Admin

Будущее - за бесконтактными аппаратами

Ежегодно на сети дорог России происходит около 25 повреждений оборудования электропоездов в расчете на 1 млн. секцие-км пробега. Из них на долю коллекторных тяговых двигателей и электроаппаратуры приходится около 50 % всех отказов (15 % — тяговые двигатели, 35 % — электрические аппараты). Из общего числа отказов тяговых машин (около 2900 случаев в год) повреждения коллекторов составляют всего 3,5 %. Основную долю — 77 % (2230 неиспр./год) вызывают пробои изоляции их обмоток.

Среди неисправностей электроаппаратуры, переключающейся при каждом пуске и торможении (сюда не относятся токоприемники, высоковольтные, низковольтные провода и предохранители), большую часть составляют отказы силовых контроллеров, электропневматических и электромагнитных контакторов, блокировок и реле (62 % — 1600 неиспр./год).

Наиболее часто тяговые двигатели повреждаются во время переходных процессов, вызванных нестабильной работой силовой контакторной аппаратуры и ее блокировок. Поэтому можно считать, что почти 2/з всех неисправностей электропоездов в той или иной степени связано с неудовлетворительной работой контакторной аппаратуры.

Самые тяжелые и опасные аварийные режимы возникают в электросхемах моторных вагонов при отказах и сбоях групповых контроллеров и переключателей. Нестабильность работы этих аппаратов вызывает резкие колебания токов в силовых электрических цепях. Броски токов приводят к возникновению ударных нагрузок в автосцепках, передергиванию состава, ускоренному износу механической части вагонов, их автосцепок, провоцируют сбои и отказы в работе тяговых двигателей. Регулярно повторяющиеся ударные нагрузки в автосцепках вызывают у пассажиров дискомфорт; сбои и отказы в работе электрооборудования увеличивают затраты на неплановые ремонты вагонов.

Главная беда сегодняшней тяги постоянного тока — не в коллекторных тяговых двигателях, а в некачественном управлении их работой. Оно существенно снижает конкурентоспособность тяги постоянного тока. Более половины повреждений можно полностью исключить из практики эксплуатации электропоездов, если перейти на современные методы управления тягой постоянного тока. Это значит — заменить на моторных вагонах морально устаревшую пневмомеханическую контакторную аппаратуру современными бесконтактными тяговыми аппаратами, выполненными на основе силовой электроники отечественного производства.

Стремительное развитие силовой электроники позволяет усовершенствовать тяговое электрооборудование моторных вагонов, построить все элементы и системы тягового привода подобно объектам цифровой электроники. Моторный вагон, как сложное электротехническое устройство, будет работать с компьютерной точностью и высокой надежностью. Он станет легко управляемым звеном общей ресурсосберегающей технологии железных дорог.

Исследования специалистов ООО «ТОМАК, ЛТД» свидетельствуют, что надежность тяги серийных электропоездов можно перевести с механического уровня, определяемого надежностью пневмомеханических аппаратов, на электронный уровень, определяемый надежностью силовых полупроводниковых приборов. Силовые тиристоры и тяговые аппараты на
их основе способны заменить собою контакторы, реостатно-контактные контроллеры и тормозные переключатели. Они обеспечат коллекторным тяговым двигателям практически идеальные условия эксплуатации.

В ООО «ТОМАК, ЛТД» разработан типаж бесконтактных контроллеров-переключателей с микропроцессорным управлением, выполненных на отечественных тиристорах. Они предназначены для замены пневмомеханических реостатно-контактных контроллеров и тормозных переключателей.

Электропоезда постоянного тока с тяговыми двигателями на 750 В:

КПТ-3000.1 — контроллер-переключатель постоянного тока для режимов тяги. Выводит ступени пусковых резисторов в режиме тяги;

КПТ-3000.2 и КПТ-3000.3 — контроллеры-переключатели для режимов тяги и торможения. Выводят ступени пуско-тормозных резисторов в режимах тяги и торможения, переключают силовую схему из режима тяги в режим электрического торможения с регулируемым самовозбуждением тяговых двигателей (КПТ-3000.2) и перекрестным включением якорей и обмоток возбуждения (КПТ-3000.3).

Электропоезда постоянного тока с тяговыми двигателями на 1500 В:

КПТ-1500/3000.1 — контроллер-переключатель для режима тяги. Выводит ступени пусковых резисторов в режимах тяги, переключает тяговые двигатели с последовательного на последовательно-параллельное соединение;

КПТ-1500/3000.2 и КПТ-1500/3000.3 — контроллеры-переключатели для режимов тяги и торможения. Выводят ступени пуско-тормозных резисторов в режимах тяги и торможения, переключают тяговые двигатели с последовательного на последовательно-параллельное соединение, переключают силовую схему из режима тяги в режим электрического торможения с регулируемым самовозбуждением тяговых двигателей (КПТ-1500/3000.2) и перекрестным включением якорей и обмоток возбуждения (КПТ-1500/3000.3).



Двухсистемные электропоезда с тяговыми двигателями пульсирующего тока на напряжение 825 В:

КПТ-3000.1 Д — контроллер-переключатель постоянного и пульсирующего тока для режимов тяги. Выводит ступени пусковых резисторов в режиме тяги;

КПТ-3000.2Д и КПТ-3000.3Д —контроллеры-переключатели для режимов тяги и торможения. Выводят ступени пуско-тормозных резисторов в режимах тяги и торможения, переключают силовую схему из режима тяги в режим электрического торможения с регулируемым самовозбуждением тяговых двигателей (КПТ-3000.2Д) и перекрестным включением якорей и обмоток возбуждения (КПТ-3000.3Д).

Варианты установки контроллеров-переключателей :

КПТ-3000.2 — на электропоезда ЭР2Р, ЭД2Т, ЭД4 и ЭД4М;

КПТ-1500/3000.1 — на электропоезда ЭР2;

КПТ-1500/3000.2 — на электропоезда ЭД4Э;

КПТ-3000.2Д — на двухсистемные электропоезда ЭД12Д.

КПТ других типов предназначены для установки на вновь разрабатываемые моторные вагоны.

Замена на моторных вагонах пневматических групповых контроллеров и тормозных переключателей бесконтактными контроллерами-перекпючателями позволит повысить надежность работы и сократить затраты на эксплуатацию. Резко сократится аварийность и повысится пожаробезопасность вагонов, поскольку главные коммутационные режимы (выведение реостатных позиций в тяге и торможении, переход из режима тяги в режим электрического торможения и обратно, переход с последовательного соединения тяговых двигателей на параллельное) не будут сопровождаться появлением электрической дуги на размыкаемых и замыкаемых контактах. Самих контактов не будет — их заменят силовые бесконтактные приборы — тиристоры.

На рисунке представлены упрощенные силовые схемы моторных вагонов с контактными и бесконтактными тяговыми аппаратами. Они практически копируют друг друга и отличаются только исполнением регулирующей аппаратуры.

Не нарушая и практически не изменяя проверенного жизнью дискретного алгоритма управления тягой постоянного тока, реостатно-бесконтактный контроллер поднимает его с пневмомеханического на электронный уровень по точности, стабильности и надежности исполнения. Следует отметить, что применение силовой электроники в схеме (б) можно назвать щадящим. Оно позволяет повысить надежность тяги постоянного тока не на проценты, а в разы.

Объясняется это просто. Отечественная электронная промышленность изготавливает сегодня обычные (не лавинные, не быстродействующие, не высокочастотные) низкочастотные тиристоры на номинальные напряжения 4000 — 6000 В (40 — 60-й классы) и номинальные токи 1000 — 3000 А. Они предназначены для работы с частотами переключений 50 — 500 Гц. В тяговом режиме эти тиристоры будут переключаться с частотой работы контакторов 1 — 2 Гц, что создаст запас по частоте переключений в 50 — 250 раз. За счет параллельного подключения к части пускового резистора и друг к другу приборы будут работать с напряжениями 500 — 1000 В и средними токами 50 — 100 А, т.е. гораздо ниже своих номинальных параметров.

Запас их использования по напряжению составит 5—10 раз, а по току — 20 — 30 раз! В этом заключается щадящее применение силовой электроники. Каждый следующий тиристор, отпираясь, шунтирует предыдущий и фактически разгружает его по току и напряжению. За время пуска моторного вагона (12 — 15 с) в работу на нем поочередно вступают 15 тиристоров КПТ.

По каждому из них ток протекает примерно одну секунду. Поэтому они не перегреваются даже при естественном охлаждении. Как известно, тяговый инвертор асинхронного привода нуждается в принудительном воздушном охлаждении импортных силовых транзисторов со скоростью обдува не менее 12 м/с. Он автоматически выключается из работы в случае их перегрева.

Тиристоры, разработанные отечественной электронной промышленностью для схем с напряженными режимами работы, в реостатных схемах электрической тяги будут практически «отдыхать». Поэтому станут работать надежно и долговечно. Они не выйдут из строя даже в аварийных режимах. Это подтвердила практика применения контроллеров КПТ на вагонах метро.

Конструктивно бесконтактные контроллеры выполнены так.

Силовые тиристоры прижимного типа размещены на общей охлаждающей плите и отделены от нее теплопроводящими изоляторами. Ребра охлаждающей плиты оказываются внешней стороной силового блока, а весь электромонтаж (силовой и цепей управления) выполняется в герметично закрытой части силового блока. Полученная конструкция чем-то похожа на необслуживаемый аккумулятор. Ее собрали, проверили, установили и подключили к схеме вагона. В дальнейшем устройства надо только периодически тестировать, что как раз удобно в эксплуатации.

Следует отметить, что благодаря функциональной простоте и большим запасам по напряжению и току надежность работы бесконтактных контроллеров КПТ-3000 на электропоездах многократно превзойдет надежность тяговых инверторов напряжения такой же мощности, управляющих работой асинхронных тяговых двигателей. (О надежности и эффективности работы маломощных импульсных регуляторов тяги и мощности РТМ-500 рассказано в журнале «Локомотив» № 3, 2005 г.)
Тяговые машины постоянного тока можно включать последовательно или параллельно и управлять тяговыми двигателями одного моторного вагона одним бесконтактным контроллером-переключателем, например, КПТ-3000.2. Он обеспечит бесконтактный пуск, переключение из тяги в режим электрического торможения и обратно, а также бесконтактное регулирование процесса электрического торможения. Все это будет выполняться с микросекундной точностью и электронной надежностью.

Асинхронные тяговые двигатели можно включать только параллельно. Поэтому на одном моторном вагоне с четырьмя параллельно включенными асинхронными двигателями нужно иметь не менее двух независимо работающих тяговых инверторов. Каждый из них должен получать сигналы управления от своих датчиков напряжения и тока, датчиков частоты вращения двигателей.

Это существенно снижает суммарную надежность работы асинхронной тяги. Повышение надежности данного привода по сравнению с приводом постоянного тока за счет отсутствия коллектора (на его долю приходится 3,5 % отказов) неспособно скомпенсировать уменьшение его надежности за счет усложнения схемы, системы управления, конструкции и удвоения числа инверторов и датчиков. В результате на моторном вагоне суммарная надежность привода постоянного тока с коллекторными тяговыми двигателями и бесконтактными контроллерами будет гораздо выше, чем надежность асинхронного привода с более надежными бесколлекторны-ми асинхронными двигателями, но с менее надежными тяговыми инверторами.

Перечислим преимущества тяги с бесконтактными контроллерами-переключателями:

- высокая надежность благодаря функциональной простоте и 5 — 1 0-кратным запасам тиристоров по напряжению и току; 0 высокая точность и стабильность работы;

- возможность применения отечественных тиристоров и, соответственно, приемлемая стоимость бесконтактных тяговых аппаратов;

- сцепляемость с вагонами эксплуатируемого парка;

- более высокая надежность по сравнению с тягой на основе асинхронных двигателей и инверторов напряжения;

- отсутствие мешающих влияний на работу систем локомотивной сигнализации и связи.

Одинаковые алгоритмы и временные диаграммы переключений тяги позволяют по образцовой диаграмме, заложенной в электронный тестер, не выходя из кабины машиниста, протестировать с электронной точностью и достоверностью работу контроллеров КПТ всех моторных вагонов электропоезда. Схемам тяги с КПТ, в отличие от импульсных и инверторных систем тяги, не требуются мощные многотонные сглаживающие фильтры и дроссели. Не нужно расходовать электроэнергию на их перевозку на вагонах и на перевозку специальных экранов для защиты пассажиров от создаваемых дросселями импульсных систем сильных электромагнитных полей.

Указанные преимущества позволяют утверждать, что сегодня главным направлением технического перевооружения тяги электропоездов постоянного тока следует считать замену на них контакторной аппаратуры бесконтактными тяговыми аппаратами отечественного производства. Эту работу желательно провести в рамках целевой инвестиционной программы и привлечь к ее выполнению крупнейшие вагоностроительные и электротехнические предприятия России. Внедрение на электропод-вижном составе бесконтактных тяговых аппаратов обеспечит дороги высоконадежными электропоездами нового поколения, которые можно будет перевести на сервисное обслуживание с изменением регламента ремонта.

Бесконтактные электропоезда с тяговыми аппаратами отечественного производства в условиях России будут гораздо более конкурентоспособными и более удобными для эксплуатации, чем электропоезда, оснащенные импортными приводами переменного тока.

Канд. техн. наук В.А. МНАЦАКАНОВ, генеральный директор ООО «ТОМАК, ЛТД», г. Москва

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК

СЦБот

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin

СЦБот

Эта тема была перенесена из раздела xx1.

Перенес: Admin