Admin

Усовершенствованный тяговый привод тепловозов с коллекторными двигателями

Ю.И. КЛИМЕНКО, К.С. ПЕРФИЛЬЕВ, кандидаты технических наук, В.Ю. ЕВСЕЕВ, Я.В. ЧУПИН, инженеры, АО «ВНИКТИ», г. Коломна

Тяговый электропривод современных российских тепловозов с электропередачей переменно-постоянного тока серий 2ТЭ25К, 2ТЭ25КМ, ЗТЭ25К2М, 2ТЭ70, 2ТЭ116У, а также модернизируемых тепловозов 2ТЭ116 построен по принципу поосного регулирования силы тяги, который позволяет значительно повысить тяговые свойства тепловозов [1, 2]. Опыт эксплуатации данных локомотивов в ОАО «РЖД» полностью подтвердил его эффективность.

Электропривод с поосным регулированием силы тяги был разработан в начале 1990-х годов с использованием доступной на тот момент силовой полупроводниковой элементной базы, которая не позволяет полностью использоеэть его потенциальные возможности.

Несмотря на очевидные преимущества, данный тип привода имеет определенные особенности:

- силовая схема содержит шесть управляемых мостов с общим количеством управляемых тиристоров 36 ед., при этом для управления каждым тиристором необходимо использовать драйверы и обеспечивать синхронизацию с силовой питающей сетью;

- драйверы управления питаются высокочастотным напряжением, создающим недопустимо высокий уровень радиопомех;

- из-за технологического разброса параметров силовых тиристоров при питании трех мостовых схем от одного источника трехфазного напряжения одной звезды имеет место неравномерность токов тяговых электродвигателей (ТЭД) при проведении реостатных испытаний тепловозов [3];

- применение большого количества электромеханических коммутационных аппаратов требует периодического технического обслуживания и регулировки;

- ослабление потока возбуждения ТЭД осуществляется шунтировкой соответствующей обмотки двигателя резисторами при помощи групповых контакторов. Данный способ имеет известные недостатки: включение и выключение контакторов ослабления поля ТЭД происходит одновременно на всех осях локомотива, в результате чего возникают нежелательные переходные процессы в электрической цепи «тяговый генератор — тяговый электродвигатель». Это негативно сказывается на изоляции электрических машин и аппаратов. Даже учитывая то, что система управления локомотива снижает напряжение на генераторе и стабилизирует подводимую к ТЭД мощность, из-за разброса временных параметров контакторов осуществить плавный переход на ослабление поля и обратно без переходных процессов в силовых цепях невозможно. Существует способ снижения нагрузок на узлы локомотива путём временного разделения включения контакторов, описанный в [4], но и тут исключить переходные процессы не удалось;

- необходимость использования источника энергии для питания обмоток возбуждения в режиме электродинамического торможения, что снижает экономические показатели локомотива;

- из-за последовательного включения обмоток возбуждения ТЭД невозможно выполнить поосное управление силой торможения;

- при скорости движения менее 15 км/ч, когда ток возбуждения максимален, а ЭДС двигателя снижается, электродинамический тормоз становится неэффективным;

- исходя из принципа управления тиристорами, быстродействие контура регулирования тока ТЭД ограничено частотой напряжения синхронного генератора.

Успехи в развитии современной силовой полупроводниковой базы позволяют не только усовершенствовать данный тип привода, но и придать ему качественно новые свойства. Используя накопленные знания и опыт [5], последние достижения в силовой полупроводниковой технике и микропроцессорных системах управления, группой специалистов АО «ВНИКТИ» был разработан усовершенствованный тяговый двухзонный преобразователь на IGBT-транзисторах для электропривода локомотивов с коллекторными тяговыми двигателями, получивший рабочее название «Клипер».

На рис. 1 представлена структурная схема нового тягового привода. Он состоит из двух тяговых двухзонных преобразователей (ТП1, ТП2), неуправляемые выпрямители (В) которых подключены к обмоткам тягового синхронного генератора (ТГ.1, ТГ.2). Каждый преобразователь имеет в своем составе три канала (К1 — КЗ) с импульсными регуляторами, к которым подключены тяговые двигатели (ТЭД 1 — ТЭДб) и тормозные резисторы (RT1 — RT6). Реверсоры (Р.1 — Р.6) используются для смены направления вращения ТЭД, а поездные контакторы (П1 — П6) предоставляют возможность отключения ТЭД от цепей питания.

Как видно из рисунка, предложенная структурная схема существенно упрощена по сравнению с используемыми в настоящее время решениями. В таблице приведен перечень демонтируемого оборудования локомотива.

Кроме того, при данной схеме существенно упрощается система управления локомотива благодаря снятию части функциональных блоков, исключается большое количество проводов в силовых цепях и цепях управления. Использование предлагаемого решения позволяет упростить и повысить надежность электрической схемы локомотива, уменьшить общее число управляемых полупроводниковых устройств и снизить затраты на периодическое техническое обслуживание и ремонты.


Тяговый двухзонный преобразователь, составляющий основу данного решения, выполнен с использованием современных технических решений и IGBT-модулей последнего поколения [6].

Тяговый привод «Клипер» может обеспечивать следующие режимы работы тепловоза:

> работу в режиме тяги и регулируемое реостатное торможение с самовозбуждением ТЭД (при этом заданное тормозное усилие обеспечивается практически до полной остановки локомотива);

> плавное бесконтактное ослабление поля ТЭД в тяговом и тормозном режимах;

> поосное регулирование силы тяги и торможения ТЭД;

> реостатные испытания тепловоза путем нагружения его дизель-генераторной установки на штатные тормозные резисторы.

Во всех режимах работы локомотива при этом используется последовательное возбуждение тяговых двигателей.


На рис. 2 приведена схема, поясняющая функционирование одного канала тягового преобразователя. Переменное напряжение с обмотки тягового синхронного генератора (ТГ) поступает на вход неуправляемого трехфазного мостового выпрямителя (В). С выхода выпрямителя постоянное напряжение поступает на один из трех каналов (К) тягового преобразователя, состоящих из трех полумостовых IGBT-модулей (А1 — АЗ), фильтровой емкости (С) и необходимого комплекта датчиков тока и напряжения (на схеме не показаны).

В тяговом режиме через транзистор VT1.1 напряжение поступает на обмотку возбуждения (ОВ) ТЭД, подключенную последовательно с якорем (транзистор VT2.1 при этом закрыт). Для смены направления вращения используется реверсор (Р), при помощи которого изменяется направление тока в ОВ (замыкаются контакты 1 и 4 или 2 и 3). Для отключения якоря тягового двигателя от силовой схемы используется поездной контактор (П).

При отсутствии боксования работа транзистора VT1.1 возможна в двух режимах:

О транзистор VT1.1 полностью открыт; при этом изменение напряжения на двигателе осуществляется только путем изменения напряжения тягового генератора; при боксо-вании данной колесной пары напряжение на ней индивидуально снижается за счет работы транзистора VT1.1 в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ);

© напряжение тягового генератора выводится на максимально возможное значение на текущей позиции контроллера, а напряжение на двигателе изменяется путем ШИМ транзистором VT1.1 в режиме тяги как без боксования, так и при боксовании (аналогично описанному в [3]).

Ослабление поля обмотки возбуждения ТЭД в режиме тяги осуществляется плавно при помощи транзистора VT2.1, работающего в режиме ШИМ. Изменяя скважность LUI/IM-сигналов управления VT1.1 и VT2.1, возможно получить требуемое соотношение между токами обмотки возбуждения и якоря. Это позволяет ТЭД работать в режиме условно независимого (квазинезависимого) возбуждения. При этом ток якоря будет состоять из тока, протекающего в обмотке возбуждения через транзистор VT1.1, и тока, протекающего через транзистор VT2.1.

Использование предложенной схемы позволяет также реализовать режим электрического торможения с последовательным возбуждением тяговых двигателей. Для этого реверсор предварительно переводится в противоположное двигательному режиму состояние (транзистор VT1.1 закрыт, транзистор VT1.2 работает в режиме ШИМ). За счет остаточного потока и работы транзистора VT1.2 производится быстрое самовозбуждение двигателя. Тормозные транзисторы VT3.1 и VT1.2 поддерживают необходимый тормозной ток и напряжение в звене постоянного тока, регулируя тем самым мощность (силу) торможения.

Диод VD3.1 предназначен для шунтирования тормозного резистора RT при отключении транзистора VT3.1. При этом заданное тормозное усилие может обеспечиваться до скорости локомотива, близкой к нулю. Ослабление поля в данном режиме работы локомотива достигается за счет работы транзистора VT2.2 в режиме ШИМ.

Для апробации предлагаемого решения был собран и испытан макет тягового преобразователя. Испытания проходили на стенде постоянного тока СТ150 экспериментальной базы АО «ВНИКТИ» и включали в себя проверку работы тягового двигателя ЭД-118 в режимах с ослаблением поля и без него при питании его от тягового двухзонного преобразователя и (для сравнения по нагреву) от выпрямителя типа М-ТПП-3600.

На рис. 3 приведена осциллограмма токов двигателя при работе на полном поле. Из нее видно, что при работе на полном поле ток якоря и ток в обмотке возбуждения одинаковы.

На рис. 4 и 5 приведены осциллограммы токов двигателя при работе на ослабленном поле (ослабление, соответственно, 79 и 47 %).

В результате испытаний было установлено, что тяговый преобразователь позволяет регулировать коэффициент ослабления поля плавно и в широких пределах. При этом ток в обмотке возбуждения практически не пульсирует, что положительно сказывается на гармоническом составе электромагнитного момента ТЭД.

На рис. 6 и 7 приведены сравнительные теплограммы наиболее напряженных в тепловом отношении элементов ТЭД (якоря и дополнительных полюсов) при питании от нового тягового преобразователя и от традиционного управляемого выпрямителя. В обоих случаях двигатель работал в режиме с ослаблением поля, близком к номинальному на локомотиве, до установления теплового равновесия.

На основании результатов испытаний было установлено, что импульсный регулятор тягового преобразователя «Клипер» практически не оказывает влияния на нагрев элементов ТЭД (якоря, добавочных полюсов и обмотки возбуждения) по сравнению с питанием от

выпрямителя типа М-ТПП-3600 (увеличение температуры составило не более 2 °C).

«Клипер» укомплектован необходимыми датчиками и распределенной системой автоматического управления (САУ), выполненной на основе современных микропроцессорных средств. САУ обеспечивает предельное быстродействие при управлении ТЭД во всех режимах работы, а также необходимые защиты двигателя, генератора и самого преобразователя от токов короткого замыкания. В каждом канале установлена индивидуальная независимая плата управления, позволяющая минимизировать длину информационных кабелей.

Применение в САУ высокопроизводительных микропроцессорных средств обеспечивает возможность повышения эффективности противобоксовочной системы благодаря использованию современного способа обнаружения боксования без применения датчиков частоты вращения колесных пар [7].

Конструкция нового тягового преобразователя совместима по габаритным и установочным размерам с применяемыми в настоящее время выпрямителями типа М-ТПП-3600. Это позволит использовать преобразователь не только на перспективных тепловозах, но и при модернизации существующих локомотивов (например, тепловозов типа ТЭ1ОМК и ТЭ10УК), для которых проблема повышения тяговых и сцепных свойств является весьма актуальной [8].


Предложенное решение позволяет сохранить достигнутые функциональные возможности системы поосного регулирования силы тяги, а также позволит:

упростить и повысить надежность электрической схемы локомотива;

обеспечить возможность работы ТЭД при боксовании и юзе в режиме, близком к независимому возбуждению, что увеличит жесткость механической характеристики и способствует повышению силы тяги тепловоза при работе в зоне ограничения по сцеплению не менее чем на 6 — 10 %;

обеспечить бесконтактный способ переключения тягового электропривода из режима тяги в режим реостатного торможения с последовательным возбуждением двигателей и поосным регулированием тормозного усилия вплоть до скорости, близкой к нулю, что позволит значительно снизить износ тормозных колодок;

обеспечить автоматическое равномерное распределение токов по тяговым двигателям (в том числе и в режиме реостатных испытаний);

отказаться от источника энергии для питания обмоток возбуждения ТЭД в режиме реостатного торможения, что повысит энергоэффективность локомотива;

снизить расходы на техническое обслуживание локомотива, а также эксплуатационные расходы на топливо за счет более высокого КПД электропередачи в целом.

С учетом того, что при использовании нового тягового преобразователя из схемы тепловоза исключается ряд силовых коммутационных элементов и проводов, датчиков тока и напряжения, стоимость комплектующих для всего локомотива остается на том же уровне, что и при использовании традиционной схемы тягового электропривода. Использование модульной распределенной архитектуры позволяет с легкостью изменять конфигурацию преобразователя в зависимости от серии локомотива и требуемого функционала, что обеспечит оптимальную цену изделия.

Библиография

1. Электрическая схема тепловоза 2ТЭ116У / Сергеев С.В, Пархонин А.В. и др.//Локомотив. 2009. №6. С. 22 — 25; № 7. С. 9 —12.

2. Тепловоз с высоким коэффициентом тяги / Киржнер ДЛ., Клименко Ю.И., Кулабухов А.С., Путинцев С.В. // Труды ВНИКТИ. 1999. Вып. 79. С. 189 — 198.

3. Новым тепловозам — новые технологии реостатных испытаний / Грищенко А.В., Грачев В.В. и др. // Локомотив. 2016. № 1. С. 11 — 13.

4. Способ ослабления возбуждения тяговых электродвигателей локомотива: пат. РФ № 471652 / Руденко В.Ф., Егоров М.А, Спиридонов Д.С.; ОАО «РЖД».

5. Клименко Ю.И. Усовершенствовали силовую схему тягового электропривода тепловозов / Клименко Ю.И., Перфильев К.С., Чупин Я.В.//Локомотив. 2017. №11.С. 36 — 37.

6. Новые IGBT5 модули Infineon с технологией .XT [Электронный ресурс]. — URL: https://www. compel.ru/2017/06/15/novyie-igbt5-moduli-infineon-s-tehnologiey-xt, свободный. — Дата обращ.: 27.09.2018.

7. Способ обнаружения боксования и юза колес транспортного средства с электрической передачей: пат. РФ № 2657157 / Грачев В.В., Грищенко А.В., Базилевский Ф.Ю., Ким С.И., Федотов М.В., Титов М.В.; ФГБОУ ВО «ПГУПС»; АО «ВНИКТИ».

8. Пляскин А.К. Энергоэффективность тепловозов БАМ: проблемы и решения / Пляскин А.К., Новачук Я.А. // Вестник транспорта Поволжья. 2016. № 4. С. 63 — 66.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК