CC BY
340
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ЛОКОМОТИВОВ
УДК 621.331:621.31 1+629.43+06
А. А. Зарифьян
Ростовский государственный университет путей сообщения
ОСОБЕННОСТИ СХЕМ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ПРИВОДА СОВРЕМЕННЫХ ЛОКОМОТИВОВ С АСИНХРОННЫМИ ТЯГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ
Выполнен сравнительный анализ различных схем вспомогательного привода локомотивов с асинхронными тяговыми двигателями. По данным регистраторов, в некоторых режимах на вспомогательные нужды затрачивается до 22 % потребленной энергии. Выполнен анализ трех вариантов схем питания вспомогательных нужд: непосредственно от контактной сети постоянного тока; от отдельной обмотки тягового трансформатора; от звена постоянного напряжения тягового преобразователя. Отмечены достоинства и недостатки каждого варианта.
локомотив с асинхронным тяговым двигателем, схема питания вспомогательных нужд, энергоэффективность.
Введение
Вспомогательный привод электровозов постоянного тока с коллекторными ТЭД предназначен главным образом для охлаждения тяговых электродвигателей. Так, у электровоза ВЛ10 на вспомогательные нужды направляется 104 кВт, что составляет 2,1 % мощности, потребляемой от сети.
У электровозов переменного тока требуется дополнительно охлаждать выпрямительную установку и другое оборудование, что приводит к увеличению мощности вспомогательного привода. Например, электровоз 2ЭС5К «Ермак» на вспомогательные нужды затрачивает около 173 кВт (2,43 % мощ-
29
ности, потребляемой от сети). Аналогичная ситуация для тепловозов с электрической передачей мощности постоянного и переменно-постоянного тока, с той разницей, что вспомогательная мощность может отбираться непосредственно от дизеля.
У современных локомотивов система преобразования энергии, обеспечивающая питание асинхронных тяговых двигателей (АТД), имеет гораздо более сложную структуру и, соответственно, требует большей мощности на охлаждение. Так, регулируемая мощность вспомогательного привода электровоза ЭП20 составляет в среднем около 200 кВт [1]. Тепловоз 2 ТЭ25 А «Витязь» имеет вспомогательный генератор мощностью 400 кВт при мощности главного генератора 2300 кВт [2].
1 Фактическое использование мощности современных локомотивов
Как показывает опыт эксплуатации электровозов с АТД на российских железных дорогах, их доступная мощность используется далеко не полностью.
На рис. 1 показаны данные бортового регистратора пассажирского электровоза ЭП20-015 с поездом № 104, полученные на равнинном участке Москва - Рязань, электрифицированном на постоянном токе. По горизонтальной оси отложено время в формате чч : мм : сс, продолжительность фрагмента около 30 мин: от 8:37 до 9:06 (поезд отправляется из Москвы в 7:50 утра).
На верхней диаграмме показаны мощность, потребляемая из контактной сети (без учета отопления поезда), мощность на валах тяговых двигателей, а также суммарная мощность вспомогательных нужд и потерь. Так как на этом участке имеется ограничение по скорости 70 км/ч (это видно на нижней диаграмме), автоматический регулятор поддерживает заданную скорость, периодически включая тягу (49 % полного времени движения, 2 ч 46 мин), остальное время движение происходит на выбеге. При движении на выбеге мощность вспомогательных нужд составляет около 200 кВт.
Энергия, потребленная из контактной сети на участке Москва - Рязань, составляет 2480 кВт-ч, из них 553 кВт-ч (22 %) - на вспомогательные нужды.
При включенной тяге суммарная мощность на валах АТД составляет от 400 до 1400 кВт при продолжительной мощности электровоза ЭП20, равной 6600 кВт. Видно, что мощность, доступная для целей тяги, используется далеко не полностью. При применении бесколлекторного тягового привода актуальным становится вопрос об обеспечении нагрузки тягового оборудования, близкой к оптимальной (регулирование числа работающих тяговых двигателей в зависимости от загрузки электровоза, в том числе на разных участках пути) [3].
30
31
2 Энергоэффективные варианты схем вспомогательного привода электровозов
Из сказанного следует, что необходимо разработать такие схемы вспомогательного привода, которые обеспечивали бы высокие показатели энергоэффективности и надежности, в том числе при штатном (либо аварийном) отключении части тяговых двигателей.
2.1 Схема питания вспомогательных нужд от контактной сети постоянного тока
На электровозах 2ЭС4К и 2ЭС6 с коллекторными ТЭД питание вспомогательных нужд осуществляется от контактной сети. По аналогии предлагается схема питания вспомогательных нужд для электровозов постоянного тока с АТД (рис. 2), особенностью которой является наличие однофазного инвертора А3, преобразующего постоянный ток в переменный частотой 1 кГц. Высокая частота используется, чтобы уменьшить габариты трансформатора гальванической развязки Т. Далее переменный ток преобразуется в постоянный с помощью выпрямителя А4. К выходу выпрямителя может быть подключено необходимое количество трехфазных инверторов А5 питания вспомогательных нагрузок. Питание вспомогательных машин и цепей собственных нужд выполнено трёхфазным, с номинальным напряжением 380 В.
Рис. 2. Структурная схема питания вспомогательных нужд от контактной сети
постоянного тока:
L - сетевой дроссель; С - ёмкостный фильтр; А1 - тормозной чоппер; R - тормозной реостат; А2 - тяговый инвертор напряжения; M - асинхронный тяговый двигатель; А3 - однофазный инвертор; Т - трансформатор; А4 - выпрямитель;
А5 - вспомогательный инвертор
32
Преимуществом такой схемы является возможность работы вспомогательных нагрузок электровоза при отключенных тяговых преобразователях.
2.2 Схема питания вспомогательных машин от обмотки собственных нужд тягового трансформатора
Питание вспомогательных нужд от отдельной обмотки тягового трансформатора применяется на электровозах переменного тока ЭП1М, 2ЭС5К с коллекторными ТЭД. Трехфазная сеть у них формируется с помощью ёмкостного преобразователя фаз, несовершенства которого хорошо известны.
Аналогичная схема питания вспомогательных нужд была реализована на электровозе переменного тока ВЛ86Ф с АТД в середине 1980-х годов. Предлагаемый вариант развития этой схемы показан на рис. 3.
Рис. 3. Структурная схема питания вспомогательных нужд от отдельной обмотки
тягового трансформатора:
Т - тяговый трансформатор; A1 - 4-qs выпрямитель; С - ёмкостный фильтр;
А2 - тормозной чоппер; R - тормозной реостат; А3 - тяговый инвертор напряжения; M - асинхронный тяговый двигатель; А4 - вспомогательный инвертор
Гальваническое разделение высоковольтных цепей и низковольтных потребителей осуществляется в тяговом трансформаторе Т, к обмотке собственных нужд которого подключен 4-qs выпрямитель A1, на его выходе получаем стабилизированное напряжение постоянного тока. К выходу 4-qs выпрямителя A1 может быть подключено необходимое количество трехфазных инверторов А4. Питание вспомогательных нагрузок выполнено трёхфазным, с номинальным напряжением 380 В.
33
2.3 Схема питания вспомогательных нужд электровоза от звена постоянного напряжения тягового преобразователя
Схема питания вспомогательных нужд от звена постоянного напряжения тягового преобразователя использована на электровозах двойного питания ЭП10 [4] и ЭП20. При разработке схемы использован разделительный трансформатор, обеспечивающий гальваническое разделение высоковольтных цепей источника питания и низковольтных потребителей.
Преимуществом этой схемы является возможность работы вспомогательных нагрузок электровоза при отключенных тяговых преобразователях.
Вспомогательный инвертор А4 подключен к звену постоянного напряжения тягового преобразователя (рис. 4) и формирует трехфазную сеть с напряжением 1500 В и частотой 50 Гц. К выходу инвертора подключен трехфазный трансформатор Т2, который понижает напряжение до 380 В.
Рис. 4. Структурная схема питания вспомогательных нужд от звена постоянного напряжения тягового преобразователя:
Т1 - тяговый трансформатор; L - сетевой дроссель; A1 - 4-qs выпрямитель;
С - ёмкостный фильтр; А2 - тормозной чоппер; R - тормозной реостат; А3 - тяговый инвертор напряжения; M - асинхронный тяговый двигатель; А4 - вспомогательный инвертор; Т2 - трехфазный трансформатор
На электровозе ЭП20 используются четыре независимо регулируемых по частоте канала питания вспомогательных нужд. Первый канал питает насосы жидкостного охлаждения трансформатора и тягового преобразователя, а также цепи управления; второй канал - четыре вентилятора охлаждения АТД и два вентилятора наддува кузова; третий канал - охлаждение тормозных резисторов; четвертый канал - два вентилятора охлаждения АТД и вентиляторы воздушного охлаждения тяговых преобразователей и трансформатора.
34
Преимуществами такой схемы являются упрощение схемы вспомогательного преобразователя и сравнительно небольшие габариты. Недостаток схемы - невозможность работы преобразователя собственных нужд при отключенном тяговом преобразователе.
Заключение
Система преобразования энергии, обеспечивающая питание асинхронных тяговых двигателей современных локомотивов, имеет сложную структуру и требует значительной мощности на охлаждение. Данные бортовых регистраторов показывают, что на вспомогательные нужды затрачивается до 22 % потребленной энергии.
Выполнен анализ трех вариантов схем питания вспомогательных нужд: 1) непосредственно от контактной сети постоянного тока; 2) от отдельной обмотки тягового трансформатора, и 3) от звена постоянного напряжения тягового преобразователя. Указаны достоинства и недостатки каждого варианта, в том числе при возможном отключении части тяговых двигателей.
Библиографический список
1. Знакомьтесь : электровоз ЭП20 / К. П. Солтус // Локомотив. - 2013. - № 4-6.
2. Магистральный тепловоз 2 ТЭ25 А : Структура системы управления и электрооборудования / Ю. В. Бабков, Ю. И. Клименко, К. С. Перфильев и др. // Локомотив. - 2012. -№ 7. - С. 28-32.
3. Моделирование электромеханической системы электровоза с асинхронным тяговым приводом / Ю. А. Бахвалов, А. А. Зарифьян, П. Г. Колпахчьян и др. ; под ред. Е. М. Пло-хова. - М. : Транспорт, 2001. - 286 с.
4. Система управления и диагностики электровоза ЭП10 / под ред. С. В. Покровского. - М. : Интекст, 2009. - 356 с.
© Зарифьян А. А., 2014
35
