопоезда, кН;

- полная масса автопоезда, т;

i - продольный уклон дороги, о.е.;

f - коэффициент сопротивления качению, о.е.

Тормозная мощность, необходимая для подтормаживания автопоезда с заданной скоростью на спуске с заданным продольным уклоном, выражается следующей формулой

, (13)

где - суммарная тормозная мощность на колесах полуприцепа, кВт;

- суммарное тормозное усилие автопоезда, кН;

V - скорость автопоезда, км/ч.

Подставляя (12) в (13), находим

(14)

Преобразуем (14) следующим образом

(15)

После подстановки в (15) = 120 т и преобразований, получаем формулу для расчета зависимости предельного уклона от скорости, с которой автопоезд может преодолевать заданный уклон при электрическом торможении с различной тормозной мощностью

(16)

В табл.3 приведены результаты расчета по (16) зависимостей i(V) для дорог с асфальтово-бетонным (f = 0,02) и грунтово-щебеночным (f = 0,04) покрытиями при трех значениях тормозной мощности , равных 400 кВт, 600 кВт и 800 кВт.

Таблица 3

V, км/ч	5	7,5	10	12,5	15	20	25	30	35	40
= 400 кВт	iаб	0,265	0,183	0,142	0,118	0,102	0,081	0,069	0,061	0,055	0,051
	iгщ	0,285	0,203	0,162	0,138	0,122	0,101	0,089	0,081	0,075	0,071
= 600 кВт	iаб	0,387	0,265	0,204	0,167	0,142	0,112	0,093	0,081	0,072	0,066
	iгщ	0,407	0,285	0,224	0,187	0,162	0,132	0,113	0,101	0,092	0,086
= 800 кВт	iаб	0,51	0,346	0,265	0,216	0,183	0,142	0,118	0,102	0,09	0,081
	iгщ	0,53	0,366	0,285	0,236	0,203	0,162	0,138	0,122	0,11	0,101

Поскольку, в отличие от расчетов для остановочного торможения, значения тормозной мощности в (13) - (16) взяты на колесах автопоезда, соответствующие значения электрической мощности, отдаваемой ВИД в тормозные резисторы, будут равны = • • = • 0,944 • 0,92 = 0,87 • , то есть рассчитанные в табл.3 зависимости i(V) реализуются при значениях электрической мощности , рассеиваемой в тормозных резисторах, на 13% меньше указанных значений .

Либо, наоборот, при реализации ВИП значений электрической мощности = 400, 600 или 800 кВт, значения суммарной тормозной мощности на колесах автопоезда составят = /0,87, то есть на 13% больше указанных в табл. 3. значений .

Расчет предельной тормозной характеристики на валу ВИД

Расчет тормозного момента на валу ВИД ведем по следующей формуле

, (17)

где - тормозной момент на валу ВИД, Нм;

- частота вращения вала ВИД, об/мин;

- тормозная мощность на валу ВИД, кВт.

Тормозная мощность на валу ВИД связана с тормозной мощностью , рассеиваемой в тормозном резисторе, следующим соотношением

(18)

Подставляя (18) в (17), получаем

(19)

Результаты расчета по (19) зависимости , представляющей собой предельную тормозную характеристику на валу ВИД, при , = 400 кВт и , сведены в табл.4, а график этой зависимости представлен на рис.1

Рис.1 Предельная тормозная характеристика на валу ВИД

Таблица 4

, об/мин	300	400	500	600	700	800	900	1000	1500	2000	2500	3000	3500	4000	4500	5000
, Нм	1730	1297	1038	865	741	649	577	519	346	259	208	173	148	130	115	104
V, км/ч	2,6	3,46	4,3	5,2	6,05	6,9	7,8	8,65	13	17,3	21,6	26	30,3	34,6	38,9	43,3
, КН	615	461	369	307	263	231	205	184	123	92	74	62	53	46	41	37

Определим параметры ВИД при движении автопоезда на спуске с продольным уклоном 10% со скоростью 15 км/ч по дороге с асфальтово-бетонным покрытием. Частоту вращения ВИД при V = 15 км/ч определяем по



об/мин (20)

По предельной тормозной характеристике на валу ВИД (рис.1) находим для = 1734 об/мин значение = 300 Нм.

Мощность на валу ВИД в этом режиме определяем из (17)

кВт

Определим зависимость длины спуска от времени движения автопоезда на спуске с уклоном 10% со скоростью 15 км/ч.

Скорости 15 км/ч соответствуют 1510і/60 = 250 м /мин. Тогда путь, пройденный автопоездом, равен

, (21)

где L - путь, пройденный автопоездом на спуске, м;

V - скорость движения автопоезда на спуске, м/мин;

t - время движения автопоезда на спуске, мин.

Результаты расчета по (21) сведены в табл. 5

Таблица 5

t, мин	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
L, м	250	500	750	1000	1250	1500	1750	2000	2250	2500

Как следует из табл.5, при движении в режиме электрического торможения на спуске с продольным уклоном 10% с установившейся скоростью 15 км/ч по дороге с асфальтово-бетонным покрытием автопоезд в течение 4 минут проходит расстояние 1000 метров. Для выполнения ВИП требований этого режима ВИД мотор-колес должны обеспечивать реализацию тормозного момента на валу Нм при частоте вращения = 1734 об/мин в течение 4 минут из средненагретого состояния без превышения допустимой температуры. Блоки тормозных резисторов в этом режиме должны обеспечивать реализацию тормозной мощности кВт с перегрузкой по току КI 400 = 3,1 в течение не более 4 минут без превышения допустимой температуры.

Расчет предельной тормозной характеристики автопоезда, реализуемой ВИП

Суммарное тормозное усилие автопоезда, обеспечиваемое ЭМТ на базе ВИП, определяется по следующей формуле

(22)

Подставляя в (22) значения = 34,85, = 0,944, = 0,8 м, получаем

, кН (23)

Скорость автопоезда при заданной частоте вращения вала ВИД определяется следующим образом

(24)

Подставляя в (23) и (24) соответствующие значения и из табл.4, рассчитываем зависимость (V), представляющую собой предельную тормозную характеристику автопоезда, реализуемую ВИП при электрическом торможении с постоянной тормозной мощностью = 400 кВт. Результаты расчета зависимости (V) приведены в табл.4, а график этой зависимости представлен на рис.2

Рис.2 Предельная тормозная характеристика автопоезда, реализуемая ВИП



Выводы

Применение электрического торможения вместо механического в существующем транспортном средстве позволит расширить возможности его применения, облегчит условия работы водителя, уменьшит эксплуатационные затраты. Реализуемые ВИП тормозные характеристики позволяют не просто активизировать работу транспортного средства в тяговом режиме, но и обеспечить при служебном электрическом торможении требуемые тормозные свойства всего автопоезда без использования механических тормозов.

Рассчитанная предельная тормозная характеристики на валу ВИД, а также выбранные параметры и режимы ВИД могут быть использованы в качестве исходных данных для расчета и конструирования электрических машин и преобразователей ВИП, а также выбора параметров аппаратуры управления ВИП.



Литература

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

2. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. М.: Энергия, 1980, 928 с.

3. Электротехнический справочник. Т. 2. Под ред. В.Г. Герасимова. М.: МЭИ, 2003. 518 c.

4. Кузнецов В.А., Кузьмичев В.А. Вентильно-индукторные двигатели.- М.: Изд-во МЭИ, 2002, 57 с.

5. Копылов И.П., Клоков Б.К., Морозкин В.П., Токарев Б.К. Проектирование электрических машин: Учебн. для вузов. - 3-е изд., испр. и доп. - М.: Высш. шк., 2002, 757 с.

Размещено на Allbest.ru