
Пути модернизации автономных транспортных электротехнических комплексов с тяговой электротрансмиссией
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-тормозные 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
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.

Рис. 2. Схема УРТТ типового дизель-поезда
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-ОВ2-Р2-Т1-Р1-ОВ1-Р1 (ОВ1 и ОВ2 соединяются последовательно).
К недостаткам исходного варианта (рис. 2) относятся:
- 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.
- Для бездуговых перекоммутаций необходимо полное развозбуждение тягового генератора (через шунтирующие вращающиеся диоды), а после перекоммутации — вновь возбуждение (с существенно большей постоянной времени).
- При экстренных размыканиях контакторов в их дугогасительных камерах выделяется большая часть энергии обмотки возбуждения

а кроме того, обычная энергия питания

- 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.
- 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.
- 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.
- Повышенные пульсации напряжения на обмотках возбуждения электродвигателей (потери в стали на частоте 600 Гц).
- 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. З а. Альтернативная схема АТЭК дизель-поезда с контакторно-резисторным УРТТ

Рис. 36. Режим тяги и антибоксования

Рис. З в. 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.

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

Рис. 4 в. Режим антибоксования

Рис. 4 г. 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. 5 а. Схема АТЭК на базе УРТТ с реостатным торможением и независимым возбуждением

Рис. 5 6. Режим тяги

Рис. 5 в. Режим торможения

Рис. 6 а. Схема АРТЭК на базе УРТТ с импульсным рекуперативным и динамическим торможением

Рис. 6 б. Режим тяги
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);
Рис. 6 в. Режим торможения
- 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.
- Бабков Ю., Котов О., Литвинов А., Сергеев Д., Чудаков П. Многофункциональная микропроцессорная система управления тепловозом // Современные технологии автоматизации. 2004. № 3. С. 46-48.
- Резников С. Б. Квазиоптимальное по электроэнергетической экономичности импульсное управление тяговым приводом электропоезда // Практическая силовая электроника. 2003. № 12. С. 12-15.