[07-2023] Технические решения по результатам испытаний электровозов «ЕРМАК» с поосным регулированием силы тяги

[Admin]

Технические решения по результатам испытаний электровозов «ЕРМАК» с поосным регулированием силы тяги

Н.л. МИХАЛЬЧУК, канд. тех. наук, заместитель начальника Дирекции тяги — филиала ОАО «РЖД»;
ю.и. ПОПОВ, канд. техн, наук, директор Проектно-конструкторского бюро локомотивного хозяйства — филиала ОАО «РЖД»;
О.Е. ПУДОВИКОВ, А.Н. САВОСЬКИН, д-ра техн, наук,
А.А. ЧУЧИН, ийский университет транспорта (РУТ — МИИТ)

По результатам испытаний в 2019 г. электровозов ЗЭС5К «Ермак» № 899 и 900 с поосным регулированием силы тяги и независимым возбуждением тяговых электродвигателей для вождения поездов массой 7100 т были приняты решения по исследованию и поиску схемотехнических решений с целью повышения эффективности выпускаемых электровозов [1].
Основным недостатком электровозов ЗЭС5К, выявленным в ходе проведения испытаний, является необходимость разрыва силовой электрической схемы при переходе с последовательного на независимое возбуждение и от независимого возбуждения к последовательному. Такой разрыв сопровождается потерей силы тяги, что недопустимо при ведении поезда по подъему. Процесс сопровождается снижением силы тяги с 695 до 247 кН с последующим увеличением до 549 кН и далее до 780 кН [2].

Для исключения этих недостатков предлагается новое техническое решение на основе применения индивидуальных управляемых мостовых транзисторных преобразователей возбуждения (УПВ), шунтирующих каждую обмотку возбуждения (ОВ), которые могут работать как в режиме тяги, так и в режиме рекуперации, обеспечивая индивидуальное автоматическое управление токами возбуждения и реализуя заданную жесткость тяговых характеристик [3,4].
В силовой схеме электровоза (рис. 1) предусмотрено обычное подключение двух тяговых электродвигателей (ТЭД) к отдельному выпрямительно-инверторному преобразователю (ВИП) [5]. Такая схема обеспечивает возможность системе автоматического управления выполнять индивидуальное управление ВИПами для потеле-жечного управления силой тяги, а также индивидуальное управление УПВ для поосного управления силой тяги в пределах каждой тележки. Кроме того, возможна реализация режимов независимого и последовательного возбуждения ТЭД для получения длительной характеристики ТД постоянства силы тяги или бустерных (усиленных) характеристик ТЗО (тридцатиминутной) и Т1 {часовой) повышенной силы тяги, а также характеристики постоянства мощности (рис. 2).

Авторами статьи была выполнена оценка правильности решения на основе сравнения нормированных (приведенных) характеристик предложенного электровоза с коллекторными ТЭД и электровоза 2ЭС10 «Гранит» с асинхронными ТЭД типа 1ТВ2822. Для этого величины сил тяги FK делились на наибольшее реализуемое значение этих сил FKB. Графики таких нормированных характеристик FK/FKB = f (v) (см. рис. 2) показывают следующее. В 30-минутном режиме постоянства силы тяги характеристика ТЗО коллекторного ТЭД (кривая 1) намного превосходит бустерную характеристику асинхронного ТЭД (кривая 6). Кроме того, наличие характеристики часового режима Т1 у коллекторного ТЭД (кривая 2) и характеристики длительного режима ТД (кривая 3), которые лежат выше характеристики длительного режима асинхронного ТЭД (кривая 7), также дают преимущества коллекторному ТЭД в тяжелых пусковых режимах.
Вместе с тем, характеристика постоянства мощности асинхронного ТЭД (кривая 8) лежит выше характеристик коллекторного М (полного возбуждения) и М1 (ослабленного возбуждения) — кривые 4 и 5. Учитывая эти особенности тяговых характеристик, можно сделать вывод о том, что коллекторные ТЭД целесообразно использовать на грузовых локомотивах, а асинхронные — на пассажирских, а также для вождения пассажирскими электровозами контейнерных поездов.
В связи с этим создание трехсекционного электровоза с коллекторными ТЭД для вождения поездов повышенного веса на участках с тяжелым профилем пути следует считать перспективным. Для такого электровоза разработаны следующие принципы управления.
Принцип № 1. Трогание и разгон поезда выполняются по характеристикам постоянства силы тяги (независимое возбуждение) при максимально возможных значениях тока возбуждения ТЭД, с плавным увеличением токов двигателей. При этом с учетом шунтирования обмоток возбуждения сопротивлениями гш (см. рис. 1) следует задавать наибольшее возможное значение тока независимого возбуждения 1ВЗБ = 0,981д, соответствующего выбранной характеристике тридцатиминутного ТЗО, часового Т1 или длительного ТД режимов движения (см. рис. 2), и плавно увеличивать токи двигателей 1Д.
Это объясняется тем, что мощность, рассеиваемая на обмотке возбуждения NB = l2B3BrB, составляет всего 5 % от мощности ТЭД. Тогда токи 1д будут наименьшими из возможных, необходимых для получения заданного значения силы тяги ТЭД F*K3, и расход электроэнергии на тягу поездов будет минимальным.
Если в процессе разгона поезда скорость его движения уф возрастет до уровня, при котором происходит пересечение характеристик постоянства силы тяги ТЗО, Т1 или ТД с характеристиками постоянства мощности М или М1, то необходимо будет перейти на характеристики постоянства мощности при последовательном возбуждении ТЭД.
Принцип №2. Этот принцип заключается в том, что при трогании и разгоне поезда электровоз последовательно вовлекает в движение вначале один, потом два вагона и т.д., поэтому ускорение электровоза ограничено величиной а = 0,17g. Для реализации такого режима трогания необходимо, чтобы вначале включалась в работу одна тележка электровоза, т.е. один ВИП, питающий два ТЭД, при условии плавного нарастания тока этих двигателей до наибольшей возможной величины, заданной соответствующей характеристикой ТЗО, Т1 и ТД. Затем должен включаться в работу второй ВИП и т.д. до включения всех ВИПов электровоза и, следовательно, всех ТЭД.
Принцип № 3. Данный принцип определяет выбор очередности включения ВИПов, а, следовательно, и ТЭД электровоза, который обусловлен следующим. При трогании с места реакция состава, равная силе тяги электровоза FK, приложена к кузову каждой секции через автосцепки, расположенные на расстоянии hA ниже центра масс кузова. Из-за этого создается момент М = FKhA, поворачивающий кузов и вызывающий разгрузку передних и догрузку задних тележек. Кроме того, такое же изменение вертикальных нагрузок колесных пар возникает при развитии вращающего момента ТЭД из-за действия реакций, передаваемых от остовов двигателей через их подвески на рамы тележек.
В связи с этим задние тележки находятся в лучших условиях сцепления колес с рельсами и могут реализовывать большую силу тяги. Опыт эксплуатации показал, что такое увеличение реализуемой силы тяги для двухосных тележек может составить до 15 %. В то же время, разгруженные передние тележки могут реализовать силу тяги на 15 % меньшую, чем задние. В целом сила тяги двух тележек будет равна расчетной силе тяги секции электровоза.
При этом можно считать, что первая ось первой тележки каждой секции электровоза (первый ТЭД) реализует силу тяги, меньшую на 10 %, вторая ось (второй ТЭД) — меньшую на 5 %. Тогда третий и четвертый ТЭД реализуют силы тяги, соответственно, на 5 и 10 % большие, чем сила тяги секции электровоза.

В результате анализа технических решений, полученных по результатам испытаний электровозов ЗЭС5К «Ермак» с поосным регулированием силы тяги, можно сделать следующие выводы.
Предложенная силовая схема с управляемыми преобразователями возбуждения позволяет выполнять плавное непрерывное управление токами возбуждения тяговых двигателей в режимах независимого и последовательного возбуждения без разрыва силовой цепи и потери силы тяги.
Предложенные силовая схема и принципы управления токами возбуждения позволяют реализовать тяговые характеристики, изменяющиеся по законам постоянства силы тяги и постоянства мощности, что приближает электровозы с коллекторными тяговыми электродвигателями к электровозам с асинхронными тяговыми двигателями.
Выполненное сравнение нормированных тяговых характеристик тяговых электродвигателей показало, что для грузовых электровозов целесообразно применять коллекторные тяговые двигатели, а для пассажирских — асинхронные.
Применение преобразователей возбуждения совместно с типовой схемой питания двигателей одной тележки от отдельного ВИПа позволяет реализовать схемы потележечного и поосного (в пределах каждой тележки) управления силой тяги электровоза.

Библиография

1. Михальчук Н.Л., Попов Ю.И., Зак В.В. Как повысить эффективность использования тяговых свойств электровозов // Локомотив. — 2019. — № 5. — С. 5 — 6.
2. Электровоз с плавным управлением в режимах независимого и последовательного возбуждения тяговых электродвигателей / Н.Л. Михальчук, О.Е. Пудовиков, А.Н. Савоськин, А.А. Чучин // Железнодорожный транспорт. — 2022. — № 9. — С. 37 — 41.
3. Патент № 2788223. Российская Федерация, B60L 9/02, B60L 9/12, Н02Р 7/28. Электрический привод электровоза / Ю.И. Попов, Н.Л. Михальчук, А.Н. Савоськин, О.Н. Пудовиков, А.А. Чучин; патентообладатель ОАО «РЖД». № 2022124940; заявл. 22.10.2022; опубл. 17.01.2023; Бюл.№ 2.
4. Патент № 2787135. Российская Федерация, G05F 1/10. Способ автоматического управления током тяговых электродвигателей подвижного состава / Ю.И. Попов, Н.Л. Михальчук, А.Н. Савоськин, О.Н. Пудовиков; патентообладатель ОАО «РЖД». № 2022108279; заявл. 29.03.2022; опубл. 29.12.2022; Бюл. № 1.
5. Михальчук Н.Л., Савоськин А.Н., Чучин А.А. Силовая схема электровоза переменного тока с применением управляемого транзисторного преобразователя возбуждения // Электроника и электрооборудование транспорта. — 2022. — № 3. — С. 18 — 22.