СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА С АСИНХРОННЫМИ ТЯГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Железнодорожный транспорт России является важнейшим звеном транспортной системы страны, на долю которого приходится около 70 % внутреннего грузооборота страны и почти 60 % пассажирских перевозок, его технический уровень и состояние определяют экономическую эффективность и безопасность перевозок. Одним из перспективных направлений в развитии железнодорожного транспорта во всём мире является расширение полигона, работающего на электрической тяге. Это позволяет увеличить провозную и пропускную способность железных дорог и снизить эксплуатационные затраты.

Одна из главных задач при реализации планов развития железнодорожного транспорта — создание электровозов с большой осевой мощностью, улучшенными тяговыми и электрическими характеристиками, более экономичных в расчете на жизненный цикл ЭПС. При этом предполагается, что большинство из закупаемых ОАО «РЖД» образцов электроподвижного состава, в том числе электровозов, будет разработано заново с использованием результатов научно-технического прогресса, и объем их выпуска российской промышленностью должен быть значительным.

Из сказанного выше, следует, что при создании новых типов электровозов должны быть достигнуты следующие цели:

— повышение технико-экономической эффективности перевозок;

— повышение безопасности движения, улучшение условий и повышение производительности труда железнодорожного персонала;

— обеспечение максимальной унификации оборудования электровозов различных типов и назначения;

— уменьшение энергоёмкости перевозок;

— снижение расходов на техническое обслуживание и ремонт электровозов и связанной с ними инфраструктуры;

— сокращение сроков разработки и подготовки производства новых электровозов и их узлов.

Тяговый электропривод (ТЭП) с асинхронными двигателями (АД) принят в качестве основного в типаже перспективных локомотивов. Общепризнано, что применение АТД с короткозамкнутым ротором, обладающих рядом известных преимуществ по сравнению с традиционными тяговыми двигателями постоянного тока (ДПТ), позволяет повысить надежность, экономичность и тяговые качества локомотивов.

В России и за рубежом проведены крупные теоретические исследования в области асинхронного тягового привода и накоплен определенный опыт практических решений. Зарубежными производителями ТЭП локомотивов с АД, такими известными, как Bombardier Transportation (Швейцария), Siemens (Германия) и др. в последние годы наиболее интенсивно ведется исследование и внедрение асинхронных электроприводов нового поколения, использующих системы прямого управления моментом (Direct Torque Control, — сокращенно DTC), но они являются интеллектуальной собственностью разработчиков.

Чтобы предотвратить зависимость страны от импорта локомотивов или перспективных тяговых приводов, необходимо совершенствовать отечественное локомотивостроение на новом техническом уровне. Для этого требуется дальнейшее развитие собственной научной базы проектирования надежных и конкурентоспособных локомотивов с АТД. В этом плане очень важно уже на ранних стадиях проектирования обеспечить возможность анализа способов и алгоритмов регулирования АТД в наиболее тяжелых с точки зрения динамической нагруженности режимах. Несмотря на большой объём накопленных теоретических и экспериментальных данных, имеющийся опыт испытаний, производства и эксплуатации электроподвижного состава с АТД, ряд вопросов ещё ждёт своего решения.

В условиях реформирования отрасли, осуществляемой в настоящее время ОАО «РЖД», одной из важнейших целевых инвестиционных программ является «Комплексная программа реорганизации и развития локомотивостроения», включающая переход на производство электроподвижного состава (ЭПС) с бесколлекторным и, в частности, асинхронным тяговым приводом и статическим преобразователем электроэнергии (СПЭ).

В качестве тяговых двигателей в Росси и за рубежом применялись и применяются коллекторные машины постоянного тока. Такие тяговые двигатели (ТД) обладают определенными положительными качествами. Одновременно они имеют и ряд серьезных недостатков: сравнительно невысокую надежность коллекторного узла и щеточного аппарата; ограниченную по условиям коммутации и механической прочности мощность в отведенных габаритах; высокие расходы на техническое обслуживание в условиях эксплуатации и ремонт; повышенную массу двигателя при сравнительно низких значениях вращающего момента, что ограничивает использование опорно-осевого подвешивания двигателя в условиях жесткого пути; повышенный расход цветного металла и активных материалов; сравнительно невысокую реализацию сцепного веса локомотива.

Устранение указанных недостатков, снятие ограничений по мощности, обеспечение предельно высокого использования сцепления колеса с рельсом могут быть достигнуты переходом на бесколлекторные тяговые двигатели.

Можно сформулировать основные достоинства и недостатки новой системы привода с АТД. Достоинства системы:

номинальная мощность АТД может быть использована во всем диапазоне скоростей движения до конструктивной включительно;
при одинаковой мощности и других равных параметрах АТД имеет меньшую массу, чем коллекторный;
существенно уменьшается расход активных материалов (меди, стали); снижается трудоемкость изготовления ТД и их обслуживания в эксплуатации
появляется возможность полной унификации узлов тяговых преобразователей для электропоездов постоянного и переменного тока [1, с.15-17].

Но вместе с тем, для реализации этих преимуществ требуется решение целого ряда проблем. При использовании АТД, питаемых от статических выпрямительно-инверторных преобразователей, не только усложняется система преобразования энергии и система управления приводом, но усиливается взаимосвязь и взаимовлияние всех функциональных частей (подсистем) ТЭП: силовой электрической, управляющей и механической, что требует совершенствования существующих и внедрения новых алгоритмов управления приводом. Кроме того, возможные отказы в автономном инверторе, являющемся новым и наименее отработанным узлом в системе ТЭП, могут приводить к значительным динамическим нагрузкам в электрической и механической подсистемах привода, которые необходимо оценить на стадии проектирования.

Вместе с тем на электропоездах с АТД применяется, как правило, двойное преобразование энергии, что вызывает уменьшение общего к.п.д. и усложнение преобразователя. Кроме того, ЭПС с АТД характеризуется наличием специальных активных устройств снижающих уровень электромагнитных помех в тяговом токе. При использовании группового привода необходимо поддержание в эксплуатации разности диаметров бандажей колесных пар на уровне не более 5 мм (вместо 10 мм при коллекторных ТД), либо применение схем индивидуального регулирования АТД, что значительно усложняет тяговый преобразователь. Однако, полезным следствием этого является необходимость применения микропроцессорных систем управления, поднимающих подвижной состав на новый технологический уровень, что позволяет также автоматизировать процесс ведения поезда, обеспечить диагностику электрооборудования и систем, внедрить информационные системы на пригородных электропоездах и т.д. Все эти мероприятия в целом должны снизить расходы на техническое обслуживание и ремонт новых электропоездов [1, с.18-20].

Повышение осевой мощности электровозов с АТД, увеличение скоростей движения, специфическое влияние тягового привода с АТД на элементы конструкции электровоза и железнодорожную инфраструктуру поставили перед разработчиками тягового подвижного состава и службами, обеспечивающими организацию движения и его безопасность, ряд новых задач.

Прежде всего, требует развития научное обеспечение разработок новых образцов подвижного состава этого поколения. Оно должно позволять исследовать сложные процессы в электромеханической системе электровоза на наиболее ранних стадиях его создания с использованием проектных (расчетных) данных и избавлять от необходимости изготовления дорогостоящих макетных образцов оборудования. При этом желательно, чтобы были получены не только качественные, но и, с достаточной степенью точности, количественные характеристики.

Необходимы новые методы исследования, которые позволили бы сократить сроки создания новых образцов ЭПС или их отдельных систем и устройств, повысить их эксплуатационную надёжность.

Сравнительный анализ коллекторных и асинхронных тяговых двигателей для диапазона мощностей от 100 до 1500 кВт, выполненный фирмой ВВС (Швейцария), по ряду показателей позволил выявить следующее:

тангенциальная сила, отнесенная к единице площади поверхности ротора, для АТД в 1,5-2 раза больше, чем для коллекторных тяговых двигателей, и достигает 5 Н/см²;
мощность, отнесенная к единице площади поверхности ротора, для АТД в 2 раза больше и достигает 0,25-0,3 кВт/см²;
линейная скорость ротора АТД может достигать 80-90 м/с, что превышает допустимые значения линейной скорости для коллекторных машин;
при сохранении частоты вращения ротора АТД на уровне частоты вращения якоря коллекторного двигателя возможно увеличение момента АТД приблизительно на 50 %;
по удельной мощности АТД в 2-2,5 раза превосходит коллекторные тяговые двигатели, а его КПД на 1,5-2 % выше КПД коллекторных.

АТД могут быть выполнены с мощностью в 1,5-2 раза выше, чем коллекторные двигатели, при одновременном снижении массы на 30-50 %. При этом значительно снижается расход цветного металла, изоляции и электротехнической стали.

Важным показателем эффективности внедрения асинхронного тягового привода является снижение расходов на содержание электровоза в условиях эксплуатации.

По данным фирмы ВВС в Рурском угольном бассейне в одних и тех же условиях находятся в эксплуатации электровозы Е-1200 с асинхронными и ЕА-1000 с коллекторными тяговыми двигателями. Общие затраты при эксплуатации электровозов ЕА-1000 на 100% больше затрат при эксплуатации электровозов Е-1200. По статистическим данным электровозы ЕА-1000 имели 0,9 отказа в месяц, а Е-1200 — только 0,4.

Большой практический интерес представляет вопрос использования сцепного веса локомотива и повышение его тяговых свойств. По данным фирмы ВВС электровоз Е-1200 при трогании поезда с места реализовывал силу тяги 355 кН на 27 % больше, чем электровоз ЕА-1000. Это положение также убедительно подтверждается данными по расходу песка. В процессе эксплуатации электровоз ЕА-1000 расходовал 504 кг/(млн. т∙км) песка, а электровоз Е-1200 — только 176 кг/(млн. т∙км).

Аналогичные показатели были получены при тягово-энергетических испытаниях опытного электровоза с АТД ВЛ80^а-751 отечественного производства, который одним двигателем при трогании поезда с места реализовывал силу тяги 105 кН.

Много противоречивых мнений высказывалось о распределении нагрузок между параллельно работающими АТД при расхождении диаметров бандажей колесных пар. Испытания опытных образцов электровозов ВЛ80^а-338 и ВЛ80^а-751 отечественного производства показали, что при допустимой в эксплуатации разнице в диаметрах колес 10 мм расхождение в нагрузках не превышает 8-10 %, а при разнице 5-6 мм в диапазоне номинальных нагрузок — 4-6 %. Этот показатель не хуже соответствующего показателя серийных электровозов с коллекторными тяговыми двигателями [2, с.130-148].

Повышение надежности асинхронных тяговых двигателей из-за устранения коллекторно-щеточного узла полностью определяется самой конструкцией асинхронной машины. Как известно, асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором имеет только одну обмотку статора, выполненную с изоляцией. Поэтому АТД не требует периодических осмотров квалифицированными слесарями-мотористами. Его обслуживание сводится только к запрессовке смазки в подшипниках.

Таким образом, при использовании в электрической тяге асинхронного тягового привода могут быть реализованы следующие преимущества:

значительное упрощение тягового двигателя по сравнению с коллекторным и повышение его надежности (отпадает необходимость ежедневного осмотра коллекторно-щеточного узла);
повышение надежности кузовного электрического оборудования вследствие применения бесконтактных устройств преобразования мощности;
улучшение тяговых свойств электровозов благодаря использованию жесткой тяговой характеристики при боксовании. Имеются опытные результаты, показывающие возможность увеличения коэффициента сцепления на 20—40%;
увеличение мощности и момента тягового двигателя при тех же габаритных размерах (отсутствуют коллектор, обмотки добавочных полюсов и компенсационная);
возможность полной автоматизации режима ведения поезда;
повышение производительности ЭПС вследствие реализации преимуществ по пп. 3—5;
сокращение расхода меди на изготовление тяговых двигателей. По результатам проектирования последних образцов коллекторных тяговых двигателей пульсирующего тока и асинхронных тяговых двигателей расход меди на изготовление последних снижается в 2—2,5 раза [3 с.110-123].

Перечисленные преимущества не оставляют сомнений в целесообразности широкого внедрения асинхронных тяговых двигателей в электрической тяге, необходимости и допустимости применения защитных средств, в частности устройств плавного пуска, позволяющих проанализировать наиболее тяжелые нестационарные и аварийные режимы работы электропривода с асинхронным электродвигателем, при которых возникают максимальные динамические нагрузки. Поэтому в процессе проектирования необходимо спрогнозировать их заранее и по возможности предотвратить, а также выработать рекомендации для рационального конструирования нового оборудования. Имеющийся опыт проектирования и работы ЭПС с названными двигателями полностью подтверждает это. Таким образом, имеется достаточно предпосылок для широкого внедрения асинхронного тягового привода как на железнодорожном, так и на городском транспорте.

Список литературы:

Лувишис А.Л. Современные пригородные поезда. Локомотив, 1997, №1, с.15-21.
Малютин В.А. и др. Анализ построения тягового и вспомогательного оборудования современного электрического подвижного состава. Сборник научных трудов. М.: Интекст, 2000, 248 с.
Хомяков Б.И. и др. Перспективы улучшения показателей пригородных поездов. Электрическая тяга на рубеже веков. Сборник научных трудов. М.: Интекст, 2000. — 345с.[schema type=»book» name=»СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА С АСИНХРОННЫМИ ТЯГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ» author=»Рыжова Елена Львовна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-05-26″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.01.2015_01(10)» ebook=»yes» ]

Список литературы:

euroasia

Похожие записи