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 ωдг и частоты fг 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 Uг 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 Iвг, а значит на уменьшение напряжения Uги мощности Рг 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 fг тягового синхронного генератора) выходной частотой fи. 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 fибез 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 αр, равный 300 или 900 электрических (и шестью кольцами). При угле сдвига роторных обмоток αр = 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. (αр = 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 αр = 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 ωд может развивать только определенную заданную мощность Nд (см рис. 4.6). Мощность дизеля Nд приблизительно пропорциональна скорости вращения вала ωд, а вращающий момент на его валу Мд 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 Fкусловиями 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 ωд его вала. Третий участок СD характеристик обусловлен наличием ограничения максимальной скорости Vmax 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 Мдк на осях движущих колес, а значит, и сила тяги Fк локомотива мало изменяются при изменении скорости движения V от нуля до Vmin. 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 Мдкна осях движущих колес, а значит, и сила тяги Fк 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 Мдкна осях движущих колес, а значит, и сила тяги Fк локомотива должны изменяться таким образом, чтобы скорость движения V оставаласьприблизительно постоянной и близкой значению Vmax. Следовательно, в этом режиме работы электрической передачи должен осуществляться принцип управления, соответствующий выполнению условий: Fк= 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 Fкбольше силы сопротивления движению W0 , скорость движения уменьшается, если Fк< W0, и остается постоянной, если Fк = W0 (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 Fк или силы сопротивления движению W0. 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 ωд, мощности Nди вращающего момента Мд скорость вращения движущих колес ωдк(скорость движения локомотива V) и вращающий момент Мдкна них (сила тяги локомотива Fк) 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 Nд дизеля 2, то есть такая мощность, которая при заданной скорости вращения вала ωд 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 Рг тоже постоянна. Требуемые статические характеристики системы регулирования напряжения тягового синхронного генератора Uг(Iг, ωд), представленные на рис. 4.8, можно получить, изменяя ток возбуждения Iвг тягового синхронного генератора, а значит, изменяя магнитный поток и магнитодвижущую силу тягового синхронного генератора в зависимости от отклонения напряжения от заданного значения, тока нагрузки Iг тягового синхронного генератора и скорости вращения его вала ωд. 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 ωд и по току нагрузки Iг тягового синхронного генератора. Регуляторы напряжения тягового синхронного генератора Uг получают сигналы от датчиков напряжения и тока нагрузки генератора и от датчика скорости вращения вала ωд 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 Iг max. На этих участках действуют два регулятора напряжения: по скорости вращения вала ωд и по току нагрузки Iгтягового синхронного генератора; при этом ток нагрузки Iг тягового синхронного генератора остается приблизительно постоянным при изменении напряжения Uг от нуля до значения Uг min. При таком способе регулировании напряжения тягового синхронного генератора его мощность Рг изменяется пропорционально току нагрузки Iг, как видно из рис. 4.9, на которой представлены зависимости мощности Рг тягового синхронного генератора от его тока нагрузки Iг при автоматическом регулировании его напряжения и при различных скоростях вращения вала ωд.
На участках В1С1 имеется ограничение на характеристике по мощности дизеля. На этих участках ток нагрузки Iг и напряжение тягового синхронного генератора Uгизменяются в обратно пропорциональной зависимости друг от друга при изменении напряжения от значения Uг minдо значения Uг max, а тока нагрузки от Iг max до Iг min. На этих участках действуют три регулятора напряжения: по отклонению напряжения от заданного значения, по скорости вращения вала ωди по току нагрузки Iг. На этих участках мощность Рг тягового синхронного генератора остается приблизительно постоянной при изменении его напряжения Uг от Uг minдо значения Uг max (рис. 4.9).
На участках С1D1 имеется ограничение на характеристике по максимальному значению напряжения Uг. На этих участках напряжение Uг остается приблизительно постоянным при изменении тока нагрузки Iг от Iг max до нуля и действуют два регулятора напряжения: по отклонению напряжения от заданного значения и по скорости вращения вала ωд.
При таком способе регулировании напряжения тягового синхронного генератора его мощность Рг изменяется пропорционально току нагрузки Iг (рис. 4.9).
Предлагаемая электрическая передача работает следующим образом. Скорость вращения вала тягового асинхронного двигателя 3 изменяется двумя способами.
При первом способе скорость вращения ωадвала 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 fг тягового синхронного генератора. Значение напряжения тягового синхронного генератора определяется током возбуждения тягового синхронного генератора 1 и зависит от скорости вращения вала ωд дизеля 2 и тока нагрузки Iг тягового синхронного генератора 1 (рис. 4.8). Ток на входе в автономный инвертор тока Iиравен току нагрузки тягового синхронного генератора 1 Iг, то есть току неуправляемого выпрямителя 6. При пуске и разгоне (при первом режиме работы тягового асинхронного двигателя 3) локомотива ток нагрузки Iгтягового синхронного генератора 1 максимальный, но он ограничивается системой регулирования напряжения тягового синхронного генератора 1 и не превышает значения Iг 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 Fк при заданной скорости вращения вала ωд и мощности Nд дизеля 2.
При втором способе скорость вращения ωадвала 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 Iг mах тягового синхронного генератора, поэтому намагничивающий ток, магнитный поток и вращающий момент тягового асинхронного двигателя 3 остаются практически постоянными.
После достижения скорости движения Vmin (точка В2 на тяговой характеристике, рис. 4.10) локомотива в результате увеличения противоЭДС тягового асинхронного двигателя 3 ток нагрузки Iг тягового синхронного генератора начинает уменьшаться, а его напряжение Uгначинает 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 Мад тягового асинхронного двигателя 3 (и сила тяги) уменьшается, а скорость вращения вала ωад(скорость движения ) увеличивается. Этот процесс длится до тех пор, пока сила тяги Fк больше силы сопротивления движению W0. Как видно на рис. 4.10 равновесный режим движения, при котором Fк = W0 , а V= const, наступает в точке Е.
При достижении определенной скорости вращения вала ωадтягового 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 Sгр (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 SГгр, 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 Sгр, 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 fи, соответствующей позиции Пк контроллера машиниста 14 или скорости вращения вала ωд дизеля 2 и частоте напряжения fгтягового 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.