Асинхронные тяговые двигатели - Отечественный опыт создания электровозов с асинхронными тяговыми двигателями

Первые макетные и опытные образцы ЭПС с асинхронным тяговым двигателем (электросекция, электропоезд, электровозы) были изготовлены в СССР в период с 1966 по 1971 г. Напряжение на токоприемнике составляло 25 кВ частотой 50 Гц, мощность тяговых двигателей — от 200 до 1200 кВт. Система частотно-регулируемого тягового электропривода для первых образцов ЭПС с асинхронным тяговым двигателем была разработана коллективом Всесоюзного научно- исследовательского института электромеханики (ВНИИЭм) под руководством Е. С. Аваткова 162—64]. Положительный опыт, полученный при испытаниях макетной электросекции и электровоза, послужил основанием для разработки и изготовления опытных электропоезда ЭР9А и электровоза ВЛ80а.
Параметры электровозов с асинхронным тяговым двигателем. Первый опытный электровоз ВЛ80 с асинхронным тяговым двигателем был построен на базе восьмиосного электровоза ВЛ80К в 1971 г. на Новочеркасском электровозостроительном заводе (НЭВЗ). Второй опытный электровоз ВЛ86 с асинхронным тяговым двигателем изготовлен в 1985 г. на базе двенадцатиосного электровоза ВЛ85. Преобразователь для него разработан финской фирмой «Stromberg». Основные параметры названных электровозов сведены в табл. 13.1.
Отличительной особенностью параметров электровоза ВЛ86 является весьма высокая сила тяги, полученная вследствие увеличения числа осей и повышения силы тяги на одну ось. Этот электровоз рассчитан на вождение тяжеловесных поездов в условиях трудного профиля. Он проходит эксплуатационные испытания.
Электровоз ВЛ80а выполнил определенный пробег в эксплуатации с полновесными поездами и был подвергнут детальным тяговоэнергетическим испытаниям, которые в основном подтвердили его расчетные параметры и принципиальную работоспособность. Однако уровень разработок полупроводниковых приборов 60-х годов, использованных на этом электровозе, не позволил обеспечить требуемую эксплуатационную надежность. Прежде всего не удалось создать необходимых запасов по напряжению тиристоров в инверторе и особенно в выпрямителе.
Таблица 13.1

Поэтому расчетная мощность 1200 кВт на ось не была реализована, хотя расчетная сила тяги, даже при значительном превышении, была достигнута.
Как следует из рис. 13.1, каждый асинхронный тяговый двигатель питается от своего автономного инвертора напряжения, а выпрямительное звено (ВУ) и фильтр общие для двух тяговых двигателей. Такое решение несколько упрощает преобразователь и сокращает размеры фильтра. Индуктивность сглаживающего реактора СР равна 4,75мГн притоке 1600 А, а емкость фильтрового конденсатора Сф составляет 3200 мкФ.

Рис. 13.1. Структурная схема секции электровоза ВЛ80а.

Рис. 13.2. Структурная схема управления электровозом ВЛ80а.

Регулирование напряжения в выпрямителе зонно-фазовое, т. е. с помощью группового переключателя ЭКГ обмотка низшего напряжения трансформатора разбивается на семь зон, а в пределах этих зон напряжение регулируется плавно путем изменения угла открытия тиристоров а выпрямителя. Такое решение позволяет иметь сравнительно высокое значение коэффициента мощности электровоза. Поскольку рекуперация на электровозе ВЛ80а не была предусмотрена, в выпрямителе использован полууправляемый мост.
Блоки узлов коммутации УК1 — УК4 для каждого инвертора получают питание через зарядные устройства от обмотки трансформатора w3.
Рассмотрим структурную схему управления электровозом (рис. 13.2). Изменение угла открытия тиристоров выпрямителя а, осуществляется вручную с контроллера машиниста. Контур регулирования выпрямленного напряжения является общим для всех тяговых двигателей. В контур регулирования выпрямленного напряжения входят контроллер машиниста КМЭ, групповой переключатель ЭКГ и регулятор угла ав управления выпрямителем БРН.
Для ограничения тока в нестационарных режимах (прежде всего в режимах боксования) используется устройство быстродействующей импульсной отсечки ИТО, работающее от сигнала датчика тока ДТ. Устройство ИТО является транзисторным реле, блокирующим импульсы управления, поступающие на тиристоры выпрямителя, при токе статора двигателя 1100 А и выше. Контур регулирования выпрямленного напряжения является общим для всех выпрямителей.
Канал регулирования частоты входного напряжения асинхронных тяговых двигателей используется и для изменения частоты тока ротора что позволяет регулировать вращающий момент.
В контур регулирования частоты, входит датчик частоты вращения ротора ДС, регулятор скольжения РСК и генератор частоты статора ГЧС. Датчик ДС измеряет частоту вращения ротора в импульсной форме; он является бесконтактным устройством и установлен в
буксе тягового редуктора. Используется один датчик для четырех тяговых двигателей.
Регулятор РСК выявляет частоту тока ротора путем сравнения в импульсной форме частоты f1, формируемой генератором ГЧС, и частоты fр, поступающей от датчика ДС. Частота сравнивается с заданным значением и при необходимости автоматически корректируется путем некоторого изменения частоты напряжения f1 с помощью генератора ГЧС. Регулятор РСК и генератор ГЧС объединены в один блок БВР. Один блок БВР обеспечивает регулирование частоты четырех тяговых двигателей одной секции. На выходе блока БВР формируются импульсные сигналы, частота которых в 12 раз превышает частоту напряжения статора fx.
Управление инвертором осуществляется блоком БУИ, который осуществляет деление частоты на 12 и формирует управляющие импульсы для тиристоров двух автономных инверторов. При этом обеспечивается фиксированный сдвиг 30° между моментами коммутации двух инверторов, что позволяет в 4 раза уменьшить емкость фильтрового конденсатора в звене постоянного тока при заданном уровне пульсаций напряжения.
На электровозе ВЛ80а использован иной принцип построения преобразователя. В выпрямительном звене осуществляется только выпрямление тока, а регулирование напряжения и частоты — в автономном инверторе напряжения. Регулирование напряжения происходит путем введения широтно-импульсной модуляции входного напряжения. Принцип формирования рабочей частоты fx для асинхронных тяговых двигателей такой же, как и на электровозе ВЛ80а, т. е. от датчика частоты вращения получают частоту вращения ротора и к ней добавляют требуемую частоту тока ротора. Значительное усложнение преобразователя принято ради повышения коэффициента мощности электровоза практически до единицы и резкого ослабления высших гармоник в первичном токе электровоза, что и подтверждено опытом эксплуатации электровоза Е-120 в ФРГ, преобразователь которого практически аналогичен преобразователю электровоза ВЛ86ф.
Детальные испытания электровозов ВЛ80а и ВЛ86ф позволили установить их хорошие тяговые качества и удовлетворительные энергетические показатели.

Рис. 13.3. Кривая изменения силы тяги от одной оси электровоза ВЛ80а при его разгоне.

Рис. 13.4. Зависимости КПД выпрямительного блока (а), инвертора (б) и электровозов ВЛ80а и ВЛ80К (в) от кратности реализуемого напряжения
Наиболее полно реализовать высокий коэффициент сцепления в условиях испытаний электровоза ВЛ80а на экспериментальном кольце ВНИИЖТ удалось при питании одного тягового двигателя тележки. В этом случае имелись достаточные запасы по мощности выпрямительного звена. Испытания проводились в плохую погоду (дождь со снегом). Масса поезда была 2000 т. Реализуемая сила, тяги одной колесной пары равнялась 78— 88 кН, чему соответствует коэффициент сцепления 0,34—0,37. Поезд разгонялся до скорости 45 км/ч в течение примерно 35 мин. Ток двигателей, замеренный в звене постоянного тока, составлял 1000—1100 А.
На электровозе использовано противобоксовочное устройство, обеспечивающее задержку нарастания частоты f1 при появлении боксования. Это обеспечивает перевод двигателя из режима работы с обычной мягкой тяговой характеристики на жесткую. Запись силы тяги в указанном режиме приведена на рис. 13.3.
Таблица 13.2

Примечание. В числителе — для начала регулирования (а—90°), в знаменателе — для конца регулирования (а=90). При а—90° ток контактной сети составлял 260 А, а при а=0-291 А.
При работе нескольких тяговых двигателей реализовать столь высокие значения коэффициента сцепления не удавалось, что указывает на несовершенство системы регулирования инвертором от общего датчика, настроенного на средние значения частоты вращения колеса.

Рис. 13.5. Осциллограммы напряжений uKс и тока iKс контактной сети для 5-й позиции регулирования при разных углах а
Полученные значения КПД выпрямительного звена (рис. 13.4, а) выше, чем у электровозов переменного тока с регулируемым выпрямителем; вследствие более простого выпрямителя КПД инвертора (рис. 13.4, б) получился довольно высоким. Штриховые участки зависимостей на рис. 13.4, а и б получены пересчетом, опытные значения — при суммировании потерь холостого хода и короткого замыкания.
Кривая КПД электровоза ВЛ80а представлена на рис. 13.4, в. Здесь же нанесены значения КПД для электровоза ВЛ80К.
Состав высших гармоник тока в первичном токе электровоза ВЛ80а (табл. 13.2) определен по кривым первичного тока (рис. 13.5).

Рис. 13.6. Распределение токов между тяговыми двигателями
Из табл. 13.2 следует, что изменение угла а в небольших пределах регулирования напряжения (в пределах одной зоны) не вызывает значительного изменения в составе высших гармоник первичного тока.
В начале разработок асинхронного тягового привода были опасения в том, что неизбежны значительные перераспределения токов между тяговыми двигателями. Это не подтвердилось. На рис. 13.6 показаны пределы разбросов значений токов Id, замеренных в звене постоянного тока. Из него следует, что в пределах изменения скоростей 40—80 км/ч и нагрузок (0,2 : 1,5) Idnом перераспределение токов сравнительно невелико, а для токов, которые наиболее характерны, оно равно примерно перераспределению токов электровозов переменного тока с тяговыми двигателями пульсирующего тока.
Преобразователи электровозов. Как уже отмечалось, на электровозе ВЛ80а преобразователь выполнен со звеном постоянного тока, причем регулирование напряжения осуществляется в выпрямительном звене, а регулирование частоты — в автономном инверторе напряжения.
В выпрямительном звене преобразователя предусмотрено зоннофазовое регулирование путем ступенчатого регулирования напряжения переключением числа витков вторичной обмотки трансформатора w2 (рис. 13.7) и плавного регулирования в пределах одной зоны вследствие изменения угла открытия а тиристоров выпрямителя VS1 — VS4. Одной из особенностей преобразователя является наличие устройства ЗУ заряжающего коммутирующий конденсатор Ск, в чем есть необходимость в начале регулирования при малых напряжениях.

Рис. 13.7. Схема преобразователя электровоза ВЛ80а.
Особенностью преобразователя (рис. 13.7) является наличие резисторов Ra в цепи обратных диодов, которые способствуют коммутации главных тиристоров. Для уменьшения числа коммутирующих конденсаторов и емкости Ск, помимо индивидуальных коммутирующих тиристоров 5 — 10, использованы групповые коммутирующие тиристоры VS11 и VS12.

Рис. 13.8. Вариант конструкции системы масляного охлаждения тиристоров
Требуемое напряжение от ЗУ обеспечивается благодаря тиристорам VS13 — VS17.
Наличие удвоенного числа плеч в выпрямительном звене позволяет осуществить ступенчатый переход с позиции на позицию без разрыва тока ЭКГ.
Тиристорные плечи, подключенные к меньшему напряжению, например VS3-4 (третья позиция), включаются с углом регулирования, а угол открытия тиристоров VS1-2 изменяется в диапазоне 180° ч-:- 0, чем обеспечивается плавное повышение выпрямленного напряжения в пределах одной позиции. Когда регулирование напряжения на 3-й позиции заканчивается (при авз = 0), выпрямленный ток протекает только по тиристорам VS1 и VS2, поэтому без разрыва тока отключается контакторный элемент 2, а угол открытия тиристоров VS3-4 изменяется до значения а = 180°. Далее замыкается контакторный элемент 4 и осуществляется плавное регулирование напряжения в пределах 4-й позиции. В силовой части инвертора используются тиристоры VS18-23 и диоды VD3 — VD8.
На электровозе ВЛ80а принято воздушное охлаждение тиристоров.
На электровозе ВЛ86ф тиристорные модули преобразователя охлаждаются маслом. Конструкция системы охлаждения такова, что поврежденный отдельный тиристор может быть вынут без какого-либо демонтажа ее, а модуль тиристоров может быть заменен без слива масла из системы. Один из вариантов конструкции масляного охлаждения тиристоров показан на рис. 13.8.
Все модули по размерам и конструкции одинаковы. Каждый модуль состоит из шести полупроводниковых приборов и является плечом выпрямителя или инвертора, а также узла коммутации. Для узла коммутации применяют только тиристоры.
Тяговые двигатели электровозов ВЛ80а и ВЛ86ф.
Таблица 13.3

Расчетные параметры и конструкционные показатели тяговых двигателей приведены в табл. 13.3. На электровозе ВЛ80а установлен тяговый двигатель НБ-602, а на электровозе ВЛ86ф — двигатель НБ-607. Оба они изготовлены на НЭВЗе.
Для тягового двигателя НБ-607, спроектированного для грузового электровоза, характерен большой электромагнитный момент, что привело к некоторому повышению массы машины. Число полюсов, равное шести, оказалось более оптимальным по сравнению с другим числом полюсов и привело к значительному снижению частоты тока статора в расчетном режиме, что благоприятно для инвертора напряжения в сочетании с импульсной модуляцией напряжения.
Датчик частоты вращения ротора тягового двигателя НБ-607 встроен в двигатель. Он выполнен в виде зубчатого магнитопровода, вращающегося вместе с ротором. Тяговые двигатели НБ-602 и НБ-607 детально испытаны, и их расчетные параметры опытом подтвердились. Нагрев обмоток обычно ниже расчетного, что указывает на резерв увеличения момента и мощности в заданных габаритных размерах асинхронных тяговых двигателей.