Электронные системы ослабления возбуждения тяговых двигателей электровозов переменного тока Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Современные технологии - транспорту

19

Современные технологии - транспорту

УДК 629.423.32:621.38

М. В. Калинин

ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ОСЛАБЛЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Произведен анализ существующих систем ослабления возбуждения тяговых двигателей постоянного (пульсирующего) тока. Рассмотрены схемные решения регулирования возбуждения тяговых двигателей электровозов переменного тока. Приведен алгоритм работы систем в штатных и аварийных режимах.

тяговый двигатель постоянного (пульсирующего) тока, полупроводниковый элемент, транзистор, тиристор, индуктивный шунт.

Введение

На железных дорогах России большую часть эксплуатируемого парка электрического подвижного состава (ЭПС) составляют электровозы и электропоезда переменного тока. Благодаря развитию силовой электронной техники стало возможным создание различных систем регулирования тяги поездов: от ступенчатого секционирования обмоток трансформатора при помощи электропневматических контакторов с дальнейшим выпрямлением напряжения (ВЛ60, ВЛ80, ЧС4 и др.) до импульсного (зоннофазового) регулирования напряжения, подводимого к тяговым электродвигателям (ТЭД), выпрямительно-инверторным преобразователем (ВИП), управляемым микропроцессорной системой управления двигателями (МСУД) (ЭП1, ЭП1М и др.).

Для увеличения числа ходовых позиций на ЭПС используют системы регулирования возбуждения ТЭД. Ослабление возбуждения ТЭД может быть осуществлено различными способами:

- выключением части витков катушек главных полюсов;

- импульсным регулированием возбуждения;

- шунтированием обмотки возбуждения сопротивлением.

На отечественном ЭПС переменного тока наибольшее распространение получил способ шунтирования обмотки возбуждения сопротивлением, как наиболее простой и надежный (рис. 1).

При шунтировании обмоток возбуждения только активным сопротивлением резкое повышение напряжения сети может привести к суще-

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2009/2

20

Современные технологии - транспорту

ственному уменьшению коэффициента ослабления возбуждения в переходном режиме, так как нарастающий ток в цепи тяговых двигателей в этом случае проходит преимущественно через шунт, поскольку нарастанию тока в цепи обмоток возбуждения препятствует их большое индуктивное сопротивление [1]. Увеличение тока якоря при относительно малом изменении тока возбуждения ухудшает условия коммутации тяговых двигателей.

Рис. 1. Общий вид схемы ослабления возбуждения ТЭД ЭПС переменного тока

Для улучшения условий коммутации ТЭД на ЭПС применяют индуктивные шунты. Распределение токов по ветвям обмотки возбуждения и шунтирующей цепи достигается определенным соотношением активных и индуктивных сопротивлений элементов схемы:

гв + Тв

diB

dt

L

di..

dt

і

r

B

ш

2009/2

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

21

где LB, Ьш - индуктивность обмотки возбуждения двигателя и индуктивного шунта соответственно;

гш - суммарное омическое сопротивление шунтирующей цепи. Согласно поставленному выше условию требуется, чтобы во время переходного процесса сохранялись равенства

и

решением уравнения будет

С Р' С

С =

Р

Ьш 1 - р Zb '

(1)

Для машин с насыщенной магнитной системой индуктивность обмотки возбуждения

т аф і о

Lr = а ■ w--10

в dL

8

где a - коэффициент, меньший единицы, учитывающий размагничивающее влияние вихревых токов, наводимых в массивном остове двигателя;

w - число витков обмотки возбуждения.

Чтобы сохранить соотношение (1) при любом значении тока возбуждения 1В индуктивность шунта Lm и его поток фш должны изменяться пропорционально потоку двигателя.

Ф

ш

a ■ w

w

ш

ф,

где w - число витков обмотки индуктивного шунта.

В этом случае при восстановлении напряжения большая часть тока якоря пройдет через обмотки возбуждения, двигатель перейдет в режим полного возбуждения, и в дальнейшем режим ослабления возбуждения постепенно восстановится.

В связи с появлением современных силовых полупроводниковых элементов появилась возможность модернизации систем регулирования возбуждения. Наиболее целесообразным представляется замена индуктивных шунтов, обладающих значительными массогабаритными показателями, сложностью и дороговизной их ремонта и большой стоимостью из-за содержания большого количества меди, что также является причиной их хищения, на полупроводниковые ключи. В данный момент на сети железных дорог России сложилось затруднительное положение по комплектованию

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2009/2

22

Современные технологии - транспорту

парка электровозов и электропоездов недостающими индуктивными шунтами.

Для современных транзисторов IGBT величина прямого падения напряжения ипто }=1,7-3ДВ накладывает ограничения на проектирование

схем электронных шунтов [2].

Коэффициент ослабления возбуждения р равен отношению тока возбуждения 1В к току якоря /я. Так как падение напряжения на обмотках возбуждения равно падению напряжения на электронном шунте, то:

Л, • =/ш -JX +U.

Т (ТО ) ■

так как / =/-/;

/ .г =1 -Уг -І -Уі

в ов я ш в

■ит

I

о;„ +Егш) = Е;

и.

Т (ТО )

L

ш

где в - коэффициент ослабления возбуждения, учитывающий влияние сопротивлений гш, а рдоб - коэффициент ослабления возбуждения, учитывающий влияние падение напряжения на полупроводниковом приборе. С увеличением мощности тягового двигателя падение напряжения на сопротивлении обмоток главных полюсов уменьшается и приближается к напряжению на открытом полупроводниковом «ключе» UT (TO}, и его влияние на величину коэффициента ослабления возбуждения увеличивается.

1 Безындуктивный шунт на основе IGBT-модуля

В качестве альтернативной замены индуктивного шунта в системе ослабления возбуждения ТЭД на электровозе ВЛ80С (ВЛ80Т) разработано устройство на основе IGBT-модуля, которое обеспечивает стабильную работу электровоза в режиме ослабления возбуждения как в номинальных, так и в переходных режимах работы:

• стационарный режим ослабления возбуждения:

первая ступень - 70%; вторая ступень - 52%; третья ступень - 43% ;

• нестационарные режимы работы:

восстановление контакта между токоприемником и контактным проводом после отрыва;

колебания напряжения в контактной сети («наброс» напряжения); восстановление сцепления колесных пар с рельсом после боксова-ния (срабатывание реле боксования).

2009/2

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

23

Безындуктивный шунт на электровозе ВЛ80С (ВЛ80Т) заменяет индуктивный шунт ИШ-95 (ИШ-009) (рис. 2). На электровозе ВЛ80Т были произведены испытания данной системы. Полученные результаты показали возможность применения электронных систем регулирования возбуждения на электровозах переменного тока.

2 ТД

Рис. 2. Схема регулирования возбуждения ТЭД с безындуктивным шунтом

на электровозе ВЛ80С (ВЛ80Т)

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2009/2

24

Современные технологии - транспорту

Рис. 3. Схема цепей управления IGBT модулем

2009/2

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

25

На рис. 3 представлена электрическая схема цепей управления безын-дуктивным шунтом, на которой представлены:

модуль транзисторный М2ТКИ-600-12 (обозначение на схеме V1);

DC/DC преобразователь 48В/24В (А1);

плата управления (А2);

плата питания 24В/±15В (А3);

плата драйвера (А4);

датчик тока LT1000 (DT1);

клеммная колодка (Х1);

клеммная колодка на 10 контактов (Х2);

клеммная колодка (Х3).

При замыкании контактора ослабления возбуждения 65(66) с блокировки подается сигнал в систему управления на открытие IGBT транзистора. После включения режима ослабления возбуждения система управления IGBT-модулем проверяет выполнение следующих условий:

ток в цепи, шунтирующей обмотку возбуждения менее 600А (ДТ1); блокировка реле боксования (РБ) (нормально замкнутая) замкнута.

В случае невыполнения хотя бы одного из условий, система управления выключит транзистор и двигатель перейдет в режим полного возбуждения (96% для электровоза ВЛ80С (ВЛ80Т)).

После выключения транзистора предусмотрена задержка, по истечении которой будет подан импульс управления на открытие полупроводникового ключа.

Алгоритм работы системы приведен на рис. 4.

Рис. 4. Алгоритм работы системы

26

Современные технологии - транспорту

2 Безындуктивный шунт на основе однооперационного тиристора

В процессе пуска тяговых двигателей за счет повышения величины выпрямленного напряжения растет напряжение на обкладках конденсатора Ск (рис. 5). Для перехода в режим ослабленного возбуждения отпирается тиристор VS1, коэффициент регулирования возбуждения в определяется величиной сопротивления резисторов гов и величиной падения напряжения на полупроводниковом ключе. Количество ступеней ослабления возбуждения и их величины определяются значениями активных сопротивлений, шунтирующих обмотку возбуждения ТЭД.

Рис. 5. Схема регулирования возбуждения ТЭД с безындуктивным шунтом

В процессе эксплуатации электровоза возможны такие режимы работы, как отрыв токоприемника и «наброс» напряжения.

За время отрыва токоприемника от контактного провода произойдет снижение тока двигателей, ЭДС вращения и магнитного потока до нулевых значений, что приведет к запиранию тиристора VS1.

При резком увеличение напряжения питания в режиме ослабленного возбуждения (тиристор VS1 включен) ток в шунтирующей цепи начинает 26

26

Современные технологии - транспорту

27

интенсивно нарастать, что приводит к уменьшению коэффициента регулирования возбуждения. При достижении током заданной (критической с точки зрения коммутации) величины подается сигнал управления на тиристор VS2, что приводит к запиранию тиристора VS1. После выключения этого тиристора, перезарядки конденсатора Ск током, равным разнице токов якоря и обмотки возбуждения, выключается тиристор VS2 и двигатель переводится на нормальное возбуждение.

На ЭПС переменного тока тяговые двигатели питаются выпрямленным пульсирующим напряжением:

4

ие =и2т -sini)-t (1 1

О <co-t < л, 1

Ue= — -U2m--------COS 4-CO-tJ----COS

V

2 3

3-5

2 TT

где—-U2m - постоянная составляющая выпрямленного напряжения.

Л

-■и2„ =

Л

-■и2„ =

Л

2 • V2

U2 - 0,9• U2,

с-Ф-V; ф = const

Переменная составляющая тока, определяется переменной составляющей выпрямленного напряжения.

4 . ^ di,

- — ■U2m -cos4-a>-tjFLd ■ — 3 л at

ь,=ьс+ья.

Амплитуда переменной составляющей тока:

4

U.

^ т ~ Со

2т

4

U.о-к 2 Udo

3 -л 2 ■ со-Ld 3 • л 2-2-со ■ Ld 3 2 ■ со-Ld

Коэффициент пульсации тока двигателя:

к„і=-

Ш)

0,67 • U

do

Id 2 ■ со • Ld ■ I d

K_T =0,2.. .0,25.

? nl

І

При малых токах якоря и коэффициенте ослабления возбуждения, близком к единице (в = 0,7), переменная составляющая тока шунта меняет знак, что приводит к запиранию «ключа».

28

Современные технологии - транспорту

В тяговой лаборатории кафедры «Электрическая тяга» ПГУПСа были проведены испытания безындуктивного шунта.

В качестве источника питания использовался сварочный трансформатор с шестипульсовой схемой выпрямления (ВД301У3).

Якорь ТЭД был заменен активным сопротивлением Яя = 0,3Ом, обмотка возбуждения - индуктивным шунтом вагона метрополитена Яв = 0,035Ом, Rm = 0,0017Ом, R = 1кОм, тиристор главный VS1 ТБ953-320-32, тиристор коммутирующий VS2 ТБ933-250-32, конденсатор Ск на напряжение 3кВ (100мкФ).

Испытания проводились с ослаблением возбуждения 69%. Ниже приведены полученные осциллограммы токов и напряжений на элементах схем (рис. 6, 7).

Datablock

Name = A: AC A: DC

Date = 17.07.2008 17.07.2008

Time = 9:45:31 3:45:31

Y Scale = 5 mV/Div 10 mV/Div

YAt 50% = 5,0 mV 20 mV

X Scale = 10 s/Div 1 □ sVDiv

X At 0% = 00:00:00 00:00:00

X Size = 70 (70) 70 (70)

Maximum = 12,0 mV 42 mV

Minimum = 0,0 mV -2 mV

Cursor Values

X1 00:00:17

X 2 00:00:52

dX 00:00:35

Y1 8,0 mV

Y 2 6,0 mV

dY 0,0 mV

Рис. 6. Ток, протекающий по обмотке возбуждения ТЭД

Заключение

Рассмотренные схемные решения при их использовании на ЭПС позволят сократить время и стоимость текущих ремонтов, улучшить тяговые показатели электровозов (реализация режима ослабления возбуждения с максимальными значениями силы тяги и ускорения электровоза), позволит увеличить количество поездов повышенного веса и повысить показатели эксплуатационной работы. 28

28

Современные технологии - транспорту

29

Name =А:АС A: DC

Date =17.07.2008 17.07.2008

Time =10:19:08 10:19:08

Y Scale = 50 mWDiv 10 V/Div

У At 50% = 100,0 mV 20,00 V

X Scale = 5 s/Div 5 $/Div

X At 0% =00:00:05 00:00:05

X Size =47(53) 47 (53)

Манігпигп = 180,0 mV 42,70 V

Minimum = 0,0 mV ■0,02 V

Cursor Values

X1 00:00:13

X 2 00:00:39

dX 00:00:20

У 1 41,08 V

Y 2 ■0,01 V

dY -41,88 V

Рис. 7. Напряжение на конденсаторе Ск

Библиографический список

1. Электронные системы регулирования возбуждения для электрического подвижного состава / А. С. Мазнев, О. И. Шатнев, А. М. Евстафьев // Вестник РГУПС. -№ 3. - 2007. - С. 12-17.

2. Особенности построения электронных систем управления тяговым приводом электрического подвижного состава постоянного тока / А. С. Мазнев, А. М. Евстафьев // Транспорт Урала. - № 1. - 2008. - С. 52-56.

3. Пат. 76295 Российская Федерация, МПК В 60 L 15/08. Тяговый электропри-

вод / Мазнев А. С., Евстафьев А. М., Калинин М. В.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения». - №

2008119979/22; заявл. 20.05.2008; опубл. 20.09.2008, Бюл. № 26. - 2 с.: ил.

Статья поступила в редакцию 04.05.2009;

представлена к публикации членом редколлегии А. И. Хожаиновым.

УДК 69.04

А. П. Ледяев, А. Л. Новиков

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО КОММЕРЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА НА ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ СТАНЦИИ «ЛОМОНОСОВСКАЯ»