[01-2017] Асинхронный привод: начало пути

[Admin]

Асинхронный привод: начало пути

Канд.техн.наук А.Л. Лувишис

К 50-летию испытаний опытной двухвагонной электросекции с асинхронными тяговыми двигателями и статическими преобразователями

Первые попытки внедрения тягового асинхронного привода на подвижном со­ставе начались 50 лет назад. С конца 1966 г. специалисты отдела тяги Всесоюзного науч­но-исследовательского института электро­механики (ВНИИЭМ) проводили работы по наладке и испытанию двухвагонной секции электропоезда ЭР9П-134, состоявшей из го­ловного вагона № 13401 и моторного вагона № 13402 специального изготовления.
На одной из тележек моторного вагона кол­лекторные тяговые двигатели были заменены трехфазными асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором, т.е. на моторном вагоне была одна стандартная для электропо­езда ЭР9П тележка и одна нестандартная. Для удобства исследований инверторные уста­новки и блоки электронного управления и ре­гулирования были размещены в выделенном помещении пассажирского салона моторного вагона. Остальное оборудование (в основном серийное) располагалось под вагоном.

В выпрямительную установку поезда ЭР9П были добавлены «тиристорные усы» для полу­чения плавного межступенчатого изменения напряжения. Использовались только четыре из семи ступеней вторичной обмотки типово­го трансформатора электропоезда ЭР9П.
Напряжение с выхода выпрямителя посту­пало на входы двух тиристорных инверторов напряжения. Они преобразовывали напряже­ние постоянного тока в трехфазное напряже­ние, частота которого могла меняться от 1 до 100 Гц. С выхода каждого инвертора напряже­ния энергия поступала на зажимы одного из тяговых двигателей нестандартной тележки моторного вагона.
Машины с тремя парами полюсов при на­пряжении около 500 В, токе 300 А (на фазу) и частоте 50 Гц развивали мощность около 200 кВт каждый. Частота вращения ротора при этом была около 1000 об/мин. Двигатели из­готовили с использованием механической ча­сти серийных двигателей постоянного тока и электрической части серийных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.
Регулирование частоты асинхронных тя­говых двигателей (АТД) осуществлялось раз­работанной во ВНИИЭМ системой регулиро­вания частоты тока статора с обратной связью по абсолютному скольжению. В качестве входного сигнала система использовала им­пульсы датчика частоты вращения колесной пары, установленного на бегунковой оси.
Первые передвижения секции по пу­тям в непосредственной близости от депо Ожерелье Московской дороги были осу­ществлены на коллекторных двигателях стан­
дартной тележки секции в декабре 1966 г.
Важность этого этапа была связана с тем, что таким образом опробовали систему плавно­го регулирования напряжения в выпрями­тельном звене преобразователя. В то время это была одна из первых секций с плавным регулированием напряжения коллекторных двигателей на сети дорог страны, и успех испытаний системы ВНИИЭМ был хорошим стартом для наладки й испытаний двухвагон­ной секции. А в конце декабря 1966 г. были осуществлены первые передвижения секции на том же пути уже на асинхронных тяговых двигателях.
С начала 1967 г. испытания секции были продолжены сначала на 19-м пути недалеко от линейного пункта на станции Ожерелье, а затем на линии Ожерелье — Михайлов.
Надежная работа системы плавного регули­рования напряжения и наличие стандартной тележки в составе секции обусловили тот факт, что за время испытаний ни разу не по­требовался резервный локомотив для вывоза секции с перегона. В случаях неисправностей в инверторных преобразователях и их систе­мах управления, которые случались редко, секция выезжала с перегона на коллекторных тяговых двигателях.
Опытные поездки секции осуществля­лись на линии Ожерелье — Михайлов в 1967 — 1969 гг. Именно успешность испытаний секции, на которой во время поездок при­сутствовали многочисленные представите­ли МПС, привела к тому, что МПС приняло решение об изготовлении опытной секции электропоезда с асинхронными тяговыми двигателями в 1967 г. и об изготовлении по­езда ЭР9А в 1970 г.

Двухвагонная секция была первой в мире действующей моделью асинхронного тяго­вого привода с двумя тяговыми двигателями мощностью 200 кВт каждый.
Пионерский характер работы можно под­твердить кратким изложением зарубеж­ной истории асинхронного тягового приво­да со статическими преобразователями.
В 1963 — 1971 гг. на заводе в Мангейме (Германия) компания ВВС проводила иссле­дования и испытания инвертора с широтно­импульсной модуляцией (ШИМ) для управ­ления асинхронными тяговыми двигателями.
В 1963 — 1964 гг. английская компания Brush Со. модернизировала и испытала маневро­вый тепловоз, присвоив ему новое название Hawk. Опытный тепловоз был четырехос­ным, с новым дизелем мощностью 1000 кВт.
Регулирование напряжения осуществлялось тяговым генератором переменного тока и вы­
прямителем, а регулирование частоты — ин­верторами напряжения без ШИМ. Испытания системы завершились неудачей, в 1965 г. те­пловоз был доставлен на стенд завода компа- _ нии для доводочных работ, но больше никог­да не работал на линиях.
Первые успешные испытания асинхронно­го тягового привода с использованием инвер— торов с ШИМ, разработанных ВВС, проводи­лись в 1970 — 1974 гг. по мере изготовления компаниями «Хеншель» и ВВС трех тепловоз­ов серии DE-2500. Тепловозы были шестиос- _ ными с мощностью дизеля 1900 кВт. В 1974 г. в Швейцарии под контактной сетью 15 кВ, 16,7 Гц были проведены испытания тепловоза се­рии DE-2500 с расположенными в отдельном вагоне трансформатором и четырехквадрант­ным преобразователем.

Первый электропоезд серии 2300, который работал под контактной сетью 25 кВ, 50 Гц, появился на железных дорогах Португалии только в 1990 г. Преобразователи поезда, в отличие от преобразователей тепловоза DE- — 2500 и первой советской опытной двухвагон­ной секции, были выполнены на запираемых тиристорах.
Итак, на первых образцах подвижного со- — става с асинхронными тяговыми двигателями и статическими преобразователями, испы­танных на железных дорогах СССР и Англии, использовались инверторы напряжения без ~ ШИМ на обычных тиристорах. Успешные ис­пытания опытной двухвагонной электросек­ции с асинхронными тяговыми двигателями начались в СССР в 1967 г. Испытания первых инверторов напряжения с ШИМ на быстро­действующих тиристорах на тепловозе DE- 2500 начались в 1974 г.
В 1965 — 1966 гг. в тяговом отделе ВНИИЭМ, руководимом Е.С. Аватковым, имелись работающие на стендах преобразователи с ШИМ и без ШИМ. Преимущества преобразователей с ШИМ для тяговых асинхронных приводов высоко оценивались уже тогда.
Однако отечественных быстродействующих тиристоров для целей тяги, обеспечиваю- ~ щих работу инверторов с ШИМ для управ­ления асинхронными тяговыми двигателями электропоездов или локомотивов, в то вре­мя, однозначно, не существовало.
Новую разработку отдела было решено ис­пользовать в приводе первых в СССР электро­мобилей с асинхронными тяговыми двигате- _ лями. Мощность двигателя электромобиля была 12 кВт, а напряжение аккумуляторной батареи — 264 В. Первые электромобили на шасси УАЗ были созданы в 1974 г. в качестве - опытной партии для 34-го автокомбината «Мосторгтранса». Но даже для привода такой небольшой мощности и невысокого уровня напряжения доставать быстродействующие — тиристоры на Таллинском электротехниче­ском заводе удавалось с большими трудно­стями.
Инициатором и организатором начального этапа развития асинхронного тягового привода был Е.С. Аватков (1902 — 1990 гг.).
Именно он разглядел в первых появившихся в те годы тиристорах возможность для реализации мечты поколений инженеров-тяговиков о применении трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором для целей __электрической тяги. Однако вряд ли его пла­ны стали бы реальностью без помощи двух выдающихся советских ученых.

Убедить работников МПС в перспективности асинхронного тягового привода со статическими преобразователями по­мог член-корреспондент Академии наук СССР, крупнейший в Союзе специалист по — тяговым электрическим машинам профес­сор Ленинградского института инженеров железнодорожного транспорта (ЛИИЖТ) А.Е. Алексеев (1891 — 1975 гг.). Помимо ор­ганизационной помощи, он принимал непо­средственное участие в конструировании первых советских асинхронных тяговых дви-_ гателей ЭТА-200, ЭТА-300, ЭТА-1200 и органи­зовал при кафедре «Электрические машины» ЛИИЖТа лабораторию асинхронного тягово­го привода. — Директор ВНИИЭМ, основатель советской школы электромеханики, академик Академии наук Армянской ССР А.Г. Иосифьян (1905 — 1993 гг.) убедил специалистов Министерства электротехнической промышленности в пер­спективности асинхронного тягового приво­да, помогал тяговому отделу своего института в осуществлении замысла Е.С. Аваткова, под-— ключил опытный завод института к изготов­лению необходимого электротехнического оборудования для опытных образцов под-_ вижного состава с асинхронными тяговыми двигателями.
Разработку электрооборудования для тя­гового привода, наладку и испытания первых _ образцов подвижного состава возглавил мо­лодой талантливый ученый Ю.Г. Быков (1937 — 2003 гг.). В этих работах под его руковод­ством участвовали инженеры, недавние вы-— пускники Московского энергетического ин­ститута и Московского института инженеров железнодорожного транспорта С.А. Михайлов (1936 — 2013 гг.), М.И. Гингольд, Р.И. Мустафин и автор статьи. Конструирование тяговых двигателей ЭТА-200 для опытной секции вы­полнила лаборатория электрических машин __ тягового отдела ВНИИЭМ, которую возглавлял инженер Ю.М. Косой.

У нас хватало и смелости, и знаний. Мы не были бесталанны. При хорошей организации — работ в стране по асинхронному тяговому приводу после успешного начала работ было бы успешное продолжение, а не полоса не­удач...

Всю жизнь я считал и теперь считаю, что сослагательное наклонение по отноше­нию к прошлому бессмысленно. Но одного не могу не сказать. В период развития си­стем реостатного и рекуперативного тор­можения на электровозах переменного тока в железнодорожной печати проходила острая дискуссия сторонников обеих си­стем. Однако хорошая организация работ над обеими системами привела к созданию в СССР лучших в мире в те годы грузовых электровозов переменного тока ВЛ80Т и ВЛ80С с реостатным торможением и ВЛ80Р с рекуперативным торможением.

К сожалению, не только дискуссионная, но порой и организационная борьба сторонни­ков вентильного и асинхронного приводов не привели к созданию в СССР электровозов с бесколлекторным тяговым приводом ни на основе прототипа ВЛ80А с асинхронным тяго­вым приводом, ни на основе прототипа ВЛ80В с вентильным тяговым приводом. 50 лет назад противники асинхронного тя­гового привода со статическими преобразо­вателями выдвигали много причин невозмож­ности его реализации. Говорили, что в связи с малой величиной оптимального абсолютного скольжения ротор асинхронного двигателя будет цеплять за статор, что параллельная работа асинхронных тяговых двигателей не­возможна. После успешных испытаний опыт­ной двухвагонной секции с АТД часть причин отпала.
Однако после успешных испытаний тепло­воза DE-2500, а впоследствии электровоза се­рии 120 (ФРГ) логика противников АТД стала следующей. Развитие асинхронного тягового привода возможно только на основе инверто­ров с ШИМ, а в СССР нет тиристоров для таких преобразователей. Поэтому перспектива для железных дорог СССР и России —- развитие электровозов с вентильными двигателями и тяговых единиц с АТД и инверторами тока для электропоездов и городского электрического транспорта. Основная ошибка этой логики за­ключается в утверждении, что современная элементная база для преобразователей была нужна только асинхронному приводу. Как те­перь выяснилось, эта элементная база была нужна железным дорогам СССР и России.
Именно отсутствие единой позиции у ин­женеров-тяговиков по вопросу острой необ­ходимости развития элементной базы преоб­разователей привела, с моей точки зрения, к тому, что ни МПС, ни Министерство электро­технической промышленности не вышли в те годы в правительство страны с объяснением кризисности ситуации и с просьбой создать план ликвидации отставания элементной базы преобразователей.
Ситуация с отставанием советской про­мышленности, изготавливавшей вентили для преобразователей, возникла только на этапе внедрения тиристоров. Первые че­тырехосные электровозы серии ВВ12000 с игнитронными преобразователями появи­лись на дорогах Франции в 1953 — 1954 гг.
Первые электровозы серии НО с советски­ми игнитронами были изготовлены в 1954 г.

В 1961 — 1962 гг. на железные дороги СССР поступили 20 закупленных в ФРГ электрово­зов с кремниевыми выпрямителями серии К.
Первые советские шестиосные электровозы с изготовленными в СССР кремниевыми выпря­мителями появились в 1962 г., электровозы серии ВЛ60К начали производиться в 1965 г. ли годы... Вместо быстродействующих тиристоров в преобразователях на за­рубежном подвижном составе стали при­меняться запираемые тиристоры, затем силовые транзисторы с изолированным затвором. Преимущества асинхронного тя­гового привода были доказаны практикой большого количества железных дорог мира.

Однако новые факты не изменили стра­тегию противников асинхронного тягового привода, хотя они допустили несколько так­тических послаблений. Да, говорили они, асинхронный привод должен применяться на электропоездах, включая высокоскоростные.
Но для привода электровозов должны при­меняться только локомотивы с вентильными и коллекторными тяговыми двигателями. При этом нужно помнить, отмечали они, что АТД в перспективе уступят место синхронным тяго­вым двигателям с возбуждением от постоян­ных магнитов.
По умолчанию проводилась мысль о буду­щей победе синхронных двигателей над асин­хронными. Однако замалчивался тот факт, что для управления синхронными тяговыми двигателями с возбуждением от постоянных магнитов нужны те же инверторы напряжения с ШИМ, что и для АТД, а, следовательно, совре­менная элементная база для их вентилей.
Итак, по крайней мере, 40 лет стратегия противников асинхронного привода не ме­нялась. В течение 30 лет МПС не могло до­биться у руководства страны понимания, что развитие современной элементной базы для преобразователей подвижного состава — это стратегическая задача, без решения которой невозможно развитие подвижного состава.

Однако в XXI веке ситуация изменилась. На железных дорогах России появились раз­личные виды тягового подвижного состава с АТД. В первую очередь, это электропоезда и локомотивы, изготовленные за рубежом или на отечественных заводах с использованием зарубежного электрооборудования. На соз­дание такого подвижного состава государ­ство потратило большие средства.
Так, за рубежом куплено 4 семивагонных высокоскоростных поезда с наклоном кузова вагонов серии «Аллегро» компании «Альстом» (2009 — 2011 гг.), 16 высокоскоростных по­ездов «Сапсан» компании «Сименс» (2008 — 2014 гг.) и 54 двухсистемных пригородных электропоезда «Ласточка» ЭС1 компании «Сименс» (2011 — 2014 гг.).

Новочеркасский электровозостроитель­ный завод НЭВЗ изготовил 12 двухсистемных пассажирских электровозов ЭП10 совмест-. но с компанией «Бомбардье» (Канада, 1998,; 005 — 2006 гг.), 54 двухсистемных скорост­ных пассажирских электровоза «Олимп» ЭП20 (начиная с 2011 г.) и 5 грузовых электровозов переменного тока «Скиф» 2ЭС5 (2011, 2013, 2015 гг.), построенных совместно с компанией «Альстом» (Франция).
По данным на середину декабря 2016 г., завод «Уральские локомотивы» выпустил 136 грузовых электровозов постоянного тока «Гранит» 2ЭС10, грузовой электровоз пере­менного тока 2ЭС7и47 пригородных электро­поездов постоянного тока серии «Ласточка» ЭС2Г/ЭС2ГП (изготовление началось с 2014 г. совместно с компанией «Сименс»), В 2015 — 2016 гг. Энгельсским локомотив­ным заводом (АО «Первая локомотивная ком­пания») совместно с компанией «Бомбардье» изготовлены 2 грузовых электровоза двойно­го питания «Князь Владимир» 2ЭВ120.
Большие надежды связаны с подвижным составом, построенным на отечественных за­водах с полностью отечественной комплекта­цией:
55 тепловозов серии 2ТЭ25А Брянского машиностроительного завода (начиная с 2006 г.). Преобразователи тепловозов выпол­нены в АО «ВНИКТИ», применены силовые транзисторы 3,3 кВ, 1200 А;
2 гибридных локомотива — ТЭМ9Н (Людиновский тепловозостроительный завод, 2011 г.) и ТЭМ35 (Брянский машиностроитель­ный завод, 2013 г.).
В соответствии с информацией завода «Электровыпрямитель» (Саранск), на заводе выпускаются опытные образцы силовых тран­зисторов с изолированным затвором и пара­метрами 3,3 кВ, 1200 А и 6,5 кВ, 600 А.

После 1976 г. разработчики оборудования для первых образцов подвижного соста­ва с асинхронным тяговым приводом, тру­дившиеся во ВНИИЭМ, были отстранены от дальнейшей работы над приводом. В авторской песне, которую они пели во время отдыха (источник), были та­кие слова: «Но мы верим, эта вера свята, эта вера согревает нам года, что наступит свет­лый день когда-то, и пойдут "на асинхрон­ных" поезда!».
Мы мечтали о том времени, когда по же­лезным дорогам СССР и России пойдет под­вижной состав с асинхронными тяговыми двигателями, изготовленными на отечествен­ных заводах со стопроцентно отечественны­ми компонентами. Даже в плохом сне мы не могли представить, что в перспективе СССР или Россия не смогут производить необходи­мых компонентов на отечественных заводах.
Как следует из изложенного выше, поезда _ «на асинхронных» уже ходят по железным до­рогам России, и время осуществления нашей мечты не за горами, «свет в конце тоннеля» уже виден. Время массового производства тя- — говых единиц с бесколлекторными тяговыми двигателями для железных дорог России со стопроцентной локализацией неизбежно на­ступит. Хотелось бы, чтобы это время пришло быстрее!
От редакции. Автор статьи Александр Львович ЛУВИШИС — один из участников разработки тягового асинхронного при­вода на локомотивах и моторвагонном подвижном составе. Начинал работать во Всесоюзном научно-исследовательском _ институте электромеханики (ВНИИЭМ), в 90-е годы трудился заведующим отделом Центрального научно-исследовательского института информации и технико-эконо- — мических исследований железнодорожного транспорта МПС (ЦНИИ ТЭИ, ныне Центр научно-технической информации и библио­тек — филиал ОАО «РЖД»), был свидетелем непростого пути внедрения прогрессивного вида тягового привода на отечественных железных дорогах. В настоящее время про­живает в США.