Классификация систем управления ЭПС по типам преобразователей
Эта классификация представлена на рис. 1.6.
СУ ЭПС без преобразователей.
Исторически первые электровозы имели простейшие СУ без преобразователей. Такие СУ предусматривают ступенчатое регулирование напряжения на ТЭД Сд за счет изменения группировок ТЭД, регулирования тока возбуждения Iв и включения пусковых резисторов r (на ЭПС постоянного тока) или переключения числа витков обмоток трансформатора (на ЭПС переменного тока). Применяются коллекторные ТЭД постоянного тока (КПТ) и однофазные коллекторные (ОК).
Преимущества СУ без преобразователей — их простота и дешевизна, недостатки — значительные потери в пусковых резисторах, ступенчатость регулирования силы тяги, сложность конструкции коллекторных ТЭД и ограничение их мощности по коммутации. До 1960 г. на ЭЖД Европы применялись СУ ЭПС без преобразователей за исключением единичных опытных электровозов. Сейчас в связи с развитием преобразовательной техники, такой тип СУ ЭПС хотя и утратил свое монопольное положение, но по-прежнему является наиболее распространенной системой управления на ЭЖД постоянного тока.
Рис. 1.6. Классификация ЭПС по типам преобразователей
СУ ЭПС с вращающимися преобразователями.
Еще в первой половине XX века в США и Венгрии применялись электровозы с вращающимися преобразователями. Первые такие электровозы имели синхронный преобразователь однофазного напряжения в трехфазное (СПФ) и асинхронный тяговый двигатель с фазным ротором (АФ). Регулирование осуществлялось переключением числа полюсов ТЭД и пусковым резистором в цепи ротора. Эти электровозы имели групповую тяговую передачу с шатунно-кривошипным механизмом наподобие паровозного. Количество таких электровозов не превышало двух-трех десятков.
В 1947—1955 гг. получают развитие ЭЖД переменного тока нормальной частоты США, Франции и Венгрии появляются разнообразные электровозы с вращающимися преобразователями, имеющие коллекторные ТЭД постоянного тока (КПТ) или асинхронные ТЭД с короткозамкнутым ротором (АКЗ). Регулирование скорости осуществлялось изменением напряжения и частоты тяговых двигателей.
Такие СУ имели много преимуществ:
- возможность использования ТЭД с оптимальными параметрами независимо от величины напряжения и рода тока в контактной сети;
- плавное регулирование скорости и силы тяги;
- синусоидальная форма тока, потребляемого из контактной сети, и возможность регулирования коэффициента мощности вследствие использования преобразователя с синхронным двигателем (СД).
Однако для ЭПС с вращающимися преобразователями характерны два очень серьезных недостатка:
- значительная масса электрооборудования, приходящаяся на единицу мощности ТЭД. Учитывая ограничение нагрузки от колес на рельсы по конструкции пути такие электровозы могут иметь мощность не более 400 — 500 кВт на движущую ось;
- сравнительно низкий КПД электровоза, обусловленный трех — пятикратным преобразованием энергии.
После 1955 г. такие электровозы больше не выпускались.
СУ ЭПС со статическими преобразователями.
История СУ ЭПС со статическими преобразователями начинается с 1936 г., когда в Германии был пущен опытный участок Хеллентальской железной дороги в Шварцвальде близ Фрейбурга, контактная сеть которого питалась напряжением 20 кВ 50 Гц. Участок имел подъемы до 55 %. На этом участке работали четыре электровоза, изготовленные разными фирмами, в том числе два электровоза с ТЭД постоянного тока и многоанодными ртутными выпрямителями.
В 1938 г. опытный электровоз ОР-22 был изготовлен заводом «Динамо» и начались его испытания на опытном кольце ВНИИЖТ под Москвой.
В первые послевоенные годы в США, Франции и СССР строятся и испытываются электровозы со статическими преобразователями первого поколения, на которых использовались одноанодныс ртутные выпрямители. Их недостатки: громоздкость конструкции; трудность обеспечения герметичности приборов в условиях вибрации подвижного состава; необходимость поддержания температуры выпрямителей в узких пределах 35—40 °C, что требовало применения водяного охлаждения; заражение электровоза ртутью при прожоге корпуса выпрямителя.
Вместе с тем СУ с ртутными выпрямителями имели существенные преимущества по сравнению с вращающимися преобразователями: значительно меньшую массу электрооборудования, приходящуюся на единицу мощности ТЭД, и более высокий коэффициент полезного действия (КПД). Эти преимущества получили убедительное подтверждение в 1955 г., когда началась совместная эксплуатация электровозов разных типов на грузонапряженной линии Валансьен-Тионвиль (Франция).
Второе поколение статических преобразователей появилось в Европе в 1958—1959 г. и спустя четыре года — в СССР. В качестве выпрямителей были применены кремниевые диоды. Это позволяло заменить водяное охлаждение воздушным, снизить массу и габариты выпрямительной установки, упростить ее техническое обслуживание, повысить КПД и надежность.
Напряжение на ТЭД электровозов первого и второго поколений регулировалось изменением числа витков обмотки трансформатора с помощью контакторов.
Преимущества преобразователей второго поколения оказались настолько существенными, что по мере поступления в капитальный ремонт на всех электровозах первого поколения ртутные выпрямители были заменены кремниевыми.
Третье поколение статических преобразователей отличалось применением управляемых полупроводниковых приборов — кремниевых тиристоров. Это позволило отказаться от использования контакторов и перейти на бесконтактное регулирование. Кроме того, появилась возможность рекуперации на электровозах со статическими преобразователями, а также использования бесколлекторных ТЭД.
Четвертое поколение характеризуется применением полностью управляемых GTO тиристоров (Gate turn off thyristor — запираемый тиристор), что обеспечивало дальнейшее снижение массогабаритных преобразователей, особенно заметное на электровозах с асинхронными ТЭД.
Сейчас зарождается пятое поколение, характеризующееся использованием силовых полупроводниковых приборов IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor — биполярный транзистор с изолированным затвором) и IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor — запираемый тиристор с интегрированным блоком управления).
Недостатки статических преобразователей:
- значительное снижение коэффициента мощности при глубоком фазовом регулировании в режимах тяги и рекуперации;
- искажение формы кривой тока, потребляемого из контактной сети, и необходимость компенсации реактивной мощности на высших гармониках.
В дальнейшем будут подробно рассмотрены наиболее распространенные системы: постоянного тока без преобразователей [1] и переменного тока со статическими преобразователями [2], а также перспективные системы с бесколлекторными тяговыми двигателями [2, 6, 7] и с импульсным регулированием постоянного напряжения.