Силовая электроника №4'2005

Пути модернизации автономных транспортных электротехнических комплексов с тяговой электротрансмиссией

Станислав Резников
Денис Чуев
Александр Савенков


В статье предлагаются пути модернизации и разработки высокоэффективных структурных и схемотехнических решений для сокращения сроков и повышения качества проектирования и поэтапного создания перспективных автономных транспортных электротехнических комплексов с тяговой электротрансмиссией на примере дизель-поезда.


Автономные транспортные электротехнические комплексы (АТЭК) с тяговой электротрансмиссией широко применяются на многих видах транспорта: железнодорожных тепловозах и дизель-поездах, судах, дизель-электромобилях (автобусах, военных, строительных, дорожных, сельскохозяйственных машинах и др.). Транспортно-тяговая электротрансмиссия имеет относительно большие значения мощностей и высокие требования по надежности, массе, стоимости и эксплуатационной экономичности.

В последнее десятилетие появилась насущная необходимость коррекции и коренного пересмотра не только основных силовых схемотехнических решений, но и структур и алгоритмов систем управления. Данная потребность вызвана бурным развитием устройств энергетической и информационной электроники, а также повышением требований к АТЭК. Особенно наглядно это проявляется на примере ТЭК с электротрансмиссией, применяемых на тепловозах и дизель-поездах российских железных дорог, где до сих пор серийно используются лишь контактно-резистивные пуско-тормоз-ные тяговые устройства и электромашинные преобразователи.

Помимо объективных причин, связанных с климатическими и экономическими трудностями в России, следует назвать и общемировой недостаток теоретических исследований и опытно-конструкторских работ в области железнодорожных АТЭК.

Материал, предложенный в этой статье, способствует решению проблемы создания перспективных ТЭК с тяговой электротрансмиссией, в частности дизель-поездов и тепловозов нового поколения. Основные результаты могут быть успешно обобщены и использованы для аналогичных видов АТЭК с тяговой электротрансмиссией.

На примере тепловоза, представленного на рис. 1, показана типовая структура автономного транспортного электротехнического комплекса (АТЭК) с тяговой электротрансмиссией [1]. Элементами схемы являются:

  • ДД — дизельный двигатель;
  • АБ — аккумуляторная батарея;
  • С-Г — стартер-генератор;
  • ТГ — тяговый генератор;
  • ЦВТГ — цепь возбуждения ТГ;
  • ГВТГ — вспомогательный генератор возбуждения ТГ;
  • УТВ — управляемый тяговый выпрямитель;
  • УРТТ — устройства регулирования тяги и торможения (контакторы, электронные ключи, резисторы);
  • ТЭД1–4 — тяговые электродвигатели;
  • СУ — система управления;
  • КУ — командные устройства.
Рис. 1. Типовая структура автономного транспортного электротехнического комплекса с тяговой электротрансмиссией
Рис. 1. Типовая структура автономного транспортного электротехнического комплекса с тяговой электротрансмиссией

В качестве более конкретного примера выберем структуру АТЭК типового дизель-поезда, состоящего из двух идентичных пар, каждая из которых содержит головной вагон с дизельным двигателем и полумоторный вагон с одной тяговой двухосной тележкой (с двумя двигателями). Между указанными парами может подсоединяться прицепной вагон.

На рис. 2 показана исходная схема контакторно-резисторного устройства регулирования тяги и торможения типового дизель-поезда. На схеме обозначены: ТВ — неуправляемый тяговый выпрямитель, ЯО1 2 и ОВ1 2 — якорные обмотки и обмотки возбуждения тяговых электродвигателей, RТ12 — тормозные резисторы, RШ1,2 — шунтовые резисторы для ослабления возбуждения, RБ — балластный резистор в цепи независимого возбуждения, Р12 — реверсоры, П123, ТШ, ВШ, Т — высоковольтные контакторы постоянного тока (индивидуальные и групповые).

Режим тяги осуществляется при включенных П123 от регулируемого по возбуждению ТГ по двум параллельным идентичным цепям (+ТВ–П1(2)–ЯО1(2)–Р1(2)–ОВ1(2)–Р1(2)) с дальнейшим ослаблением поля возбуждения с помощью RШ1–ВШ1,2. В режиме реостатного (динамического) торможения П12,3 выключаются, а тормозные контакторы Т включаются. Обмотки ОЯ1 2 подключаются к RТ12, а ток обмоток возбуждения регулируется от ТГ по цепи ТВ–RБ–Т1 2-ОВ2211-ОВ11 (ОВ1 и ОВ2 соединяются последовательно).

К недостаткам исходного варианта (рис. 2) относятся:

  1. На моторные вагоны приходится: 30 контакторов постоянного тока и 4 реверсора (низкая надежность, частое ремонтное обслуживание); при этом можно уменьшить их число до 14-16.
  2. Для бездуговых перекоммутаций необходимо полное развозбуждение тягового генератора (через шунтирующие вращающиеся диоды), а после перекоммутации — вновь возбуждение (с существенно большей постоянной времени).
  3. При экстренных размыканиях контакторов в их дугогасительных камерах выделяется большая часть энергии обмотки возбуждения

а кроме того, обычная энергия питания

  1. Заземлять наглухо провод -750 В нельзя, так как при этом в случае пробоя зажима двигателя +750 В его якорь и щеточно-кол-лекторный узел свариваются сверхтоком по цепи Rш(ов). Незаземление опасно появлением высокого потенциала (до 1000 В) на корпусе, то есть нарушением техники безопасности для пассажирских вагонов.
  2. Даже при допустимых отклонениях в величинах (Rяо +Rов) в ±(4÷5)% (а это только при комнатной температуре) отклонения в пусковом моменте, пропорциональном I2, будут δMотн, а с учетом различий в температурах двигателей к этому моменту — существенно выше. Поэтому вероятность срыва одной колесной пары данной тележки в боксование очень велика, особенно при полупустом вагоне. Таков главный недостаток параллельной работы двигателей, который не следует путать с достоинством: автостабилизацией скорости боксующей пары при относительно небольшом ее приросте. Подобный срыв можно парировать только торможением (например, шунтированием якоря), а на это нужно время — и немалое.
  3. Для обеспечения регулирования независимого возбуждения при начальном торможении (с напряжением на ОВ ниже 50-60 В) необходимо использовать балластный резистор RБ с мощностью не менее 30-40 кВт. Иначе возможно «опрокидывание» потока из-за реакции якоря.
  4. Повышенные пульсации напряжения на обмотках возбуждения электродвигателей (потери в стали на частоте 600 Гц).
  5. Низкий коэффициент использования установленной мощности генератора и выпрямителя (угол проводимости диодов), а следовательно — малая перегрузочная способность. На рис. 3а приведена альтернативная схема АТЭК дизель-поезда с контактно-резистор-ным УРТТ. В ней сохранено параллельное включение двигателей в режиме тяги и последовательное соединение ОВ1 и ОВ2 в режиме реостатного торможения. Число контакторов постоянного тока сокращено с 30 до 14 на четыре двигателя, а балластный резистор RБ исключен. Однако при этом введены трансформатор и управляемый выпрямитель возбуждения (ТВ и УВВ), быстродействующие вакуумные выключатели переменного тока (БВВ1–4), фильтр (LФ–CФ) и развязывающие диоды (VDЯ1,2, VDТВ, VDВ12, VDШ1,2). Катод ТВ заземляется с помощью ЗУ.
Рис. За. Альтернативная схема АТЭК дизель-поезда с контакторно-резисторным УРТТ
Рис. За. Альтернативная схема АТЭК дизель-поезда с контакторно-резисторным УРТТ
Рис. 36. Режим тяги и антибоксования
Рис. 36. Режим тяги и антибоксования
Рис. Зв. Режим торможения
Рис. Зв. Режим торможения

Бездуговая перекоммутация контакторов не требует развозбуждения ТГ, а производится после быстрого выключения БВВ. При экстренных размыканиях контакторов токи обмоток возбуждения замыкаются по цепям VDВ12. Несмотря на заземление схемы в случае пробоя зажима двигателя +750 В, его якорь защищен от сверхтока диодами VDЯ1 2. Срыв одной колесной пары в боксование (рис. 3б) можно достаточно быстро парировать торможением соответствующего двигателя путем быстрого шунтирования его якорной обмотки контактором торможения-антибоксования (Т-А/Б). Отсутствие балластного резистора в цепи возбуждения с успехом компенсирует установку трансформатора возбуждения (ТВ), работающего с кратковременной многократной перегрузкой (рис. 3в). Пульсации напряжения на обмотках возбуждения в режиме тяги (потери в стали) существенно снижены с помощью фильтра LФ–CФ. Таким образом, из перечисленных выше недостатков исходного варианта существенно ослаблены все, кроме последнего.

На рис. 4а приведена принципиально новая структура АТЭК на базе УРТТ с реостатным торможением и последовательно-независимым возбуждением (вариант «0±750 В»). Основной особенностью этого и двух последующих вариантов является использование последовательного соединения двигателей и управляемых тяговых выпрямителей (УТВ12) при заземлении средней точки и введении антибоксовательного симистора VSА/Б. В схеме использован общий блок реостатов (для торможения и ослабления возбуждения), а также вспомогательный резистор R0. Последовательное соединение двигателей в режиме тяги (рис. 4б) позволяет существенно снизить вероятность срыва одной колесной пары в боксование (полное равенство токов электродвигателей), а возможность отключения боксующего электродвигателя (рис. 4в) при полном или ослабленном возбуждении другого позволяет быстро парировать боксование. На рис. 4г показан режим торможения, не требующий пояснений.

Рис. 4а. Схема АТЭК на базе УРТТ с реостатным торможением и последовательно-независимым возбуждением (вариант «О±750 В»)
Рис. 4а. Схема АТЭК на базе УРТТ с реостатным торможением и последовательно-независимым возбуждением (вариант «О±750 В»)
Рис. 46. Режим тяги
Рис. 46. Режим тяги
Рис. 4в. Режим антибоксования
Рис. 4в. Режим антибоксования
Рис. 4г. Режим торможения
Рис. 4г. Режим торможения

На рис. 5а приведена подобная схема, но с полностью независимым возбуждением в обоих режимах (рис. 5б и 5в). Такое возбуждение не только позволяет исключить резисторы и контакторы ослабления возбуждения из состава БР1 2, но и обеспечить оптимальное по энергоэкономичности дуальное управление [2] при разгоне и торможении.

Рис. 5а. Схема АТЭК на базе УРТТ с реостатным торможением и независимым возбуждением
Рис. 5а. Схема АТЭК на базе УРТТ с реостатным торможением и независимым возбуждением
Рис. 56. Режим тяги
Рис. 56. Режим тяги
Рис. 5в. Режим торможения
Рис. 5в. Режим торможения

Последний из предлагаемых этапов модернизации обеспечивает полностью импульсное регулирование режимов тяги и торможения. На рис. 6а показана схема АТЭК на базе УРТТ с импульсным тяговым режимом (рис. 6б), а также рекуперативным и динамическим торможением (рис. 6в). К особенностям схемы относятся:

  • вместо УТВ1 2 применены тиристорные обратимые инверторы-выпрямители (ОИ-В12), позволяющие осуществить режим рекуперативного торможения с передачей энергии через ТГ в кинетический накопитель (КН-маховик), в энергию компрессии ДД и в механический тормоз (МТ) (рис. 6в);
  • вместо тормозных контакторов для реостатного торможения использованы повышающие (на базе VTТ12) или повышающе-понижающие (на базе VT12 и VTТ34) конверторы с ШИМ-регулированием, обеспечивающие более высокие надежность, быстродействие и плавность;
  • вместо низкокачественного трансформатор-но-выпрямительного блока источник независимого возбуждения (ИНВ) может содержать выпрямитель, транзисторное звено повышенной частоты (ЗПЧ) и высокочастотный трансформаторно-выпрямительный узел, что позволит снизить массу ИНВ и уменьшить пульсации его выходного напряжения;
  • вместо коллекторных электродвигателей могут быть успешно применены бесщеточные двигатели постоянного тока (БДПТ), то есть синхронные двигатели с транзисторным коммутатором и цепью обратной связи по положению ротора.

Заключение

Предложенные пути модернизации и разработки высокоэффективных структурных и схемотехнических решений на примере дизель-поезда позволяют сократить сроки и повысить качество проектирования и поэтапного создания железнодорожных и многих других перспективных автономных транспортных электротехнических комплексов с тяговой электротрансмиссией.

Литература

  1. Бабков Ю., Котов О., Литвинов А., Сергеев Д., Чудаков П. Многофункциональная микропроцессорная система управления тепловозом // Современные технологии автоматизации. 2004. № 3. С. 46-48.
  2. Резников С. Б. Квазиоптимальное по электроэнергетической экономичности импульсное управление тяговым приводом электропоезда // Практическая силовая электроника. 2003. № 12. С. 12-15.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2005_04_24.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо