Тяговые электрические машины (ТЭМ) и в первую очередь тяговые электродвигатели (ТЭД) представляют один из наиболее ответственных видов тягового оборудования в конструкции любого электровоза или электропоезда. От их работоспособности в условиях эксплуатации и технических характеристик в определяющей степени зависит общий уровень надежности и использования тяговых возможностей локомотива в целом [1].
При любых видах испытаний ТЭМ первоочередной задачей является проверка работоспособности машины под нагрузкой. Для машин, работающих в двигательном режиме, это предполагает создание на их валу механического момента сопротивления, имитирующего уровень эксплуатационных нагружений.
Различают следующие методы нагружения испытуемых тяговых двигателей постоянного тока:
- Механическая нагрузка (схема непосредственной нагрузки испытуемой машины), т. е. механический тормоз, который служит для испытания ЭМ.
Однако для испытания ТЭД большой мощности ее использовать технически невозможно — трудность в стабилизации нагрузки [2].
- Электрическая нагрузка — ТЭД спаривается с генератором. Изменения нагрузки генератора — изменяет тормозной момент на валу ТЭД. Гашение энергии возможно на реостатах — тем самым достигается плавность регулирования [3].
Однако схемы с непосредственной нагрузкой не могут быть использованы: вследствие сложности механического тормоза; трудности обеспечения устойчивой работы и экономической неэффективностью, поэтому для испытания ТЭД используют схему электрической нагрузки, когда нагрузкой является генератор, создающий тормозной момент и вырабатывающий электроэнергию [4].
- Использование генератора для испытания ТЭД, а для повышения экономичности — принцип возвратной работы, а именно метод взаимной нагрузки — при котором происходит полезное использование энергии ЭМ при электрической нагрузке [2].
Особенности метода взаимной нагрузки. Включает в себя следующее: на одном валу находятся две одинаковые ЭМ, одна из которых работает в режиме двигателя, а вторая — является нагрузочным генератором, при этом энергия вырабатываемая генератором, направляется на питание испытуемого двигателя.
Работа ЭМ возможна при компенсации потерь: механических, электрических, магнитных и добавочных.
Наиболее распространенной схемой для испытаний тяговых двигателей постоянного тока последовательного возбуждения является схема, представленная на рисунке (рисунок 1).
Рис. 1. Схема с линейным генератором (ЛГ) и вольтодобавочной машиной (ВДМ): Д, Г — двигатель и генератор; ОВД, ОВГ — обмотки возбуждения двигателя и генератора; АД1, АД2 — асинхронные двигатели
Еще одним вариантом реализации взаимной нагрузки является схема с шунтировкой обмотки возбуждения двигателя, с помощью которой можно отказаться от ВДМ (рисунок 2). Основным недостатком подобной схемы является то, что машина работает в режиме ослабления возбуждения.
Рис. 2. Схема с шунтировкой обмотки возбуждения двигателя
Схема взаимной нагрузки тяговых двигателей, основная цель которой — исключение высоковольтной машины ЛГ, а функцию компенсации механических и магнитных потерь принимает на себя вспомогательный двигатель ВД (рисунок 3).
Рис. 3. Схема со вспомогательным двигателем
Еще одной схемой несколько упрощающей, представленной на (рисунок 4), является схема взаимной нагрузки без использования ВДМ, а применения подпитывающего генератора ПГ.
Рис. 4. Схема взаимной нагрузки с подпитывающим генератором
На основе описанных схем, с учетом выявленных преимуществ и недостатков, были выдвинуты предложения по совершенствованию схем тяговых двигателей постоянного тока методом взаимной нагрузки.
Первая предлагаемая схема испытаний, предназначенная для проведения испытаний тяговых двигателей постоянного тока методом взаимной нагрузки (рисунок 5).
Отличие от предлагаемой в настоящее время схемы испытаний с ВДП и ЛП, выполненных на тиристорных элементах, состоит в их замене одним преобразователем частоты, работающим совместно с выпрямителем.
Подводимое из сети питание преобразуется повышающим трансформатором до напряжения требуемой величины. Далее напряжение подается на преобразователь частоты ПЧ. Подведенное к ПЧ напряжение преобразуется в постоянное с помощью выпрямителя В.
Выпрямленное напряжение через фильтр, функции которого выполняет звено постоянного тока ЗПТ, подается для питания испытуемого двигателя (схемы в целом). Таким образом, часть схемы «источник питания — «TV — В — ЗПТ» выполняет функцию линейного преобразователя ЛП. Другая часть энергии, необходимая для регулирования режима работы ТЭД2 (генератора), передается через звено постоянного тока ЗПТ к инвертору Инв, где оно регулируется с помощью Инв до требуемого значения. Преобразованное напряжение от Инв поступает на внешний выпрямитель В, который в итоге наряду с «ЗПТ — Инв — В» выполняет роль вольтодобавочного преобразователя.
Общий принцип работы по второй предлагаемой схеме испытаний тяговых двигателей постоянного тока методом взаимной нагрузки (рисунок 6) остается прежним. Отличие от схемы (см. рисунок 5) состоит в обеспечении процесса испытаний тяговых двигателей постоянного тока с независимым возбуждением. Питание обмоток независимого возбуждения предлагается выполнить от звена постоянного тока ЗПТ и тормозного реостата Rт, поставляемого в комплекте с преобразователями частоты.
Рис. 5. Схема взаимной нагрузки тяговых двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением
Рис. 6. Схема взаимной нагрузки тяговых двигателей постоянного тока с независимым возбуждением
Последняя из предлагаемых схем испытаний реализована с учетом рационального подбора оборудования испытательной станции: вольтодобавочный преобразователь, выполненный на базе тиристоров, предлагается выполнить на базе IGBT транзисторов (рисунок 7).
Тиристорный преобразователь частотыв настоящее время занимает доминирующее положение в высоковольтном приводе в диапазоне мощностей от сотен киловатт и до десятков мегаватт с выходным напряжением 3 — 10 кВ и выше. Однако его цена на один кВт выходной мощности самая большая в классе высоковольтных преобразователей. Так недавнего прошлого преобразователи частоты на GTO составляли основную долю и в низковольтном частотно регулируемом приводе. Но с появлением IGBT транзисторов произошел «естественный отбор» и сегодня преобразователи на их базе общепризнанные лидеры в области низковольтного частотно регулируемого привода.
Биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT отличают от тиристоров полная управляемость, простая неэнергоемкая система управления, самая высокая рабочая частота. Вследствие этого преобразователи частоты на IGBT позволяют расширить диапазон управления скорости вращения двигателя, повысить быстродействие привода в целом.
Применение IGBT с более высокой частотой переключения в совокупности с микропроцессорной системой управления в преобразователях частотыснижает уровень высших гармоник, характерных для тиристорных преобразователей. Как следствие меньшие добавочные потери в обмотках и магнитопроводе электродвигателя, уменьшение нагрева электрической машины, снижение пульсаций момента и исключение так называемого«шагания» ротора в области малых частот. Снижаются потери в трансформаторах, конденсаторных батареях, увеличивается их срок службы и изоляции проводов, уменьшаются количество ложных срабатываний устройств защиты и погрешности индукционных измерительных приборов.
Преобразователи частоты IGBTпо сравнению с тиристорными преобразователями при одинаковой выходной мощности отличаются меньшими габаритами, массой, повышенной надежностью в силу модульного исполнения электронных ключей, лучшего теплоотвода с поверхности модуля и меньшего количества конструктивных элементов.
Рис. 7. Схема взаимной нагрузки тяговых двигателей постоянного тока с вольтодобавочным преобразователем на IGBT транзистора
Таким образом, применение преобразователя частоты, как представлено на рисунках 5, 6, позволяет использовать их функциональные возможности наиболее эффективно: отказаться от использования дополнительных устройств, как линейный преобразователь (полупроводниковый регулятор напряжения) и вольтодобавочный преобразователь (полупроводниковый регулятор тока). В качестве рационального предложения стоит отметить возможность применения штатных преобразователей частоты локомотивов для реализации, приведенных выше схем. Использование в работе схемы, представленной на рисунке 7, IGBT транзисторов позволит оптимизировать элементную базу вольтодобавочных преобразователей, получив преимущества, описанные выше.
Литература:
- Дурандин М. Г. Тяговые электрические машины и преобразователи: метод, указания / М. Г. Дурандин. — Екатеринбург: Изд-воУрГУПС, 2014. — 45 с.
- Жерве Г. К. Промышленные испытания электрических машин/ Г. К. Жерве 4 изд., сокр. и перераб. — Л.: Энергоатомиздат, 1984 — 408 с., ил.
- Копылов И. П. Справочник по электрическим машинам. В 2-х томах / И. П. Копылов, Б. К. Клокова. Под ред И. П. Копылова. Т.1 — М.: Энер-гоатомиздат, 1988 — 456 с.
- Хасин, Л. Ф. Экономика, организация и управление локомотивным хозяйством: учебник для техникумов и колледжей ж. –д. транпорта / Л. Ф. Хасин, В. Н Матвеев. По ред. Л. Ф. Хасина. — М.: «Желдориздат», 2002. — 452 с.
