Электрические передачи локомотивов с асинхронными тяговыми двигателями, имеющими фазный ротор и поворотный статор

Предлагаемая электрическая передача мощности переменного тока тягового локомотива (см. рис. 4.11) содержит тяговый синхронный генератор 1, обмотка возбуждения которого подключена к блоку возбуждения 2. Вал тягового синхронного генератора соединен с валом дизеля 3. К его статорным обмоткам подключены непосредственный преобразователь частоты (без звена постоянного тока - выпрямителя) 4 и статорные обмотки двух одинаковых асинхронных тяговых двигателей 5 и 6. Роторные обмотки асинхронных тяговых двигателей соединены последовательно и подключены к непосредственному преобразователю частоты 4. Валы асинхронных тяговых двигателей соединены между собой и с осями 7 движущих колес локомотива. Статор одного из асинхронных тяговых двигателей выполнен поворотным и соединен с механизмом поворота 8. Блок управления 9 передачей мощности подключен к дизелю 3, блоку возбуждения 2, блоку управления 10 непосредственного преобразователя частоты 6 и к механизму поворота статора 8.

Электрическая передача работает следующим образом. При максимальной скорости вращения валов асинхронных тяговых двигателей ω_ад и оси 7 движущих колес ω_дкповоротный статор одного из асинхронных тяговых двигателей должен быть установлен в такое положение, чтобы ЭДС, наводимые в обмотках вращающихся роторов асинхронных тяговых двигателей, совпадали по фазе, т. е. чтобы угол рассогласования между положениями статоров асинхронных тяговых двигателей 4 и 5 β_max был равен 180⁰ электрических (это соответствует ±180⁰/ р градусов геометрических, где р – число пар полюсов асинхронного тягового двигателя). При этом угле сдвига статоров β_maxоба асинхронных тяговых двигателя работают как один асинхронный тяговый двигатель двойной мощности.

Скорость вращения валов асинхронных тяговых двигателей ω_адзависит от частоты напряжения в статорных обмотках и в обмотках их роторов и определяется выражением ω_ад = 2p(f _г± f _р )/р, где f _ги f _р – соответственно частота напряжения тягового синхронного генератора и частота напряжения в обмотках роторов асинхронных тяговых двигателей. Знак «минус» в этом выражении соответствует вращению полей статоров и роторов асинхронных тяговых двигателей в одном направлении, а знак «плюс» - в противоположных направлениях. Изменяя частоту и напряжение в обмотках роторов асинхронных тяговых двигателей, можно заставить вращаться их валы со скоростью ω_адкак выше, так и ниже синхронной скорости вращения w₀, т.е. осуществлять двухзонное изменение скорости вращения ω_ад.

В диапазоне высоких скоростей вращения валов асинхронных тяговых двигателейω_ади оси движущих колес ω_дкизменение ω_адцелесообразно производить путем изменения частоты и напряжения в обмотках роторов асинхронных тяговых двигателей с помощью непосредственного преобразователя частоты 4 до значения скольжения S = 0,25. Последующее уменьшение скорости вращения ω_ад (скорости движения локомотива) достигается поворотом статора асинхронного тягового двигателя 6. При повороте статора в сторону уменьшения β результирующая ЭДС роторных обмоток асинхронных тяговых двигателей 5 и 6, равная геометрической сумме ЭДС обмоток роторов, при том же скольжении начнет уменьшаться. Ток в обмотках роторов уменьшится и момент, развиваемый асинхронными тяговыми двигателями, также уменьшится. Скорость вращения ω_ад будет снижаться до значения, при котором вращающий момент обоих асинхронных тяговых двигателей станет равным моменту сопротивления, создаваемому движущими колесами локомотива. При отсутствии угла сдвига между статорными обмотками асинхронных тяговых двигателей (т. е. при β= 0⁰) ЭДС обмоток их роторов равны и направлены встречно, результирующая ЭДС равна нулю и скорость вращения ω_ад = 0. Увеличение скорости вращения ω_ад достигается сначала поворотом статора асинхронного тягового двигателя 6 (увеличением угла β), а затем уменьшением частоты f _р.

В электрической передаче с помощью блока управления 10 непосредственным преобразователем 4 осуществляется независимое изменение как частоты напряжения f _р, подводимого к обмоткам роторов, так и значения самого напряжения. В результате в электрической передаче асинхронные тяговые двигатели работают в режиме машины двойного питания. При перевозбуждении (при большом токе в обмотках роторов) асинхронные тяговые двигатели могут генерировать реактивную мощность в тяговый синхронный генератор, работая с опережающим коэффициентом мощности. Это является очень ценным свойством электрической передачи. Кроме того, питание статорных обмоток асинхронных тяговых двигателей не от преобразователя частоты, а непосредственно от статорных обмоток тягового синхронного генератора обеспечивает более высокие значения КПД тягового синхронного генератора и асинхронных тяговых двигателей.

При работе асинхронного тягового электродвигателя с подсинхронной скоростью вращения ω_ад, т.е. когда ω_ад < w₀, мощность, потребляемая со стороны статора, частично поступает на вал. Остальная часть, исключая потери, через ротор возвращается в тяговый синхронный генератор.

При f _р = 0 асинхронный тяговый электродвигатель превращается в обычную синхронную машину с возбуждением постоянным током.

При работе асинхронного тягового электродвигателя с надсинхронной скоростью вращения ω_ад, т.е. когда ω_ад > w₀, электрическая мощность будет подводиться как со стороны статора, так и со стороны ротора. Мощность, равная сумме мощностей статора и ротора, за вычетом потерь, преобразованная в механическую, будет передана на вал асинхронного тягового электродвигателя.

Из принципа работы электрической передачи следует, что непосредственный преобразователь частоты должен быть многофазным. При проходе через синхронную частоту вращения w₀ следование напряжения по фазам на выходе непосредственного преобразователя частоты должно менять свой знак. Благодаря этому поле ротора изменяет свое направление вращения относительно ротора. При синхронной скорости вращения w₀ преобразователь частоты должен в зависимости от фазового положения ротора соответствующим образом распределять постоянный ток возбуждения между фазами ротора асинхронного тягового электродвигателя. Преобразователь частоты должен быть реверсивным для активной и реактивной мощностей и не должен вносить потерь реактивной мощности. Высокий КПД преобразователя частоты должен обеспечиваться ключевым режимом работы переключающих полупроводниковых элементов. Преобразователь частоты со всеми перечисленными свойствами может быть выполнен без звена постоянного тока, т.е. должен быть непосредственным преобразователем частоты.

Важной особенностью предлагаемой электрической передачи является небольшая установочная мощность непосредственного преобразователя частоты, работа его в зоне сравнительно невысоких частот и простота управления асинхронными тяговыми двигателями, плавное и экономичное регулирование скорости вращения ω_АДвалов асинхронных тяговых двигателей, возможность изменения напряжения и частоты в роторных обмотках по требуемому закону, обеспечивающему необходимую перегрузочную способность асинхронных тяговых двигателей и рациональное распределение реактивной мощности между роторными и статорными обмотками.

В электрической передаче блок возбуждения 2 тягового синхронного генератора обеспечивает такой закон изменения его тока возбуждения, при котором его мощность остается примерно постоянной при данной скорости вращения вала дизеля. Это означает, что напряжение тягового синхронного генератора должно изменяться в обратно пропорциональной зависимости от тока его нагрузки, то есть от тока асинхронных тяговых двигателей.

При трогании локомотива значение сигнала задания Пк блока управления 9 такое, что скорость вращения вала дизеля минимальна. При этом блок управления 10 обеспечивает минимальную разность частот f _г и f _р. Разгон локомотива с предлагаемой электрической передачей осуществляется плавно: на первой стадии – поворотом статора асинхронного тягового двигателя 6, а затем – уменьшением частоты напряжения роторов f _р.

При установившемся режиме работы дизель-генератора, то есть при постоянных значениях скорости вращения его вала и частоты f _г, скорость движения локомотива изменяется автоматически в зависимости от изменения силы сопротивления движению путем изменения частоты f _р, напряжения на роторных обмотках и напряжения тягового синхронного генератора с помощью системы управления дизель-генератором и передачей мощности, содержащей блок возбуждения 2 и блоки управления 8 и 10. На разработанную электрическую передачу получен патент РФ на изобретение.