Электрические передачи локомотивов с асинхронными тяговыми двигателями, имеющими фазный ротор

Электрические передачи с асинхронными тяговыми двигателями, имеющими фазный ротор, также могут применяться на локомотивах.

В Российском государственном открытом техническом университете путей сообщения на кафедре «Тяговый подвижной состав» разработана такая электрическая передача локомотива, принципиальная блок-схема ее представлена на рис. 4.4. Она содержит тяговый шестифазный синхронный генератор 1, приводимый от дизеля 2, тяговый асинхронный двигатель 3 с фазным ротором, имеющим две трехфазные обмотки, сдвинутые друг относительно друга на 30⁰ электрических. Вал асинхронного двигателя 3 соединен с осями 4 движущих колес 5. Статорные обмотки тягового синхронного генератора подключены к неуправляемому выпрямителю 6, к которому, в свою очередь, подключен к автономный инвертор тока 7. Статорные обмотки тягового асинхронного двигателя 3 подключены к автономному инвертору тока 7, а две его трехфазные роторные обмотки посредством неуправляемых выпрямителей 8 и 9 подключены к неуправляемому выпрямителю 6. К неуправляемому выпрямителю 6 подключены также датчик тока 10 и датчик напряжения 11. К неуправляемому выпрямителю 9 подключен датчик напряжения 12. Выходы датчика тока 10, датчиков напряжения 11 и 12 подключены к микропроцессорному контроллеру 13. К микропроцессорному контроллеру подключен также блок управления 14 (контроллер машиниста), связанный с дизелем, блок управления 15, связанный с блоком возбуждения тягового синхронного генератора 16 и блок управления 17, связанный с автономным инвертором тока 7. На рис. 4.5 представлена принципиальная схема силовой части электрической передачи локомотива. На ней позициям 18 и 19 соответствуют первая и вторая роторные обмотки тягового асинхронного двигателя 3, позициям 20 и 21 - первая и вторая статорные обмотки тягового синхронного генератора 1, позиции 22 - роторная обмотка тягового синхронного генератора 1, и позиции 23 - статорная обмотка тягового асинхронного двигателя 3.

 

Датчик скорости вращения вала дизель-генератора расположен на дизеле (в регуляторе скорости вращения его вала) 2, а выходной сигнал этого датчика является одновременно сигналом скорости вращения вала ω_дг и частоты f _г напряжения тягового синхронного генератора 1.

Как видно из рис. 4.4 и 4.5, к автономному инвертору тока 7 подводится суммарное выпрямленное напряжение от неуправляемых выпрямителей 6, 8 и 9. Датчик 12 выполняет две функции. Первая его функция заключается в том, что для определения напряжения тягового синхронного генератора 1 U _г выходной сигнал датчика 12 вычитается из выходного сигнала датчика 11. Вторая функция заключается в том, что при перегрузке по каким-либо причинам тягового асинхронного двигателя 3 по напряжению (а значит и по току) роторных обмоток, микропроцессорный контроллер 13 в соответствии с заложенным алгоритмом работы подает команду на блок управления 15, а тот, в свою очередь, на блок 16 возбуждения тягового синхронного генератора 1 на уменьшение тока возбуждения I _вг, а значит на уменьшение напряжения U _ги мощности Р _г тягового синхронного генератора 1.

Напряжение и ток нагрузки тягового синхронного генератора 1 в электрической передаче локомотива измеряются на стороне постоянного выпрямленного тока ещё и потому, что точность измерения электрических величин переменного тока значительно ниже точности измерения тех же величин постоянного тока. При отсутствии в электрической передаче уравнительных токов, замыкающихся через вентили неуправляемых выпрямителей 8 и 9, минуя обмотки тягового асинхронного двигателя 3, токи в роторных и статорных обмотках тягового асинхронного двигателя 3 равны между собой и равны току нагрузки тягового синхронного генератора 1.

Предлагаемая электрическая передача тягового локомотива содержит систему каскадно-параметрического асинхронного электропривода. При этом энергия скольжения тягового асинхронного двигателя 3 отдается не в тяговый синхронный генератор, а непосредственно в статорные обмотки тягового асинхронного двигателя 3, пройдя при этом через неуправляемые выпрямители 8, 9 и 6 и автономный инвертор тока 7. Статорные и роторные обмотки тягового асинхронного двигателя 3 включены в общую электрическую цепь, что позволяет одновременно управлять токами статорных и роторных обмоток тягового асинхронного двигателя путем изменения тока нагрузки и напряжения тягового синхронного генератора 1. Таким образом, последовательное соединение статорных и роторных обмоток тягового асинхронного двигателя 3 посредством вентильных элементов позволяет вести управление электрической передачей с помощью общего звена постоянного тока.

В этой электрической передаче используется автономный инвертор тока 7 с нерегулируемой, изменяемой ступенчато (в зависимости от позиции контроллера машиниста – первого блока управления 14, то есть от частоты напряжения f _г тягового синхронного генератора) выходной частотой f _и. Такие инверторы являются наиболее простыми, недорогими и имеют очень простую схемную реализацию. Кроме того, программное (по позициям Пк контроллера машиниста - первого блока управления 14) задание сигнала управления частотой f _ибез замкнутого контура регулирования этой частоты значительно упрощает систему управления автономным инвертором тока 7.

В электрической передаче для уменьшения амплитуды пульсаций напряжения и увеличения их частоты статорные обмотки тягового синхронного генератора сдвинуты друг относительно друга на 30⁰ электрических. Каждая статорная обмотка подключена к отдельному выпрямительному мосту неуправляемого выпрямителя 6. На стороне выпрямленного тока мосты соединены параллельно (рис. 4.5). При этом амплитуда пульсаций в кривой выпрямленного напряжения практически равна нулю и ток на выходе неуправляемого выпрямителя 6 является практически полностью сглаженным.

С целью уменьшения пульсаций выпрямленного тока роторных обмоток тягового асинхронного двигателя в электрической передаче тяговый асинхронный двигатель 3 выполнен с двумя роторными обмотками, которые сдвинуты друг относительно друга на угол α_р, равный 30⁰ или 90⁰ электрических (и шестью кольцами). При угле сдвига роторных обмоток α_р = 0 пульсации выпрямленного напряжения на выходе неуправляемых выпрямителей 8 и 9 по фазе суммируются. На выходе неуправляемого выпрямителя 9 получается удвоенная амплитуда пульсаций с той же частотой (соответствующей шестифазному выпрямлению). При осуществлении сдвига роторных обмоток в 30⁰ эл. (α_р = 30⁰) пульсации выпрямленного напряжения двух неуправляемых выпрямителей 8 и 9 оказываются сдвинутыми по фазе также на 30⁰. Хотя сумма выпрямленных напряжений (среднее значение напряжения на выходе неуправляемых выпрямителей 8 и 9) остается такой же, как и в случае α_р = 0, частота переменной составляющей возрастает вдвое, а её амплитуда значительно снижается. Таким образом, осуществлением сдвига трехфазных роторных обмоток тягового асинхронного двигателя 3 достигаются пульсации выпрямленного напряжения, соответствующие двенадцатифазной системе выпрямления. При этом отпадает необходимость использования сглаживающего реактора на выходе неуправляемого выпрямителя 9.

Дизель 2 при заданной скорости вращения вала ω_д может развивать только определенную заданную мощность N _д (см рис. 4.6). Мощность дизеля N _д приблизительно пропорциональна скорости вращения вала ω_д, а вращающий момент на его валу М _д почти не зависит от скорости вращения вала.

Тяговые характеристики локомотива и характеристики агрегата сопротивления движению, представленные на рис. 4.7, имеют три характерных участка: АВ, ВС и СD. Первый участок АВ характеристик обусловлен наличием ограничения максимальной силы тяги F _кусловиями сцепления движущих колес с рельсами при трогании (пуске) и разгоне локомотива. Второй участок ВС характеристик обусловлен наличием ограничения постоянной мощностью дизеля при заданной скорости вращения ω_д его вала. Третий участок СD характеристик обусловлен наличием ограничения максимальной скорости V _max движения локомотива. В соответствии с этими особенностями тяговых характеристик и управление электрической передачей должно быть различным при скоростях движения тягового транспортного средства, соответствующих этим разным участкам тяговых характеристик.

При работе тягового транспортного средства в режиме, соответствующем первому участку АВ тяговых характеристик, вращающий момент М _дк на осях движущих колес, а значит, и сила тяги F _к локомотива мало изменяются при изменении скорости движения V от нуля до V _min. Следовательно, в первом режиме работы локомотива осуществляется принцип управления электрической передачей, соответствующий выполнению условий: V = var (переменная величина при F _к = const). При этом мощность на выходном валу электрической передачи увеличивается пропорционально скорости движения V и достигает максимального значения при скорости движения V _min.

При работе локомотива в режиме, соответствующем второму участку ВС тяговых характеристик, вращающий момент М _дкна осях движущих колес, а значит, и сила тяги F _к локомотива изменяются обратно пропорционально скорости движения V при изменении её значений от V _min до V _max.

 

При этом в диапазоне скоростей движения локомотива от V _min до V _max мощность на выходном валу электрической передачи остается практически постоянной.

При работе локомотива в режиме, соответствующем третьему участку СД тяговых характеристик, вращающий момент М _дкна осях движущих колес, а значит, и сила тяги F _к локомотива должны изменяться таким образом, чтобы скорость движения V оставаласьприблизительно постоянной и близкой значению V _max. Следовательно, в этом режиме работы электрической передачи должен осуществляться принцип управления, соответствующий выполнению условий: F _к= var (переменная величина при V = const). При этом мощность на выходном валу электрической передачи уменьшается пропорционально скорости движения V и достигает нулевого значения при скорости движения V _max.

При работе локомотива в режиме тяги скорость движения возрастает, если сила тяги F _кбольше силы сопротивления движению W ₀, скорость движения уменьшается, если F _к< W ₀, и остается постоянной, если F _к = W ₀ (рис. 4.7). Локомотив вместе с агрегатом сопротивления движению представляют собой устойчивый объект управления, способный самопроизвольно приходить к новому установившемуся состоянию (равновесной скорости движения V) после изменения силы тяги F _к или силы сопротивления движению W ₀. Это свойство системы «локомотив - агрегат сопротивления движению» очень важно для работы предлагаемой электрической передачи.

Предлагаемая электрическая передача предназначена для того, чтобы при постоянных значениях скорости вращения вала дизеля ω_д, мощности N _ди вращающего момента М _д скорость вращения движущих колес ω_дк(скорость движения локомотива V) и вращающий момент М _дкна них (сила тяги локомотива F _к) могли изменяться в широком диапазоне в соответствии с требуемыми тяговыми характеристиками между валом дизеля 2 и осями 4 движущих колес 5 локомотива. К входному валу электрической передачи подводится так называемая свободная мощность N _д дизеля 2, то есть такая мощность, которая при заданной скорости вращения вала ω_д меньше мощности дизеля на величину мощности, затрачиваемой на привод вспомогательных агрегатов (насосов, компрессоров, вентиляторов, вспомогательных генераторов и др.).

В электрической передаче локомотива свободная мощность дизеля 2 передается на вал тягового синхронного генератора 1. Если свободная мощность дизеля 2 постоянна, то и мощность на зажимах тягового синхронного генератора Р _г тоже постоянна. Требуемые статические характеристики системы регулирования напряжения тягового синхронного генератора U _г(I _г, ω_д), представленные на рис. 4.8, можно получить, изменяя ток возбуждения I _вг тягового синхронного генератора, а значит, изменяя магнитный поток и магнитодвижущую силу тягового синхронного генератора в зависимости от отклонения напряжения от заданного значения, тока нагрузки I _г тягового синхронного генератора и скорости вращения его вала ω_д. Для автоматического регулирования напряжения тягового синхронного генератора применяются автоматические комбинированные системы регулирования, которые кроме тягового синхронного генератора (объекта регулирования), содержат три регулятора напряжения: по отклонению напряжения от заданного значения, по скорости вращения вала ω_д и по току нагрузки I _г тягового синхронного генератора. Регуляторы напряжения тягового синхронного генератора U _г получают сигналы от датчиков напряжения и тока нагрузки генератора и от датчика скорости вращения вала ω_д дизель-генератора. Статические характеристики системы регулирования напряжения тягового синхронного генератора также как и тяговые характеристики локомотива имеют три характерных участка (рис. 4.8).

На участках А₁В₁ имеется ограничение на характеристике по максимальному значению тока нагрузки I _{г max}. На этих участках действуют два регулятора напряжения: по скорости вращения вала ω_д и по току нагрузки I _гтягового синхронного генератора; при этом ток нагрузки I _г тягового синхронного генератора остается приблизительно постоянным при изменении напряжения U _г от нуля до значения U _{г min}. При таком способе регулировании напряжения тягового синхронного генератора его мощность Р _г изменяется пропорционально току нагрузки I _г, как видно из рис. 4.9, на которой представлены зависимости мощности Р _г тягового синхронного генератора от его тока нагрузки I _г при автоматическом регулировании его напряжения и при различных скоростях вращения вала ω_д.

На участках В₁С₁ имеется ограничение на характеристике по мощности дизеля. На этих участках ток нагрузки I _г и напряжение тягового синхронного генератора U _гизменяются в обратно пропорциональной зависимости друг от друга при изменении напряжения от значения U _{г min}до значения U _{г max}, а тока нагрузки от I _{г max} до I _{г min}. На этих участках действуют три регулятора напряжения: по отклонению напряжения от заданного значения, по скорости вращения вала ω_ди по току нагрузки I _г. На этих участках мощность Р _г тягового синхронного генератора остается приблизительно постоянной при изменении его напряжения U _г от U _{г min}до значения U _{г max} (рис. 4.9).

На участках С₁D₁ имеется ограничение на характеристике по максимальному значению напряжения U _г. На этих участках напряжение U _г остается приблизительно постоянным при изменении тока нагрузки I _г от I _{г max} до нуля и действуют два регулятора напряжения: по отклонению напряжения от заданного значения и по скорости вращения вала ω_д.

При таком способе регулировании напряжения тягового синхронного генератора его мощность Р _г изменяется пропорционально току нагрузки I _г (рис. 4.9).

Предлагаемая электрическая передача работает следующим образом. Скорость вращения вала тягового асинхронного двигателя 3 изменяется двумя способами.

При первом способе скорость вращения ω_адвала тягового асинхронного двигателя 3 изменяется путем ступенчатого (программного) изменения частоты напряжения на выходе автономного инвертора тока 7, значение которой зависит от позиции Пк контроллера машиниста – сигнала первого блока управления 14 и определяется алгоритмом работы электрической передачи, заложенным в микропроцессорный контроллер 13. Каждой позиции Пк контроллера машиниста 14 соответствует своя частота напряжения f _г тягового синхронного генератора. Значение напряжения тягового синхронного генератора определяется током возбуждения тягового синхронного генератора 1 и зависит от скорости вращения вала ω_д дизеля 2 и тока нагрузки I _г тягового синхронного генератора 1 (рис. 4.8). Ток на входе в автономный инвертор тока I _иравен току нагрузки тягового синхронного генератора 1 I _г, то есть току неуправляемого выпрямителя 6. При пуске и разгоне (при первом режиме работы тягового асинхронного двигателя 3) локомотива ток нагрузки I _гтягового синхронного генератора 1 максимальный, но он ограничивается системой регулирования напряжения тягового синхронного генератора 1 и не превышает значения I _{г max}. Ток неуправляемых выпрямителей 8 и 9 пропорционален скольжению S тягового асинхронного двигателя 3. При пуске и разгоне локомотива значение скольжения S двигателя 3 наибольшее и наибольшие токи в статорных и роторных обмотках тягового асинхронного двигателя 3, равные току нагрузки тягового синхронного генератора 1. При этом энергия скольжения ротора тягового асинхронного двигателя 3 отдается не в статорные обмотки тягового синхронного генератора 1, а непосредственно в статорные обмотки тягового асинхронного двигателя 3 (рис. 4.4 и 4.5). При этих условиях тяговый асинхронный двигатель 3 развивает наибольший вращающий момент (см. рис. 4.10.), а локомотив развивает наибольшую силу тяги F _к при заданной скорости вращения вала ω_д и мощности N _д дизеля 2.

При втором способе скорость вращения ω_адвала тягового асинхронного двигателя 3 изменяется путем изменения тока нагрузки тягового синхронного генератора 1.

В предлагаемой электрической передаче наблюдаются три режима работы двигателя 3.

При первом режиме работы тягового асинхронного двигателя 3, то есть при трогании и разгоне локомотива (на участке А₂В₂ тяговой характеристики тягового транспортного средства, рис. 4.10) ток роторных обмоток тягового асинхронного двигателя поддерживается постоянным и равным току I _{г mах} тягового синхронного генератора, поэтому намагничивающий ток, магнитный поток и вращающий момент тягового асинхронного двигателя 3 остаются практически постоянными.

После достижения скорости движения V _min (точка В₂ на тяговой характеристике, рис. 4.10) локомотива в результате увеличения противоЭДС тягового асинхронного двигателя 3 ток нагрузки I _г тягового синхронного генератора начинает уменьшаться, а его напряжение U _гначинает увеличиваться (в соответствии с характеристикой системы регулирования напряжения тягового синхронного генератора, рис. 4.8). При этом наступает второй режим работы двигателя 3 (участок В₂С₂ тяговой характеристики, рис. 4.10).

На участке В₂С₂ тяговой характеристики за счет уменьшения тока нагрузки и увеличения напряжения тягового синхронного генератора 1 момент М _ад тягового асинхронного двигателя 3 (и сила тяги) уменьшается, а скорость вращения вала ω_ад(скорость движения) увеличивается. Этот процесс длится до тех пор, пока сила тяги F _к больше силы сопротивления движению W ₀. Как видно на рис. 4.10 равновесный режим движения, при котором F _к = W ₀, а V= const, наступает в точке Е.

При достижении определенной скорости вращения вала ω_адтягового асинхронного двигателя 3 при выходе на рабочий режим возникают уравнительные токи, замыкающиеся через диоды неуправляемых выпрямителей 8 и 9, включенных в цепь роторных обмоток. Уравнительные токи протекают в системе тягового асинхронного двигателя 3, когда он имеет скольжение S меньше некоторого граничного значения S _гр (третий режим работы двигателя 3). При этом режиме работы тягового асинхронного двигателя 3 ЭДС роторных обмоток покрывает только падение напряжения на активном и индуктивном сопротивлениях роторных обмоток. Во втором режиме, когда скольжение S больше некоторого граничного значения S _Ггр, тяговый асинхронный двигатель 3 работает как в обычной схеме асинхронно-вентильного каскада, а в третьем режиме (на участке С₂D₂ тяговой характеристики, рис. 4.10). Когда скольжение S меньше некоторого граничного значения S _гр, то неуправляемые выпрямители 8 и 9 в цепи роторных обмоток закорачиваются; при полностью закороченных уравнительными токами роторных обмотках тяговый асинхронный двигатель 3 работает как асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Статические характеристики предлагаемой электрической передачи по виду схожи с характеристиками электрической передачи постоянного тока. Так как управление электрической передачей производится по цепи выпрямленного тока, то можно считать, что в данном случае электрической передачей можно управлять как электрической передачей постоянного тока. Локомотив с предлагаемой электрической передачей мощности имеет нелинейные тяговые характеристики (рис. 4.10).

Автономный инвертор тока 7 (рис. 4.4) – нерегулируемый инвертор с фиксированной выходной частотой f _и, соответствующей позиции Пк контроллера машиниста 14 или скорости вращения вала ω_д дизеля 2 и частоте напряжения f _гтягового синхронного генератора 1. Основная особенность автономного инвертора тока заключается в том, что он питается от источника постоянного тока, пульсации на выходе которого пренебрежимо малы (как в предлагаемой электрической передаче). Несомненным преимуществом такого автономного инвертора тока является простота силовой схемы, отсутствие коммутирующих дросселей, сравнительно простая система управления, в то время как применение инвертора напряжения требует использования специальной электронной быстродействующей защиты, а также устройств стабилизации напряжения на коммутирующих конденсаторах.

Для управления тяговыми асинхронными двигателями целесообразно использовать принцип частотно-токового управления, когда за основной контролируемый параметр принимается не напряжение, а ток. Одним из законов частотного управления асинхронным двигателем является закон постоянства магнитного потока во всех режимах работы. При этом удается максимально использовать магнитную систему асинхронного двигателя и получить при всех рабочих частотах высокую перегрузочную способность, превышающую в 2 – 2,5 раза перегрузочную способность тягового асинхронного двигателя на естественной характеристике.

Недостаток управления с постоянным магнитным потоком связан с повышенными потерями в магнитопроводе при малых значениях вращающего момента тягового асинхронного двигателя. Для устранения этого недостатка необходимо уменьшать значение магнитного потока при уменьшении момента нагрузки. В предлагаемой электрической передаче локомотива это условие выполняется путем уменьшения тока нагрузки тягового асинхронного двигателя 3 при уменьшении силы тяги локомотива. На разработанную электрическую передачу получен патент РФ на изобретение.

Разработаны также и другие электрические передачи локомотивов с асинхронными тяговыми двигателями, имеющими фазный ротор.