С 1997 года на российские железные дороги в опытную эксплуатацию поступили пассажирские электровозы серии ЭП200 и ЭП10с бесколлекторными тяговыми электродвигателями, построенные на Новочеркасском электровозостроительном заводе (НЭВЗ).
Восьмиосные электровозы ЭП200 оборудованы трехфазными вентильными (синхронными) электродвигателями и предназначены для работы на электрифицированных участках переменного тока с напряжением контактной сети UKC=25 кВ. Шестиосный электровоз ЭП 10 оборудован асинхронными тяговыми электродвигателями (АТД) ΗΤΑ-1200 мощностью в длительном режиме 1170 кВт каждый и предназначен для работы с пассажирскими поездами на электрифицированных участках постоянного (UKC=3 кВ) и переменного однофазного тока (Uкс = 25 кВ).
Выпуск современных отечественных пассажирских электровозов с бесколлекторными тяговыми электродвигателями стал возможен благодаря опыту, накопленному на НЭВЗ при создании и доводке конструкций опытных электровозов ВЛ80а (1971 г.) и ВЛ86Ф (1985 г.) с асинхронными тяговыми электродвигателями и двух электровозов серии ВЛ80В (1970 г.) мощностью 8000 кВт с вентильными двигателями.
Тяговые свойства электровозов с асинхронными тяговыми электродвигателями определяются изменением основных параметров движения по рельсовой колее: скорости У и касательной силы тяги FK на ободе колес колесных пар.
Скорость движения V электровоза с АТД может быть определена из следующего выражения, км/ч:
(2.36)
где f1 — частота питающего АТД напряжения, Гц; р — число пар полюсов АТД; S — скольжение ротора, определяется по формуле 2.25.
В соответствии с уравнением академика М.П. Костенко (выражение 2.27) закон оптимального управления электровозов с АТД может быть представлен в следующем виде:
(2.37)
В формуле (2.37) скорость движения V1 и касательная сила тяги соответствуют частоте f1, питающего напряжения величины
V1 и Fк1 — частоте fHOM питающего напряжения UDном.
При движении электровоза с АТД в режиме постоянной скорости V1=V1ˊ выражение (2.37) принимает вид:
Таким образом, для поддержания (заданной графиком) постоянной скорости движения электровоза с АТД с поездом на перегоне, что очень важно для пассажирских локомотивов, изменение питающего напряжения Um должно быть пропорционально корню квадратному из отношения величин FKl/ Fˊк1.
При выходе тяговых электродвигателей на режим работы, соответствующий номинальному, а локомотива — рабочий участок тяговой характеристики при V>VA, целесообразно поддерживать постоянной величину касательной мощности электровоза, т.е NK=const. Тем самым обеспечивается равномерная нагрузка системы электроснабжения со стороны электровоза с АТД. В этом случае Νκ1 / Νк1' =1. Возведя обе части уравнения (2.37) в квадрат, окончательно получим:
(2.38)
Из уравнения (2.38) следует, что выполнение условия NK = const при работе электровоза с АТД в рабочем диапазоне скоростей V * - Vк возможно в случае изменения питающего напряжения UD1 пропорционально корню квадратному из его частоты fx.
Такой закон регулирования работы электровоза с АТД обеспечивается применением автономных инверторов напряжения АИН, в которых благодаря открытию или закрытию полупроводниковых вентилей в определенной последовательности происходит заданное изменение частоты f1 питающего напряжения.
Перспективной представляется конструкция пассажирского электровоза ЭП10 двойного питания, в которой для управления работой АТД и электровоза в целом применены мощные полностью управляемые полупроводниковые приборы (например, GTO-тиристоры), что позволило в несколько раз уменьшить вес и габаритные размеры статического преобразователя по сравнению с преобразователями, установленными на других сериях локомотивов с АТД, и повысить эксплуатационную надежность.
Электровоз ЭП10 предназначен для вождения скорых пассажирских поездов на длинных тяговых плечах, например, Москва — Нижний Новгород, Москва — Адлер, Москва — Западная Европа и другие, т.е. прежде всего на тех участках обращения, где находятся станции стыкования систем постоянного и переменного тока. Применение электровоза двойного питания позволяет организовать безостановочное движение пассажирских поездов по станциям стыкования и существенно повысить участковые скорости движения поездов. Осевая формула электровоза ЭП10 20-20-20, сцепной вес 1350 кН, нагрузка от колесной пары на рельсы 225 кН, максимальная скорость движения 160 км/ч, мощность длительного режима = 7000 кВт.
На рис. 49 приведены структурные схемы питания и управления работой тягового электрического привода колесных пар одной тележки электровоза ЭП 10 при работе от контактной сети постоянного (а) и переменного (б) тока.
Рис. 49. Структурные схемы питания и управления тягового привода колесных пар одной тележки электровоза ЭП10 при работе от контактной сети постоянного (в) и переменного (б) тока: СФ — сетевой фильтр; ДН — делитель напряжения; ИРН — импульсный регулятор напряжения; Ф — фильтр звена постоянного тока; АИН — трехфазный автономный инвертор напряжения; 4-qs — четырехквадрантный преобразователь; АТД — асинхронный тяговый электродвигатель
При работе электровоза ЭП 10 на железнодорожных участках электрифицированных на постоянном токе 3 кВ, его структурная схема включает в себя (см. рис. 49, а): сетевой фильтр (СФ), делитель напряжения (ДН), импульсный регулятор напряжения (ИРН), трехфазный автономный инвертор напряжения (АИН) и асинхронные тяговые электродвигатели (АТД).
Основным звеном силовой цепи питания и управления работой асинхронных тяговых двигателей АТД электровоза ЭП10 является трехфазный автономный инвертор напряжения (АИН), в котором напряжение постоянного тока, поступающего на электровоз из контактной сети, преобразуется в переменное трехфазное, регулируемое по частоте и величине. Основу инверторов напряжения (АИН) составляют полупроводниковые ключи (GTO- тиристоры).
Сетевой фильтр (СФ) предназначен для снижения влияния помех, возникающих в силовой цепи электровоза, на работу системы электроснабжения постоянного тока. Основу сетевого фильтра составляют сглаживающий реактор и конденсаторы.
Делитель напряжения (ДН) включает в себя два последовательно соединенных конденсатора емкостью С (см. рис. 49, а), с помощью которых напряжение контактной сети 3000 В делится пополам. На каждый инвертор подается электрический ток постоянного напряжения 1500 В.
Импульсный регулятор напряжения (ИРН) работает при применении на электровозе режима электрического торможения. Как известно, рекуперация электрической энергии в контактную сеть постоянного тока при электрическом торможении локомотива возможна лишь при наличии потребителей этой энергии. При отсутствии потребителей с помощью импульсного регулятора напряжения (ИРН) производится переключение групп тормозных резисторов и обеспечивается регулирование тормозной силой при реостатном торможении.
При работе электровоза ЭП10 от контактной сети переменного тока Uкс = 25 кВ его структурная схема включает в себя (см. рис. 49,б): тяговый трансформатор ( ГГ), четырехквандратный преобразователь (4-qs), фильтр звена постоянного тока (Ф), импульсный регулятор напряжения (ИРН), трехфазный автономный инвертор питания (АИН) и асинхронные тяговые электродвигатели (АТД).
Тяговый трансформатор (ТТ) типа LOT9300 электровоза ЭП10 имеет одну высоковольтную (первичную) обмотку, шесть вторичных тяговых и обмотку для питания цепи отопления поезда. Охлаждение трансформатора — масляное с принудительной циркуляцией масла, масса трансформатора — 7920 кг. Трансформатор (ТТ) предназначен для понижения напряжения при питании от контактной сети переменного тока 25 кВ, 50 Гц до величины 1200 В, 50 Гц.
Четырехквадрантный преобразователь представляет собой выпрямитель тока с импульсной модуляцией и предназначен для преобразования однофазного переменного тока напряжением 1200 В в постоянный электрический ток при повышении выходного напряжения до величины 2800 В. Основными элементами преобразователя (4-qs) являются GTO-тиристоры.
Фильтр звена постоянного тока (Ф) предназначен для сглаживания пульсации выпрямленного напряжения. Основным элементом фильтра являются два параллельно соединенных конденсатора емкостью С (см. рис. 49, б).
Функциональное назначение остальных звеньев (ИРН-АИН-АТД) силовой цепи электровоза ЭП10 при работе на переменном токе напряжением 25 кВ и постоянном 3 кВ практически не отличается.
Рис. 50. Тяговые характеристики электровоза ЭП10 переменного тока: 1 — длительного режима; 2 — часового режима
Сравнение структурных схем, представленных на рис. 49, позволяет сделать следующие выводы. Силовая цепь электровоза при работе на линиях постоянного тока значительно проще. При работе ЭП 10 от переменного тока (см. рис. 49,б) происходит двойное преобразование электрической энергии.
Сначала в четырехквандратном преобразователе (4-qs) переменный однофазный ток преобразуется в постоянный, затем в инверторе АНН происходит обратное преобразование постоянного напряжения в переменное с изменением частоты тока. В итоге это приводит к дополнительным потерям и снижению к.п.д. электровоза по сравнению с его эксплуатацией на линиях постоянного тока 3 кВ.
На рис. 50 представлены опытные тяговые характеристики пассажирского электровоза ЭП10 с асинхронными тяговыми электродвигателями для двух режимов работы АТД длительного (кривая 1) и часового (кривая 2) [11]. На тяговой характеристике ЭП10 отмечены следующие ограничения касательной силы тяги (см. рис. 50): а-б — по силе сцепления колес с рельсами, б-а — по силе тока и напряжению тяговых двигателей, в-г — по максимальному значению силы тока преобразователей электровоза, д-е — по наибольшей скорости движения.
При работе в длительном режиме электровоз ЭП10 реализует касательную силу тяги 300 кН при скорости 80 км/ч; в часовом режиме Fкч = 315 кН при скорости 80 км/ч, мощность часового режима — 7200 кВт. Максимальная сила тяги при трогании локомотива — 375 кН.