Асинхронные тяговые двигатели - Зарубежный опыт создания ЭПС

В эксплуатации в разных странах находятся более 250 единиц ЭПС с асинхронными тяговыми двигателями. Асинхронные тяговые двигатели используются на магистральных и маневровых электровозах, тепловозах, на электропоездах, как пригородных, так и метрополитенов.
Ниже будут рассмотрены параметры электровозов, эффективность которых уже подтверждена опытом. К ним в первую очередь относятся электровозы Е-120 и Е-1200, эксплуатируемые на государственных железных дорогах и промышленном транспорте ФРГ. Представляют также интерес и электровозы ЕА-3000, эксплуатируемые в Дании, и электровозы Е-17, эксплуатируемые в Норвегии. По электропоездам метрополитена накоплен опыт эксплуатации в ФРГ и Финляндии. Далее будет рассмотрено преимущественно электрооборудование ЭПС, специфичное для асинхронного тягового привода.
Параметры электровозов с асинхронным тяговым двигателем. Основные параметры электровозов сведены в табл. 13.4.
Конструктивные особенности рассматриваемых электровозов:
все электровозы имеют индивидуальный привод осей и рамное подвешивание тяговых двигателей;
вследствие малой массы электровоза, приходящейся на одну ось, и значительной массы электрического оборудования механическая часть электровоза предельно облегчена;
все электровозы (помимо электровоза Е-1200) обеспечивают рекуперацию энергии при мощности, примерно равной тяговой мощности электровоза;
все электровозы отличаются малым мешающим воздействием на линии связи и устройства СЦБ;
все электровозы отличаются хорошими тяговыми свойствами и имеют довольно совершенные устройства для поддержания высокого коэффициента использования сцепления во всех режимах. Иными словами, на этих электровозах достаточно полно реализованы противобоксовочные свойства асинхронного тягового двигателя.
Разработчиком и изготовителем преобразователей н систем их регулирования является фирма ВВС (Швейцария). Особенности этого оборудования будут рассмотрены ниже.
Для всех перечисленных электровозов уже накоплен опыт эксплуатации. Электровозы Е1-17 обнаружили хорошие тяговые свойства при работе в условиях Заполярья на трудном гористом профиле. Однако надежность электрического оборудования в начале эксплуатации была ниже чем у серийно эксплуатируемых электровозов. В последующее время надежность неуклонно повышалась.
Таблица 13.4

Электровозы ЕА-3000 успешно эксплуатируются в Дании, и Датские железные дороги приняли решение о заказе еще одной партии электровозов этой серии.
Тщательно исследованы в эксплуатационных условиях электровозы Е-120, которые практически сразу после постройки оказались пригодными к работе на линии и имеют месячные пробеги, даже превышающие пробеги серийных электровозов. На этих электровозах в начале эксплуатации обнаружились недостаточно надежные узлы, которые, однако, не являются специфичными для новой системы тягового электропривода. Это трансформаторы, вспомогательные машины и др. Устройства преобразователя практически не потребовали каких-либо усовершенствований, поскольку были хорошо отработаны при стендовых испытаниях тягового электропривода.
Уровень надежности электровоза такой же, как н у лучших серийных электровозов; имеется тенденция к дальнейшему повышению надежности. Затраты на содержание и ремонт уже значительно ниже, чем у серийных электровозов. Отмечена экономия энергии вследствие высокого коэффициента мощности и рекуперативного торможения.
Подтвердились преимущества электровоза Е-120 по реализации силы тяги, по высокому коэффициенту мощности, при слабом мешающем влиянии на линии связи и устройства СЦБ. По тяговым качествам четырехосный электровоз Е-120 оказался равноценен шестносному серийному электровозу. Опытами установлено, что желательно иметь регулирование каждого асинхронного двигателя, с тем чтобы использовать предельные возможности по сцеплению каждого колеса с учетом динамического перераспределения нагрузок на колеса. Однако вполне возможно питание асинхронных тяговых двигателей от общих шин, как это выполнено на электровозе Е-1200.

Рис. 13.9. Кривые тока и напряжения электровоза при использовании четырехквадрантного выпрямителя

Рис. 13.10. Зависимость коэффициента мощности электровоза Н-120 от нагрузки
Ток электровоза (рис. 13.9) практически синусоидален и совпадает по фазе с напряжением U3. Зависимость коэффициента мощности от нагрузки дана на рис. 13.10. На рис. 13.11 даны осциллограммы напряжения и тока фазы асинхронных тяговых двигателей при отключенном ШИМ инвертора.
Наиболее длительный опыт эксплуатации накоплен по электровозам Е-1200. Это четырехосные, двухсистемные электровозы (переменный ток частотой 50 Гц и 162/3 Гц), по назначению маневрово-вывозные с высокими значениями силы тяги. В тяжелых условиях работы в Рурском бассейне они обнаружили значительные преимущества перед выпрямительными электровозами с двигателями пульсирующего тока (электровозы ЕА-1000).
Основные результаты эксплуатации электровозов двух рассматриваемых типов приведены в табл. 13.5. Оба электровоза работали в одинаковых условиях.
Из табл. 13.5 следует, что электровоз Е-1200 по сравнению с электровозом ЕА-1000 имеет большую производительность по перевозкам, меньшие эксплуатационные расходы и затраты на ремонт. Примечательно, что у электровоза с принципиально новой конструкцией электрического привода число повреждений сократилось вдвое. Важный показатель — снижение расхода песка втрое при использовании повышенных сил тяги.
Партия электровозов, подобных электровозам Е-1200, успешно эксплуатируется в Австрии.
Преобразовательные установки. В опытном порядке были опробованы все основные варианты преобразователей, являющиеся сочетанием входного преобразователя в виде управляемого выпрямителя или импульсного регулятора напряжения при переменном и постоянном токе в контактной сети соответственно и выходного преобразователя частоты в виде инвертора напряжения или тока.
Таблица 13.5

Схема преобразователя (рис. 13.12), разработанная фирмой ВВС, используется на электровозах Е-120, ЕА-3000 и Е1-17. В этом преобразователе входной выпрямитель совместно с фильтром Лф — Сф стабилизирует напряжение на выходе. Потребляемый из сети синусоидальный ток благодаря широтно-импульсной модуляции преобразовывается на выходе в ток, который имеет постоянную составляющую и составляющую тока, синусоидальную по форме, до двойной частоты; последнюю составляющую не пропускает фильтр, настроенный на удвоенную частоту по сравнению с частотой питающего напряжения.
Для преобразователя фирмы ВВС характерно увеличение общего числа тиристоров из-за наличия коммутирующих тиристоров, установленная мощность которых равна установленной мощности главных тиристоров вследствие многократных коммутаций тока в течение периода его изменения. По этой причине заметно возрастают потери в преобразователе. В выпрямительное звено преобразователя входят тиристоры VS1 — VS4 и диоды VD1 — VD4. Узел коммутации выпрямителя состоит из коммутирующих тиристоров коммутирующих дросселей LK и коммутирующих конденсаторов Ск.
В контуры коммутации инвертора входят коммутирующие конденсаторы Ск и коммутирующие дроссели Lк.
В качестве инвертора использован инвертор напряжения, в котором, помимо регулирования частоты, имеется возможность регулирования напряжения при разгоне путем введения ШИМ. Широтноимпульсная модуляция напряжения обеспечивается узлом коммутации для каждой фазы, например для фазы А. Благодаря использованию быстродействующих тиристоров имеется возможность переключать полярность напряжения несколько раз за полпериода с одновременным регулированием длительности импульса. Это достигается поочередным пропуском тока через коммутирующие тиристоры и запиранием соответственно главных тиристоров.
В промежуточном звене на входе инвертора включены фильтр Лφ — Сф, рассчитанный на удвоенную частоту питающего переменного напряжения, и фильтровые конденсаторы Сф.
Дроссели Lc используются для снижения амплитуд высших гармоник тока в процессе разгона поезда. По окончании разгона дроссели закорачиваются контактами контакторов К1 — К3.
При выходе на номинальное напряжение импульсная модуляция напряжения прекращается и формы фазных напряжения и тока становятся обычными для инвертора напряжения (см. рис. 13.11).
Западногерманская фирма AEG приняла другую концепцию при создании электровозного преобразователя, схема которого представлена на рис. 13.13, а. Здесь осуществляется амплитудное регулирование напряжения в выпрямительном звене и регулирование частоты в инверторе тока, который не требует коммутирующих тиристоров, что существенно упрощает преобразователь. Главные тиристоры могут быть медленнодействующими. Не требуется и конденсатор фильтра.

Рис. 13.11. Форма фазных напряжений и тока без широтно-импульсной модуляции инвертора
Рис. 13.12. Схема силовых цепей преобразователя электровоза Е-120

Однако емкость коммутирующих конденсаторов должна быть значительной, поскольку в коммутирующий контур входит индуктивность обмоток тягового двигателя. По мере совершенствования тиристоров инверторы тока теряют свои первоначальные преимущества.

Рис. 13.13. Схемы преобразователей для асинхронных тяговых двигателей со звеном постоянного тока (а) и без звена постоянного тока (б):
K1 — контактор перехода в тормозной режим; Сф — конденсатор фильтра; Л— реактор фильтра; Lc — сглаживающий реактор; VDI — тормозной диод; VD2 — обратный диод; VSI — главный тиристор; р2 — тормозной тиристор; П — тормозной резистор; р2 — тормозные резисторы в цепи двигателя
При питании ЭПС от сети постоянного тока фирмой «Siemens» (ФРГ) разработан преобразователь, представленный на рис. 13.13, б. Он включает в себя инвертор тока и импульсный прерыватель на входе, обеспечивающий плавное регулирование напряжения постоянного тока. В режиме тяги контакты К1 — КЗ замкнуты. Тиристорный прерыватель с главным тиристором VS1, на вход которого подается постоянное напряжение приблизительно неизменного уровня, преобразует последнее в изменяемое постоянное напряжение. Это напряжение через сглаживающий реактор Lc промежуточного звена постоянного тока подается на инвертор (тиристоры 4 — 6 и диоды VD3— VD8), в котором постоянный ток преобразуется в трехфазный, в виде прямоугольных импульсов, сдвинутых на 120° для каждой фазы. Инвертор регулирует частоту выходного тока. В период пуска при малой частоте питания двигателя осуществляется импульсная модуляция тока, в результате чего ток фазы статора приобретает трапециевидную форму.

В режиме электрического торможения размыкаются тормозные переключатели К1 и К2 и с помощью тиристора VS3 обеспечивается возможность подключения тормозного резистора. При торможении асинхронная машина работает в генераторном режиме, а инвертор выполняет функции управляемого выпрямителя. При этом изменяется полярность постоянного напряжения Ud, но сохраняется прежнее направление тока Id.

Рис. 13.14. Тяговый привод электровоза Е-120

Для реализации требуемого тормозного момента при любой частоте вращения ротора тягового двигателя необходимо управлять мощностью торможения путем изменения постоянного напряжения и тока. Эти функции выполняет прерыватель постоянного тока, который при разомкнутых контактах тормозного переключателя не пропускает уже потока энергии со стороны контактной сети. В режиме тактовой частоты прерыватель периодически осуществляет короткие замыкания схемы через тормозной диод VD1. При этом в период проводящего состояния прерывателя нарастает ток в реакторе Lc промежуточного звена, а в период непроводящего состояния убывающий постоянный ток либо направляется в контактную сеть, замыкаясь через диоды VD1 и VD2 (рекуперативное торможение), либо, когда нет приемников рекуперируемой энергии, ток поступает в тормозной резистор после отпирания тормозного тиристора (реостатное торможение). Для стабилизации режима рекуперации при торможении с высоких скоростей используются ограничительные резисторы 2, которые в других режимах эксплуатации шунтируются контактором КЗ. Для предотвращения воздействия на инвертор повышенного напряжения резисторы установлены между инвертором и двигателем.
Конструкции тяговых двигателей электровозов Е-120 и Е-1200 проверены длительной эксплуатацией. Параметры этих машин приведены в табл. 13.6.
Все асинхронные тяговые двигатели, использованные фирмой ВВС, имеют четырех полюсное исполнение, что обусловлено необходимостью применить импульсную модуляцию напряжения в звене инвертора, поскольку при этом предельно снижается рабочая частота фазного напряжения двигателя и имеется возможность сократить тактовую частоту модуляции, что снижает коммутационные потери.
Тяговые двигатели имеют высокую расчетную частоту вращения, поскольку отсутствуют ограничения по токосъему и прочности ротора. Это позволило снизить расчетный вращающий момент при значительных силах тяги на ободе колеса благодаря высоким значениям передаточного отношения.
Следует отметить применение на тяговых асинхронных двигателях весьма совершенных моторно-якорных подшипников, позволяющих реализовать максимальные частоты вращения до 3600 об/мин при значительных моментах. Одной из конструктивных особенностей является использование полимерного сепаратора. Благодаря высокой частоте вращения тяговые двигатели имеют сравнительно небольшую массу при обычном способе воздушного охлаждения.
Рис. 13.14 поясняет конструкцию тяговой передачи. Прежде всего обращают на себя внимание шевронные зубчатые шестерни, которые позволяют передавать большие усилия при минимальной ширине шестерен. Передача усилия с полого вала на колесо осуществлена шарнирно-упругими муфтами, подобными передаче типа «Альстом».
В целом тяговые асинхронные двигатели и передачи являются довольно совершенными, что убедительно демонстрирует большие возможности улучшения конструкции тягового привода.