Аннотация: В учебном пособии разбираются вопросы, посвященные выполнению выпускной квалификационной работы (дипломного проекта) на кафедре «Локомотивы». Приведены требования по оформлению и содержанию работы. Рассмотрены вопросы как по работам связанным с сервисными, так и с эксплуатационными локомотивными депо. Предназначено для обучающихся по специальности 23.05.03 Подвижной состав железных дорог, специализация «Локомотивы».

Аннотация: Рекуперативное торможение с возвратом энергии в контактную сеть принципиально позволяет сократить расход энергии на тяговые нужды, но в реальных условиях эффективность этого вида торможения как средства снижения расхода энергоресурсов зачастую ограничена. Более эффективным и независимым от внешних условий является электрическое торможение подвижного состава, при котором генерируемая энергия запасается в бортовых накопителях энергии. Наибольшего сокращения расхода энергоресурсов на тяговые нужды при использовании бортовых накопителей энергии в составе тяговых электроприводов можно добиться для подвижного состава, работающего в режиме частых пусков и остановок. К такому типу подвижного состава относятся электропоезда пригородного движения и метрополитенов и городской электротранспорт, специфике работы которых наилучшим образом соответствуют емкостные накопители энергии на основе суперконденсаторов. В статье рассматриваются процессы обмена энергией в системах тягового электропривода с бортовыми емкостными накопителями энергии при разгоне и электрическом торможении подвижного состава. Энергообменные процессы рассматриваются применительно к резистивным зарядно-разрядным контурам и контурам с реакторами, при этом главное внимание уделяется эффективности энергообменных процессов. Потребитель энергии в разрядном контуре накопителя и источник энергии в зарядном контуре представлены источником ЭДС, которая в общем случае может изменяться с течением времени. Получены зависимости энергетической эффективности процессов заряда и разряда емкостного накопителя энергии от его начального напряжения и интенсивности изменения ЭДС потребителя энергии.

Аннотация: На современных энергоустановках автономных объектов применяются электромеханические преобразователи с хорошими массообъемными показателями. Однако проблема снижения удельных энергетических показателей электрических машин продолжает оставаться актуальной. В статье представлены новые технические решения и расчетные методики для нетрадиционных энергосберегающих машин с улучшенными массообъемными показателями. Электромагнитное ядро машин включает обмотку статора с активными и лобовыми проводниками прямоугольного сечения. Сечение перемычек для соединений активных и лобовых проводников уменьшено. Лобовые проводники обмотки статора не пересекаются. Этими мерами достигаются экономия меди и снижение длины электромагнитного ядра при сохранении высокого КПД. Показана возможность и перспективность выполнения такой обмотки в виде многослойной волновой. Рассмотрена конструкция асинхронного двигателя с обмоткой статора такого типа. Изложены особенности методики проектирования электрических машин с новой обмоткой статора. Приведена развернутая торцевая схема обмотки статора и схема последовательности соединений проводников этой обмотки. Даны выражения для расчета вылета лобовых частей обмотки. Приведены результаты сравнения нового и серийного двигателей мощностью 75 кВт.

Аннотация: Приведены расчетные энергетические характеристики тягового привода электровоза 2ЭС5К при работе в середине фидерной зоны контактной сети. На всем диапазоне регулирования, особенно в начальной зоне малых мощностей, тяговый привод с разработанным преобразователем входного электрического сопротивления имеет преимущества. Коэффициент искажения синусоидальности напряжения на токоприемнике электровоза с выпрямительно-инверторным преобразователем составляет 10, 87%, с применением электрического полупроводникового вариатора в таком же режиме ведения поезда этот коэффициент равен 7, 5%. Показано, что регулированием мощности локомотива путем изменения электрического сопротивления в процессе передачи и потребления электроэнергии из контактной сети повышается энергетическая эффективность и электромагнитная совместимость локомотива с системой электроснабжения без применения дополнительного оборудования.

Аннотация: Предложена математическая модель электротехнической системы "тяговая сеть - электровоз переменного тока с четырехквадрантным преобразователем". Выполнен анализ электромагнитных процессов и вывод расчетных формул параметров системы. Программная реализация предложенной математической модели и численные исследования воспроизводимых электромагнитных процессов выполнены в пакете прикладных программ Simulink вычислительной среды Matlab. Сделаны выводы об электромагнитной совместимости электровозов с различными структурами тягового преобразователя.

Аннотация: Установлено, что при равенстве фазных токов трех- и пятифазной машин переменного тока, число витков в фазе пятифазной машины должно быть меньше в 5/3 раза. При выполнении этого условия трех- и пяти фазная обмотка создают равновеликую намагничивающую силу при одинаковом количестве меди. Индуктивность коммутируемых фаз пятифазной машины уменьшается, что упрощает коммутацию ключей. Уменьшение числа витков в фазе пятифазной обмотки также приводит к ослаблению реакции якоря, диапазон регулирования пятифазной машины по сравнению с трехфазной машиной увеличивается. Приведены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие теоретические исследования.

Аннотация: Выполнен сравнительный анализ результатов моделирования движения электровозов 2ЭС5К и 4ЭС5К по типовому участку с холмистым профилем (тип III), регламентированному нормативными документами. Получены графики токов на токоприемниках электровозов, рассчитано потребление активной энергии электровозами и ее отдача тяговыми подстанциями, а также потери активной энергии в тяговой сети, вызываемые протекающими по ней токами. Определены реактивная и полная энергия в системе тягового электроснабжения за время хода электровоза с составом по участку. На основании этих данных рассчитаны удельные расходы энергии на тягу поездов, а также средневзвешенные коэффициенты активной и реактивной мощности. Проведено сравнение результатов моделирования для электровозов 2ЭС5К и 4ЭС5К. Показано, что увеличение числа секций электровоза приводит к увеличению удельного расхода энергии на тягу поездов и ухудшает энергетические показатели системы электрической тяги.

Аннотация: В статье рассматривается работа асинхронной машины с короткозамкнутым ротором при различных способах формирования электромагнитного момента. Нелинейность характеристики намагничивания модели двигателя учтена посредством степенного многочлена. В состав системы управления включены П-регуляторы токов и скорости, позволяя наглядно сравнить условия управления и полученные результаты. Сравниваются динамические и энергетические свойств асинхронного электропривода при двух различных способах векторного управления. Одно управление обеспечивает формирование электромагнитного момента при стабилизации потокосцепления ротора, осуществляя предварительного намагничивание двигателя. Другое управление, сформированное методом последовательного синтеза, не выполняя предварительного намагничивания, обеспечивает изменение электромагнитного момента при минимизации реактивной мощности. Путем структурно параметрической компенсации, организована линейная зависимость электромагнитного момента от задания, обеспечивая стандартный характер переходных процессов. Основные оценки качества сравниваются в статических режимах и переходных процессах электропривода переменного тока. Оценкой динамических свойств является время реакции системы на входные и возмущающие воздействия. Управление ограничено по модулю вектора напряжения, ограничена полоса пропускания регулируемых переменных.

Аннотация: Дана оценка энергетической эффективности электровозов переменного тока ЗЭС5К с коллекторными тяговыми двигателями постоянного тока в режимах тяги и рекуперативного торможения на конкретном профиле пути отдельных участков между станциями Хабаровск-2 и Бикин Дальневосточной железной дороги. Приведены реальные тяговые и тормозные характеристики, а также характеристики мощности на этих участках, построенные по параметрам работы электровоза ЗЭС5К при ведении грузового поезда большой массы и длины. Проведен анализ характеристик электровоза ЗЭС5К и сравнение их в равных условиях движения поезда с характеристиками электровоза 2ЭС5, имеющего асинхронные тяговые двигатели. На основе этого анализа рассмотрена энергетическая эффективность работы электровозов переменного тока 2ЭС5 и ЗЭС5К. Показаны причины лучшей энергетической эффективности электровозов ЗЭС5К по сравнению с 2ЭС5.

Аннотация: Представлены результаты сравнительных испытаний вентильно-индукторного привода (ВИП, 15 кВт, 300 мин-1) и серийного асинхронного двигателя с аналогичными параметрами при питании от сети и от преобразователя частоты (ПЧ). Двигатели выполнены в одинаковом корпусе AИР160S2. Результаты испытаний, выполненных в Ярославле на специализированном оборудовании испытательного центра ОАО "ELDIN", показали, что применение электромеханической стали толщиной 0, 35 мм марки 2412 позволяет повысить КПД ВИП на 2, 5-3% в сравнении с аналогичным приводом, двигатель которого выполнен из стали толщиной 0, 5 мм марки 2212; КПД асинхронного привода при питании от ПЧ на 8-9% ниже по сравнению с КПД ВИП (сталь 2412, D = 0, 35 мм). При питании от ПЧ КПД асинхронного привода снижается на 3, 5% в сравнении с режимом работы непосредственно от сети 50 Гц.

Аннотация: Приведено обоснование одного из возможных способов управления линейным асинхронным двигателем (ЛАД) с контролем нормальной составляющей силы взаимодействия индуктора и реактивной шины. Показано, что нормальное усилие в одностороннем ЛАД может оказывать большое влияние на работу устройств и систем, на которых установлен двигатель. Эта нормальная сила может притягивать индуктор к реактивной шине, либо отталкивать его от шины. Для модели двигателя, представленного в виде четырех зон - индуктор, воздушный зазор, токопроводящая шина и стальной сердечник реактивной шины - получены аналитические выражения для расчета составляющих магнитного поля в воздушном зазоре. Влияние продольного и поперечного краевых эффектов в рассматриваемой плоской модели двигателя не учитывается. Получены выражения для определения удельных на единицу поверхности касательных и нормальных сил. Показано, что касательная сила при изменении скольжения от отрицательных до положительных значений изменяется подобно электромагнитному моменту обычного асинхронного двигателя с вращающимся ротором. Нормальная сила при изменении скольжения может притягивать индуктор к реактивной шине или отталкивать его от шины. Наибольшего значения сила притяжения достигает при нулевом скольжении. Скольжение, при котором нормальная сила равна нулю, определяется только полюсным делением и проводимостью материала реактивной шины и обеспечивает работу двигателя с наибольшим коэффициентом мощности. Предлагается измеренное значение нормальной силы использовать как параметр при построении системы управления тяговым ЛАД.

Аннотация: Рассмотрены пути повышения устойчивости синхронных машин большой мощности при стабилизации угла нагрузки в структуре системы автоматического регулирования возбуждения. Получена математическая модель электрической машины в разомкнутых и замкнутых системах автоматическогорегулирования, выполнены исследования электромагнитных процессов и анализ существующих и предлагаемых систем оптимального управления. Разработан бесконтактный датчик угла нагрузки синхронного двигателя, базирующийся на измерении доступных параметров синхронной машины и позволяющий вычислять угол нагрузки в статических и динамических режимах работы синхронного генератора, и совместимый с новой системой регулирования. Предложены системы регулирования возбуждения синхронной машины с датчиком измерения угла нагрузки, обеспечивающие более высокие показатели в динамических режимах и более быстродействующую защиту от выпадения из синхронизма, а также позволяющие стабилизировать реактивную мощность, коэффициент мощности и напряжение на статоре синхронной машины.

Аннотация: До половины сбоев в работе рельсовых цепей и автоматической локомотивной сигнализации на участках железных дорог с электротягой переменного тока происходит из-за помех, вызванных асимметрией тягового тока в рельсовых линиях. Поскольку первоисточником указанной асимметрии является асимметрия сопротивлений рельсовых нитей в пределах рельсовой цепи, измерения сопротивления элементов каждой рельсовой нити обеспечивают возможность не только определять асимметрию тягового тока, но и находить элементы с сопротивлениями, выходящими за пределы нормы. Асимметрию тягового тока можно измерять и непосредственно, однако результаты измерений зависят также от условий их проведения - температуры рельсов и уровня переменного тягового тока в них, так как асимметрия сопротивлений рельсовых нитей рельсовой линии создается из-за несимметричного увеличения в них переходных электрических сопротивлений в стыках рельсовых звеньев и дроссельных перемычках. Эти переходные сопротивления мало зависят от температуры окружающей среды и тяговых токов в рельсовых нитях. В результате при уменьшении температуры рельсов типа Р65 от +40 до -4СРС асимметрия сопротивлений рельсовых нитей с учетом их взаимной индуктивности увеличивается в 2, 2-2, 4 раза, а увеличение тягового тока в рельсах, например, в три раза вызывает почти такое же увеличение асимметрии. Влияние взаимной индуктивности рельсовых нитей с контактным проводом приводит к уменьшению асимметрии тягового тока в рельсовой линии. Взаимная индуктивность рельсовых нитей с высоковольтными линиями продольного электроснабжения, размещаемых на опорах контактной сети, может увеличивать или уменьшать эту асимметрию в зависимости от того, какая из рельсовых нитей обладает меньшим сопротивлением. Все эти факторы должны учитываться как при измерениях асимметрии сопротивлений рельсовых нитей или асимметрии переменного тягового тока в них, так и при экстраполяции этих данных на другие условия эксплуатации рельсовой тяговой сети по температуре рельсов, значениям токов в рельсовых нитях, контактных проводах и высоковольтных линиях.

Аннотация: Решается проблема идентификации параметров эквивалентных схем замещения высоковольтных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором в виде отсутствия значений указанных параметров в заводских каталогах. Предложен усовершенствованный метод определения параметров одноконтурной эквивалентной схемы замещения глубокопазных асинхронных двигателей по известным каталожным данным. Для устранения недостатков известных методов необходимо учитывать значения тока статора и вращающего момента в диапазоне значений скольжения от критического до равного единице. Работоспособность предложенного алгоритма идентификации параметров проверена при математическом моделировании статических и динамических характеристик на примере асинхронного двигателя мощностью 8000 кВт и напряжением статора 6 кВ.

Аннотация: Повышение требований к уровню безопасности перевозок и автоматизации управления тяговым подвижным составом обусловливает необходимость разработки микропроцессорных систем управления. В настоящее время в значительной части локомотивного парка применяется реостатно-контакторная система управления тяговыми двигателями, разработанная более века назад, а использование пусковых резисторов при разгоне приводит к значительным потерям электроэнергии. По своим техническим характеристикам такая система управления не удовлетворяет современному уровню развития техники. В статье рассмотрено применение цифровых систем управления на электрическом подвижном составе и их преимущества. Показано, что применение цифровых технологий в конструкциях силовых преобразователей тягового привода позволит значительно увеличить энергоэффективность преобразователей, сократить количество компонентов и повысить надежность привода.

Аннотация: Применение современных синхронных реактивных двигателей позволяет повысить энергоэффективность многих промышленных механизмов. Новые стандарты определяют пять классов энергоэффективности для электродвигателей от уровня IE1 до IE5. В статье рассматриваются вопросы математического моделирования и экспериментального исследования синхронного реактивного двигателя без магнитов самого высокого класса энергоэффективности IE5. Предложенная математическая модель позволяет рассчитать КПД, коэффициент мощности, пульсации момента, потери в обмотке, в сердечниках статора и ротора электродвигателя и другие рабочие характеристики синхронного реактивного двигателя в различных режимах работы. Экспериментальные исследования двигателя проведены на испытательном стенде с прямым измерением момента. Для измерения температуры обмоток использованы термопары и проведены замеры в установившемся температурном режиме. Опытный образец синхронного реактивного двигателя выполнен в корпусе того же габарита и высоты оси вращения, что и серийно производимый асинхронный двигатель класса энергоэффективности IE3 той же мощности. Представлены результаты экспериментального сравнения опытного образца двигателя без магнитов класса энергоэффективности IE5 и серийно производимого двигателя IE4.

Аннотация: Предложены алгоритмы расчета характеристик асинхронных двигателей (АД) для различных значений напряжения питания, его частоты и момента нагрузки без применения итерационных процедур, с использованием только каталожных данных; отпадает необходимость экспериментального определения характеристик АД. В предлагаемых алгоритмах предусматривается определение параметров схем замещения АД и учитывается нелинейная зависимость тока холостого хода от напряжения питания и его частоты. Учет нелинейной зависимости заключается в расчете относительного значения магнитного потока в магнитопроводе статора и определении относительного значения тока холостого хода по относительной характеристике намагничивания. При этом наибольший эффект достигается при расчете характеристик АД небольшой мощности (примерно до 5 кВт) и особенно асинхронных микродвигателей, у которых относительный ток холостого хода имеет повышенные значения. Приведены примеры расчетов характеристик АД по каталожным данным.

Аннотация: Зашумлённые переходные процессы (ПП) в обмотках статора синхронных машин (СМ) в опытах внезапного симметричного КЗ, гашения поля, восстановления напряжения, ударного возбуждения и других особенно уязвимы при их идентификации по результатам стендовых испытаний методами действующих стандартов на испытания синхронных машин. Методы обработки таких процессов в соответствии с отечественными и зарубежными стандартами перегружены трудоёмкими графическими процедурами и расчётами по данным осциллограмм. Эти методы до настоящего времени не позволяют достичь необходимой точности обработки ПП из-за значительного разброса результатов по их идентификации. Опыт внезапного КЗ является центральным из всех переходных процессов, так как он является асимметричным и содержит наибольшее количество составляющих токов в обмотках статора СМ. Следовательно, этот опыт потенциально перспективен для поиска путей обеспечения высокой точности и достоверности идентификации ПП. Другие перечисленные выше ПП являются симметричными, поэтому их точная идентификация достигается аналогично опыту внезапного КЗ. Разработанные вероятностно-статистические методы идентификации ПП во многом решают существующие проблемы. В статье рассмотрены новые возможности развития этих методов с эффективным использованием вариационных рядов случайного признака с обнаруженным ядром эффективных точечных выборок. Эти возможности повышают точность и достоверность результатов идентификации указанных ПП, снижают трудоёмкость исследований случайного признака в исследуемом диапазоне ПП с переходной составляющей при обработке длительных ПП мощных СМ.

Аннотация: Обосновывается перспективность применения инновационных электрических машин переменного тока с компактной обмоткой статора. Предложена методика расчета активных сопротивлений фаз машин, в которых прямоугольное сечение проводников обмотки статора изменяется. Применена кусочно-плоскопараллельная аппроксимация поля витков, сечение перемычек между активными и лобовыми проводниками которых уменьшено. Методика расчета базируется на уравнениях Лапласа для электростатических полей и методе конечных элементов, реализованных в среде ELCUT. Приведены результаты моделирования распределения плотности тока на участках витка с переменным сечением. Иллюстрируется применение методики поэтапного определения активного сопротивления фазы обмотки инновационной электрической машины. Обмотка выполнена из прямоугольного провода с циклически изменяющимся по длине провода сечением. Рассмотрена необходимость учета влияния неравномерного растекания тока в витках с изменяющимся сечением при расчете электрических машин с различными значениями соотношения длины и диаметра сердечника. Приведен пример оценки погрешностей при расчете активных сопротивлений фаз предлагаемой обмотки.

Аннотация: Суда являются автономными объектами, у которых мощность электростанции и объем помещений ограничены. Вентильные электрические машины, имеющие максимальный КПД и минимальные массу и габариты, могут найти на судах широкое применение, прежде всего в судовых системах большой мощности - генераторных агрегатах, гребных установках и подруливающих устройствах. Однако у вентильных электрических машин существует опасность возгорания при межвитковых замыканиях в обмотке статора. Если такое замыкание произойдет в рабочем режиме, то при вращении ротора по инерции или под действием набегающего на гребной винт потока воды в замкнутом контуре обмотки статора будет индуцироваться ЭДС, поскольку магнитное поле ротора сохраняется. Эта ЭДС создаст ток в замкнутом контуре и в зоне замыкания витков будет выделяться большое количество тепла, которое может привести к пожару на судне. В статье рассмотрен способ "гашения" магнитного поля ротора в аварийной ситуации. В соответствии с этим способом магнитная система ротора выполняется из двух частей, одна из которых неподвижно закреплена на роторе, а вторая установлена на поворотной втулке. В нормальном состоянии машины угловые положения одноименных полюсов, закрепленных на роторе и установленных на поворотной втулке, совпадают. В аварийном состоянии машины поворотная втулка разворачивается так, чтобы угловые положения разноименных полюсов ротора и втулки совпадали. В результате индукция магнитного поля в зазоре и ЭДС в обмотках статора в аварийном состоянии машины будут близки к нулю.