Реферат. В статье рассматривается различные схемные решения для электроприводов тягового подвижного состава, когда традиционные электрические машины постоянного тока заменены электрическими машинами переменного тока. Предполагаются упрощенные принципиальные схемы электроприводов, использующие бескоммутаторные электрические машины. Эксплуатационные недостатки тяговых двигателей постоянного тока противопоставлены некоторым положительным характеристикам в тяговых двигателях постоянного тока последовательного возбуждения, что определило их обширное использование в электроприводах подвижного состава. Однако, быстрое развитие полупроводниковых устройств, таких как тиристоры и IGBT транзисторы, привело к созданию большой разновидности полупроводниковых инверторов. Это позволило разработать автономную силовую трехфазную систему энергоснабжения для тепловозов и алгоритмы для тяговых двигателей переменного тока, и получить двигательные характеристики, соответствующие силе тяги, используя инверторы напряжения и тока. Приведено математическое обоснование крутящего момента двигателя и контроля силы тяги, так же как и их специфических характеристик. Представлены также графики, демонстрирующие отдельные способы изменения электрических параметров асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Ключевые слова: напряжение, частота, мощность, момент, сила тяги, скорость локомотива, магнитное поле.

1. Введение

Ввиду перспективы использования электрической тяги на Литовских железных дорогах, проблема правильного отбора электровозов и электропоездов, так же как и тяговых электрических машин и их систем управления переходит на передний план [1].

Длительное использование тепловозов, электровозов и электропоездов оснащенных системами постоянный - постоянный ток и переменный – переменный ток [2] доказало ненадежность тягового двигателя как части электропривода. Большинство неисправностей тягового двигателя постоянного тока связано с повреждениями в коммутаторе, щетках и изоляции в связи с механической, электрической и тепловой перегрузкой, которая может быть вызвана большими вибрациями, пробуксовкой, забиванием фильтра охлаждающего воздуха, влажностью, и т.д.

Известно, что обслуживание коллекторной машины очень дорого, необходим регулярный контроль коммутатора, щеток и щеткодержателей. Пластины коммутатора стираются, в связи с тернием щеток об коммутатор. Кроме того, щетки должны регулярно проверятся (потому что параметры пружин изменяются) и заменяться. Эффекты коммутации создают дополнительную активную электродвижущую силу, ослабляя полную коммутацию и вызывая искрение на коллекторе, приводящее к непоправимым повреждениям. В связи с этими недостаткам, тяговый двигатель постоянного тока едва можно рассматривать перспективной технологией.

Однако, традиционные тяговые двигатели с последовательным возбуждением, экстенсивно используемые в тепловозах, электропоездах, трамваях, троллейбусах, и т.д. имели преимуществ и удовлетворяли требования, предъявляемые к двигателям тогда. Одним из преимуществ была большая сила тяги, развиваемая, при пуске поезда. Кроме того, в этом способе, вращающий момент двигателя в линейной части магнитной характеристики пропорционален квадрату величины тока якоря, механическая характеристика полностью соответствует изменениям сопротивления движению, а управление скоростью и вращающимся моментом относительно просто.

Однако, быстрое проявление полупроводниковой технологии привело к созданию мощных преобразователей. Известные в мире компании электротехнического оборудования, например SIEMENS, BOMBARDIER TRANSPORTATION, GEC ALSTOM ищут эффективные методы управления электрическими машинами переменного тока, чтобы установить соотношение между различными параметрами электрической цепи, такими как: напряжение питания, амплитуда, частота, момент и сила тяги. В настоящее время разработанные методы управления демонстрируют преимущества бескоммутационных электрических машин для городского транспорта.

2. Структура и система управления электроприводами современного тягового подвижного состава

Электроприводы нового типа переменный-переменный ток могут быть выполнены согласно схемам, представленным на рисунке 1.

Простой электропривод переменного тока (Рис. 1, a) - выполнен из синхронного генератора SG и некоторых асинхронных тяговых двигателей с короткозамкнутым ротором и 'прозрачен' в том смысле, что вращающий момент на валу тягового двигателя пропорционален вращающему моменту на валу генератора (когда потери не учтены).

Рмсунок 1 – Типы дизельных электроприводов локомотива, использующих тяговые безколлекторные двигатели:
SG – синхронный генератор; NSG – генератор постоянного тока; AV – асинхронный тяговый двигатель; TRS – непосредсвенный преобразователь частоты; VV – вентильный двигатель; VK – вентильный коммутатор; I – инвертор; L – компенсаторы

Частота напряжения питания изменяется главным образом из-за изменения числа оборотов распредвала. При необходимости, число пар полюсов в генераторе и тяговых двигателях может быть изменено. Описанный электропривод не имеет никаких инверторов для управления напряжением. Используются только регуляторы возбуждения синхронного генератора GG.

Электропривод, состоящий из генератора постоянного тока NSG, инверторов и асинхронных тяговых двигателей (см. Рис. 1, b), упомянутый выше как электропривод постоянно-переменной токовой системы [3].

Частота напряжения питания тяговых двигателей изменяется инверторами независимо от частоты оборотов вала генератора.

Регуляторы используются в контуре возбуждения генератора постоянного тока, так же как в других рассмотренных моделях. Кроме того, должны быть установлены индивидуальные или групповые регуляторы частоты (для индивидуальных тяговых двигателей или их группы, соответственно). Тяговые асинхронные двигатели могут быть связаны с индивидуальным инвертором или параллельно с обычно используемым инвертором.

Электропривод (изображенный на рисунке 1, c) отличается от описанного выше в типе используемого генератора - в данном случае генератор постоянного тока был заменен синхронным генератором SG и компенсатором L, который может или управляться или не управляться. Последним можно снабдить каждый инвертора индивидуально, тем не более, что в большинстве случаев, это – общедоступное. В случае управляемого компенсатора, его система управления или связана с системой управления генератором или инвертором или отделена от них. Инвертор, собранный из компенсатора и автономного инвертора упоминается как преобразователь частоты с токовым промежутком. Этот тип системы электропривода известен как система переменный-постоянный-переменный ток.

В электроприводе, показанном на рисунке 1, d, непосредственный преобразователь частоты, TRS, с непосредственным входом и выходным контуром используется вместо промежуточного контура постоянного тока. В таких системах, напряжение стабилизируется частотой в зависимости от параметров генератора, в то время как ток инвертирован частотой, определяемой скоростью локомотива, используя выпрямители (вентили) [4].

Система управления инверторами выше описанного электропривода более сложная, чем транзисторного инвертора и называется системой переменный-переменный ток.

Структура электроприводов с вентильными двигателями (см. Рис. 1, e, f, g), подобна приводу с асинхронными двигателями и инверторами.

Система состоит из генератора постоянного тока NSG, выпрямляющего коммутатора VK и вентильного двигателя VV изображенного на рисунке 1, e. Функции коммутатора могут выполняться автономными инверторами, подобными инверторам асинхронного двигателя, поэтому, они часто называются инверторами. Также как регуляторы, подобные используемым в приводах с асинхронными двигателями, регуляторы возбуждения также используются. Согласно характеристикам, эта система - близка к системам постоянного тока, и сравнима с системой переменного тока, потому что структура двигателей подобна синхронным двигателям.

В данной статье были рассмотрены несколько, но не все, имеющиеся схемные решения электроприводов переменного тока.

Различные типы электроприводов были испытаны в США, Германии, России, Швейцарии, Венгрии, и т.д.

4. Выводы

1. Методика управления асинхронными двигателями с короткозамкнутыми роторами, представленными в статье, учитывает эффективное управление скоростью ротора, а так же вращающего момента и тягового усилия в диапазоне скоростей локомотива, поддерживающей постоянную нагрузку, минимальные потери, высокую производительность и коэффициент мощности, а так же запас устойчивости.

2. Алгоритм регулирования позволяет, получить различные типы жестких характеристик, позволяющих асинхронному тяговому двигателю, использоваться в двигательном, рекуперативном и режимах динамического торможения.

3. Изменяя рабочую характеристику асинхронных тяговых двигателей, используя системы автоматического регулирования, можно увеличить тяговое усилие при старте локомотива по сравнению с двигателями постоянного тока.

4. Установленные оптимальные методы регулирования параметров асинхронных вентильных тяговых двигателей, электрические машины описанного типа можно рекомендовать для использования в городском транспорте. Асинхронные тяговые двигатели с так называемыми короткозамкнутыми роторами просты в исполнении и фактически безотказны, таким образом, значительно продлеваются интервалы эксплуатационного обслуживания.

5. Тяговые двигатели постоянного тока не надежны из-за коллекторного узла. Их недостатки связаны со сложными процессами коммутации, которые обусловлены электромагнитным и механическим воздействием, вызывающих искрение на коллекторе и щетках. Кроме того, они более тяжелые и более дорогие, чем двигатели переменного тока, которые требуют более высокой стоимости содержания и имеют короткий срок службы и низкую надежность.

6. Использование тяговых двигателей без коммутаторов особенно эффективно [8] в разрабатываемых электроприводах для мощных локомотивов. Компания VOITH TURBO уже достигла предела мощности 1500 кВт для механических и гидродинамических приводов. Мощность двигателя переменного тока локомотивов - больше чем 7500 кВт.

7. Вентильный двигатель экстенсивно не использовался для городского транспорта. Однако, мощные и высокоскоростные двигатели могут быть разработаны в будущем, с использованием векторное управление [9] угла поворота ротора. Теоретические положения этого типа привода не рассматривают здесь, и предусмотрены только некоторые варианты приводов, основанных на использовании вентильных двигателей.