В процессе создания бесконтактного наземного транспорта с магнитным подвесом одно из определяющих мест принадлежит поиску оптимальных параметров как ЛТЭД, так и на их основе тягово-левитационных модулей (ГЛМ) по определенному множеству целевых функций. Набор возможных целевых функций для этого, в сравнении с табл. 3.1, может быть существенно изменен и расширен. Для множества функций характерны общие свойства [18].
Свойство 1. Целевые функции выбора оптимального варианта ЛТЭД могут быть выражены только через параметры его конструктивного исполнения и процессов или через те и другие одновременно. Все их множество можно представить подмножествами, выраженными:
в терминах конструктивного исполнения
Свойство 2. Связь ЛТЭД с другими подсистемами экипажа может осуществляться только с помощью выражения (3.25) или
(3.26). Это свойство определяет подмножество целевых функций ЛТЭД как некоторой подсистемы экипажа.
Свойство 3. Параметры конструктивного исполнения и процессов ЛТЭД, через которые выражаются целевые функции, и сами функции в общем случае могут определяться любым известным способом и быть равными некоторым константам, ограниченным, сверху или снизу, и/неограниченным.
Поскольку при проектировании. ЛТЭД всегда располагают номинальными значениями мощности, силы тяги и скорости: Ян, Fxn, v„-const, то на основе выражений (3.25) — (3.27) можно сформировать полные наборы из независимых целевых функций, максимально удовлетворяющие поиску оптимального варианта ЛТЭД. Например, для ЛАТЭД можно выделить эти функции выраженными через выходные параметры:
Ф -{/»„, Wc. ffip.mi 71з.н’ 71д.н’ Ат/7′хн, I'(ь1), 5кр}.
Для выбора его оптимального варианта и для оценки вариантов в процессе счета целесообразно отбросить бесперспективные как можно раньше и прийти к зависимости
Ф*={тн, стс, отр.ш, т]д.н, cos Фн, F.n /пах, sKp, S, Fz). (3.28)
Если по каждой целевой функции можно дать оценку, приведенную к общей шкале, и эти оценки считать аддитивными, то п целевых функций можно заменить одной в виде взвешенной суммы Ф= ^ PiTj:i(X) с весовыми коэффициентами pt.
/= 1
Кроме аддитивных функций для агрегирования нескольких целевых функций в одну могут использоваться и другие классы функций: мультипликативные выражения; аддитивно-мультипликативные и т. д. Выбор класса функций для агрегирования и конкретного представления в нем объединенной целевой функции определяется тем, насколько хорошо она отражает предпочтения лица, принимающего решение.
Объединенная целевая функция (3.28) может быть представлена, например, таким мультипликативным выражением
Принципиально целевые функции /у — /2о (см. табл. 3.1) достаточно полно представляют ЛТЭД как в термин,ах конструктивного исполнения, так и в терминах протекающих в них процессов. Однако обычно невозможно обеспечить исходные уело-
Рис. 3.25. Зависимость значений (г, Fx, Fz от различных факторов: а, б — распределения значений f(z) по длине индуктора в зависимости от частоты при Л -11,67 кА/м; в — то же от проводимости реактивной шины и частоты питающего тока при А-100 кА/м; a — Fx(s)> fz(s) при const, 7- /»*-50 Гц, $=0; 2 — f,-50 Г«, 5 — 0,2; 3 — f,«75 Гц; s = 0; 4- f,-75 Гц. s-0,29; 5 — ^*=11,2-104 См, H
-157 Гц; 6 — 72^=11,2-104 См, /г-78 Гц; 7 -22.4-1СИ См. *-157Ги;*, //- соответственно FX(S) и fz(s) при /|-50 Гц; -9. 12 — то же при И -75 Гц; 10, 13 — то же При fi«= 100 Гц; сплошные линии — расчетные данные; штриховые — экспериментальные вия и получить максимальные результаты, например, усилий, КПД и cos ф в ЛТЭД с минимальной массой (рис. 3.25). Как правило, это достигается на основе неизбежного компромисса. В частности, в ЛАТЭД при росте фактора качества GR улучшается его идеальная работа, но одновременно с увеличением GR в высокоскоростном ЛАТЭД усиливается действие краевого эффекта. С учетом этого максимальной cos ф при условии компенсации краевого эффекта
Рис. 3.26. Изменение массогабаритных показателей ОЛАД-1200 от частоты питающего тока:
1-ширина двигателя Х.л, 2 — высота спинки индуктора Нс 3 — масса активных материалов том; А — толщина обратного магнитопровода ЛоМ
Рис. 3.27. Изменение показателя Сэ и силы тяги Гх ЛАТЭД от скорости V при различных частотах питающего тока
Желательное компромиссное решение можно получить, когда обеспечивается
На рис. 3.26 видно, чтб с увеличением частоты в ЛАТЭД одновременно с общей массой активных материалов уменьшаются высота спинки индуктора, толщина обратного магнитопровода и ширина двигателя.
Графики на рис. 3.27 показывают, что для высоких скоростей движения необходимо применять высокие частоты, так как низкие частоты дают малую силу тяги при плохих технико-экономических показателях. Большое влияние на параметры оказывает материал и геометрические размеры реактивной шины. Как видно на рис. 3.4, большая сила тяги обеспечивается при меньшей Электропроводности реактивной шины. Этого же эффекта можно добиться путем уменьшения сечения шины, т. е. увеличением активного сопротивления. Однако в уменьшении сечения существует предел, определяемый механической прочностью реактивной шины и тепловым состоянием в период пуска и торможением экипажа. Для вертикальной реактивной шины, по зарубежным источникам, минимальная толщина составляет 11 мм, а в случае пустотелой конструкции минимальная эффективная толщина будет примерно 6 мм.
Поскольку увеличение ширины реактивной шины до Ья + 0,8 т (Ьи — ширина индуктора; т — полюсное деление) повышает силу тяги всего лишь на 10%, а дальнейшее уширение и того меньше, то достаточно, чтобы
Основными причинами неудовлетворительных энергетических показателей ЛАТЭД являются низкое использование активных материалов при существующих системах охлаждения и большие воздушные зазоры. В качестве исходного теплового фактора, определяющего массо-габаритные показатели, для известных натурных ЛАТЭД, как правило, принимался Кг — (0,3-4-0,6) ТА2/м3 при плотности тока в обмотке статора /=(4-4-6) МА/м2, в то время как применяемые на летательных аппаратах электрические машины имеют А’/- (1,0-4-2,5) ТА2/м3 и плотности тока ^18 МА/м2. Одним из направлений совершенствования ЛТЭД является применение для них освоенных в нашей стране систем охлаждения, позволяющих иметь коэффициент теплоотдачи а=?4 ^25 кВт/(м2-°С) вместо а= (140-4-180) Вт/(м2-°С) при обычных воздушных системах охлаждения. Повышение /’^(18-4-25)/МА/м2 целесообразно при А«~1 ТА2/м3 (рис. 3.28). Дальнейшее увеличение } и Кг является нерациональным, поскольку оно связано с дополнительным усложнением системы охлаждения и слабо влияет на улучшение основных показателей ЛАТЭД.
Низкие энергетические показатели нередко стремятся устранить путем уменьшения зазора 6^10 мм. Однако более эффективным может быть повышение коэффициента мощности путем использования малогабаритных накопителей реактивной мощности при отношении механического зазора и полюсного деления б/т= 0,05-0,1 [48].
В плане сопоставления энергетические и тяговые показатели компенсированного и некомпенсированного ЛАТЭД с ФРШ удобно представлять в виде отношений энергетических факторов
Рис. 3.28. Зависимости отношения /чя/<2ст (а) и приращения энергетического фактора (б) от плотности тока в обмотке индуктора ОЛЛ.ТЭД (Ри=
= 1,332 мВт, с=111 м/с и 0=0,03 м):
/_Т=0,35 м; 2р = 5; 2 — т=0,35 н; 2р = 7; 3 — Т=0,35 м; 2р=9; 4 — т = 0,3 ч; 5 — Т-«*0,35 м; б -1 = 0,4 м; 7 — Т=0,45 м; 8 — Т=*0,45 м; 2р = 5; 9 — т=0*45 м; 2р = 7; 10 —
т=0,45 м; 2р=9
Особенностью ФРШ с включением в фазную обмотку конденсаторов является возможность изменения соотношения между первичной и вторичной линейными токовыми нагрузками и улучшения коэффициента мощности двигателя, что делает реальным получение удельных тяговых усилий на уровне 40-60 кН/м2, массовых показателей подвижной части двигателя тп/Р= = (0,2-0,5) кг/кВт при энергетическом факторе Сэ=0,754-0,8. При длине питаемого участка ‘/„=2,5 км для повышения cos ф до 0,93 необходимая общая емкость компенсирующего устройства составит 1,03 Ф.
Синхронная группа ЛТЭД — ЛСТЭД со СПОВ, ЛСТЭДФ и ЛИТЭД в качестве основных преимуществ по сравнению с освоенными ЛАТЭД имеет: больший рабочий воздушный зазор; наиболее высокий энергетический коэффициент Сз’, способность работать с опережающим cos ф; наличие краевого эффекта в них не является такой серьезной проблемой, как в ЛАТЭД; наи-¦ большая возможность их одновременного применения не только для тяги, но и для магнитной подвески и направления.
|
т |
= 1 м |
т |
-0; 5 м |
т=0,57 м |
|||||||
|
Показатели |
Ас“12 |
Кс~ 20 |
|||||||||
|
Ас = 12 |
/с |
= 10* А |
Кс~ 24 |
к |
с=24 |
45 |
|||||
|
/с=5, Ю5 А |
/с = 10* А |
‘с-5. |
!05 А |
V |
= 10“ А |
С = 5, 10“ А |
|||||
|
Скорость О, м/с |
111 |
111 |
ш |
111 |
Ш |
111 |
ш |
111 |
111 |
111 |
133,3 |
|
Сила тяги F, кН |
45 |
45 |
45 |
45 |
45 |
45 |
45 |
45 |
45 |
45 |
40 |
|
Дорожный просвет, м |
0,1 |
0,1 |
0,1 |
0,1 |
0,1 |
0,1 |
0,1 |
0,1 |
0,1 |
0,1 |
0,15 |
|
Воздушный зазор 6, м |
0,2 |
0,2 |
0,2 |
0,2 |
0,2 |
0,2 |
0,2 |
0,2 |
0,2 |
0,2 |
0,22 |
|
Ширина якорной об- |
1,2 |
1,2 |
1,2 |
1,2 |
1,2 |
1,2 |
1,2 |
‘ 1,2 |
1,2 |
1,2 |
1,6 |
|
МОТКИ, м |
1,44 |
1,44 |
|||||||||
|
Ширина сверхпроводящей обмотки воз- |
1,44 |
1,44 |
1,44 |
1,44 |
1,44 |
1,44 |
1,44 |
1,44 |
1,7 |
||
|
буждения, м Сила тока фазы, I, А |
2444 |
1222 |
1222 |
1222 |
595 |
733 |
1156 |
1156 |
578 |
578 |
474 |
|
Плотность тока \ А/мм |
2 |
2 |
3 |
2 |
3 |
2 |
2 |
2 |
2 |
2 |
2,37 |
|
Активное сопротивление R, Ом/км |
0,06 |
0,12 0,43 |
0,19 0,45 |
0,12 |
0,71 |
0,2 |
0,2 |
0,2 |
0,4 |
0,4 |
0,56 |
|
То же индуктивное |
0,4 |
0,43 |
0,81 |
0,46 |
1,33 |
1,33 |
1,42 |
1,42 |
1,78 |
||
|
X При /н, Ом/км ЭДС, кВ |
0,75 |
1,5 |
1,5 |
1,5 |
3,0 |
2,5 |
1,59 |
1,59 |
3,18 |
3,18 |
4,13 |
|
Длина питаемого |
4,5 |
2,0 |
1,5 |
4,5 |
2,0 |
2,0 |
2,0 |
4,5 |
2,0 |
4,5 |
5,0 |
|
участка, км Фазное напряжение |
4,4 |
1,8 |
1,8 |
2,8 |
3,88 |
2,66 |
3,2 |
6,87 |
3,49 |
4,79 |
5,84 |
|
U, кВ |
ПО |
110 |
110 |
110 |
110 |
ПО |
ПО |
ПО |
ПО |
ПО |
по |
|
Полная мощность S, |
32,2 |
6,6 |
6,3 |
10,3 |
6,9 |
5,8 |
11,1 |
23,8 |
6,1 |
8,3 |
8,3 |
|
мВ-А Активная мощность |
9,9 |
6,1 |
6,2 |
7,4 |
6,6 |
5,7 |
6,6 |
8,6 |
5,8 |
6,8 |
7,2 |
|
Р, мВт КПД п COS ф Энергетический фак- |
0,51 |
0,82 |
0,81 |
0,67 |
0,76 |
0,89 |
0,76 |
0,58 |
0,86 |
0,74 |
0,74 |
|
0,31 |
0,УЗ |
0,98 |
0,73 |
0,95 |
0,97 |
0,59 |
0,36 |
0,96 |
0,82 |
0,87 |
|
|
0,16 |
0,76 |
0,79 |
0,49 |
0,72 |
0,86 |
0,45 |
0,21 |
0,83 |
0,6 |
0,64 |
|
|
тор Г] COS ф Расход алюминия на |
21,8 |
10,9 |
7,1 |
10,9 |
7.1 |
6,5 |
15,9 |
15,9 |
8,0 |
8,0 |
6,2 |
|
1 км, т |
|||||||||||
Тягово-энергетические характеристики и техникоэкономические показатели ЛСТЭД со сверхпроводящими обмотками возбуждения зависят от различных конструктивных его параметров, тесно связаны с выходными данными тягово-левитацион-ных модулей, экипажей и путевых структур транспортных систем. Рис. 3.29, данные табл. 3.6 и последующих глав подтверждают это.
Дефицит потребляемой энергии ставит на первое место вопрос об энергозатратах различными системами тяги бесконтактного транспорта с магнитным подвесом. При общей его конкурентоспособности полный расход электроэнергии подвижным составом, состоящим из десяти экипажей вместимостью каждый 75 пассажиров, при скорости на площадке V — = 400 км/ч характеризуется данными, приведенными в табл. 3.7 [91, 94].
Рис. 3.29. Зависимость относительных сил тяги А и силы левитации /2 ЛСТЭД со СПОВ от угла 0 между осями МДС обмотки возбуждения и якорной обмотки:
1 -/д,; 2 — [г; /-/1 — зоны соответствен но тяги, левитации; III, V — притяжения; IV — торможения
Из данных табл. 3.7 видно, что ОЛАТЭД, выполняющий лишь функцию тяги, имеет самый низкий энергетический фактор Сэ и высокое потребление полной мощности, а наилучшие показатели принадлежат системе «тяга с ЭМП» на базе ОЛИТЭД.
Оптимизация ЛСТЭД является сложной многофакторной проблемой и нуждается еще в дополнительных исследованиях. В частности, ее можно ограничить в конструкции ОЛСТЭД со сверхпроводящими обмотками возбуждения повышением 1] путем выбора полюсного деления.
3.7. Сравиеиие энергозатрат в ЛТЭД различных систем
|
Системы |
п |
С05 ф |
Сэ |
Р2К |
|
|
ОЛАТЭД ЭМПнН |
0,84 |
0,315 |
0,265 |
1,0 |
3,799 |
|
ОЛСТЭДФ эмн |
0,77 |
0,7 |
0,539 |
0,864 |
1,603 |
|
ОЛИТЭД — ЭМН |
0,9 |
0,94 |
0,846 |
0,884 |
1,021 |
|
ОЛСТЭД СПОВ — ЭДН |
0,84 |
0,96 |
0,806 |
1,727 |
2,142 |
Помимо обеспечения предпочтительного КПД при выборе полюсного деления т следует учитывать, что чем оно длиннее, тем ниже напряжение статора, которое не должно быть выше 15 кВ. При малых значениях т уменьшается масса материала, защищающего пассажиров от действия магнитного поля СПЭМ. При т^0,52 м защиты вовсе может не быть.
С ростом х частота возбуждения уменьшается. Предпочтительно использование низких частот. В случае использования сверхпроводящего электромагнита для тяги и ЭДП более выгодно использовать длинное полюсное деление. В хорошо сконструированном ОЛСТЭДФ при 6 = 0,02-^-0,05 м нормальная сила многократно превышает тяговое усилие. Эти качества делают ОЛСТЭДФ важной составной частью системы ЭМП.
Существенными преимуществами ОЛИТЭД по сравнению с ОЛСТЭДФ и ОЛАТЭД являются его пассивная часть, образующая путь, и высокие энергетические показатели. Из рис. 3.19, б видно, что уменьшение единичной мощности ЛИТЭД снижает расход стали на путевые элементы почти в 4 раза.
Глава 4
⇐Особенности теплового состояния ЛТЭД | Транспорт с магнитным подвесом | Особенности и параметры рабочих режимов ЛТЭД в системе линейного тягового электропривода БЭПС⇒