CC BY
66
УДК 621.771.23.016.01
М. Г. В1С1Н, Д. О. ЗАБАРИЛО (ДПТ)
ШЕСТИВ1СНИЙ МАГ1СТРАЛЬНИЙ ВАНТАЖНИЙ ЕЛЕКТРОВОЗ ПОДВ1ЙНОГО ЖИВЛЕННЯ 13 ЗАСТОСУВАННЯМ ТРАНСФОРМАТОРА З ВИСОКОЧАСТОТНОЮ РОЗВ'ЯЗКОЮ ТА АСИНХРОННИМИ ТЯГОВИМИ ДВИГУНАМИ
В робот запропонована нова перспективна силова схема шестивюного вантажного електровоза подвш-ного живлення з асинхронними тяговими двигунами i3 застосуванням пром1жного трансформатора з висо-кочастотною розв'язкою. Це дозволить зменшити масу тягового трансформатора в 2,3 рази, усунути прохо-дження iмпульсiв струму в рейкових колах, а отже вплив на роботу СЦБ i АЛСН. Безпека руху погдав знач-но шдвищуеться.
Ключовi слова: електровоз подвшного живлення, трансформатор з високочастотною розв'язкою, асинх-ронний тяговий двигун
В работе предложена новая перспективная силовая схема шестиосного грузового электровоза двойного питания с асинхронными тяговыми двигателями с применением промежуточного трансформатора с высокочастотной развязкой. Это позволит уменьшить массу тягового трансформатора в 2,3 раза, устранить прохождение импульсов тока в рельсовой цепи, а следовательно влияние на работу СЦБ и АЛСН. Безопасность движения поездов значительно повысится.
Ключевые слова: электровоз двойного питания, трансформатор с высокочастотной развязкой, асинхронный тяговый двигатель
Our research offers a new perspective loading pattern of the 12-wheel double-feed freight electric locomotive with the asynchronous tractive motor using an adapter transformer with the high-frequency uncoupler. This will make it possible to decrease the traction-feeding transformer mass 2.3 times, to remove the current pulse advancing on the track circuit and therefore the influence on the work of the ALSE and CBS. So the railway traffic safety will be increased considerably.
Keywords: double-feed freight electric locomotive, transformer with high-frequency uncoupler, asynchronous tractive motor
Останшм часом зафшсовано зростання ван-тажо- i пасажиропотоку, що вимагае вдоскона-лення рухомого складу залiзниць. З метою шд-вищення конкурентоспроможносп залiзниць, у порiвняннi з шшими видами транспорту, потр> бно тдвищувати прискорення i швидюсть по-тяпв, для чого необхщно тдвищувати потуж-шсть електровоза з одночасним зменшенням його маси, для зменшення впливу на колда.
Особливо гостро сто!ть виршення ще! су-перечно! задачi для електровозiв подвшного живлення, яю доцшьно будувати на залiзницях Укра!ни з метою лшвщацп витрат часу при зм> нi електровозiв у мiсцях стикування контактних мереж постiйного струму напругою 3 кВ з мережею змшного струму на 25 кВ, також зменшення експлуатацшних витрат.
В кшщ 80-х рокiв спещальна комiсiя Мiж-народного союзу залiзниць (МЗС) дослiдила економiчну ефективнiсть використання багато-системного ЕРС Свропи i дiйшла наступних висновкiв [1]:
- Економiчна ефективнiсть застосування багатосистемного рухомого складу до-сягаеться в першу чергу, за рахунок скорочення числа локомотивiв в порiв-няннi з односистемними на 15.. .20 %;
- Досягаеться економiя за рахунок вщмо-ви вiд зупинок для змши локомотивiв не менше 30 хв;
- Зменшуеться кшьюсть локомотивних бригад.
Останшм часом НВО «Електровозобуду-вання» випускае чотирьохвiснi електровози змiнного струму з асинхронними тяговими двигунами (АТД) ДС3 (рис. 1) [2].
В силових схемах цих електровозiв застосо-вуеться чотирьох квадрантний випрямляч який являе собою з'еднувальне коло тягового пере-творювача з контактною мережею через голо-вний трансформатор.
Напруга промiжного контура вища, шж на-пруга вторинно! обмотки трансформатора. Це досягаеться почерговим замиканням вторинно! обмотки трансформатора силовими IGBT-
© Вiсiн М. Г., Забарило Д. О., 2011
транзисторами 1 шдключенням пром1жного контуру до конденсатор1в. При цьому виникають пульсаци струму з шковими значеннями, яю передаються через головний трансформатор в рейкове коло 1 можуть вплинути на роботу СЦБ { зв'язку.
За рахунок високо! ¡ндуктивносп розс1ю-вання трансформатора I частоти пульсащя струму згладжуеться { тим самим, зменшуються шков1 значення струму.
Рис. 1. Силова схема на баз1 електровоза ДС3
Тяговий перетворювач 4QS зменшуе пара-зитш струми додатково тим, що ус 4QS такту-ються з1 змщенням. Проте повшстю лшыдува-ти шюдлив1 пульсаци струму на д1ючому рухо-мому склад1 не вдаеться.
В сучасних силових схемах ЕРС до пром1ж-ного кола постшно! напруги вмикаються два або три 4QS працюючих з1 змщенням, що ускладнюе 1 збшьшуе вартють електровозу.
Кр1м того, вхщний трансформатор працюе з промисловою частотою 50 Гц, тому маса трансформатора велика 1 на електровоз1 ДС3 складае 8370 кг.
Вщомо, що рейков1 кола одночасно викори-стовуються в системах автоматики { автоматично! локомотивно! сигнал1заци (АЛС), а також для пропуску зворотного тягового струму на електрифшованих дшянках зал1зниць. Тому д1я завад, яю генеруе рухомий склад, не повинна впливати на роботу автоматики { АЛС.
Для того, щоб бшьш детально розглянути вплив перешкод, що генеруються електрорухо-мим складом, на роботу СЦБ необхщно розгля-нути схему проходження зворотного струму до тягово! шдстанци (рис. 2).
Рис. 2. Схема проходження зворотного струму до тягово!' шдстанци
У рейковому колi можуть бути видшеш три складовi частини: кiнець, на якому знаходиться вся апаратура, що живить рейковий ланцюг i виконуе деякi iншi функцп; рейкова лшя, об-межена по кiнцях рейкового кола iзолюючими стиками i використовувана для передачi елект-ричного струму вщ джерела до приймача, тобто рейкова лшя е об'ектом контролю рейкового кола; релейний кшець, де розташоваш шляхове реле i шша апаратура, необхiдна для роботи шляхового реле.
Напруга з вторинно! обмотки трансформатора ШТ подаеться на додаткову обмотку дро-сель-трансформатора ДТ. На основнш обмотцi ДТ шдукуеться напруга, яка у К раз менше, нiж на додатковiй обмотщ (вiдповiдно до коефще-нта трансформацп дросель-трансформатора). У контурi, який складаеться з основних обмоток ДТ живлячого i релейного кiнцiв, а також рей-кових ниток, протiкае струм. На додатковш об-мотцi ДТ релейного кшця iндукуеться напруга, рiвна 50-60 В. Шляхове реле притягае сектор у верхне положения i замикае фронтовi контакти.
Замикання фронтових контакпв шляхового реле е ознакою вiльностi шляхово! дiлянки в межах рейкового кола.
При встуш потягу на iзольовану дшянку, рейкове коло шпунтуеться. Струм в рейковому колi починае замикатися в основному через ко-лiснi пари. В шляховому реле струм рiзко па-дае. В результатi рухомий контакт реле, шд дi-ею пружини, опускаеться в нижне положення, розмикаючи фронтовi контакти i замикаючи тиловь Розмикання фронтових контактiв шляхового реле е ознакою наявносп на рейковому колi перешкоди для руху.
Рейкову лшю використовують для канат-зацп зворотного тягового струму. Для живлен-ня електродвигунiв рухомого складу М елект-ричний струм проходить через струмоприймачi Т. Зворотний тяговий струм протшае з колiсних пар в обидвi рейковi нитки i проходить по ним до межi рейкового ланцюга - до iзолюючих стикiв. На кiнцi рейкового ланцюга струм з ко-жно! рейково! нитки потрапляе у вiдповiдиу натвобмотку дросель-трансформатора ДТ i через середню точку переходить в наступне рейкове коло. У дросель-трансформаг^ на-ступного рейкового кола струм розгалужуеться в нашвобмотщ рiвними частками i протiкае в кожну рейкову нитку. Вiдведения зворотного тягового струму на тягову шдстанщю здшсню-еться по кабелю, який шдключаеться до шини, що сполучае середш точки дросель-трансфор-маторiв сумiжних рейкових кiл.
Струм протiкаючи в електричних колах еле-ктровоза не являеться iдеально синусо1дальним. Струм мае пульсацл, а отже i мае вищi гармошки.
За дослщними даними було встановлено вплив зворотного тягового струму на електри-фiкованих дшянках залiзницi на роботу автоматики i автоматично! локомотивно! сигнатзаци, а саме вплив рiзних частот гармошк, що гене-руються електрорухомим складом. В результат було встановлено, яю саме частоти е заважаю-чими, а яю небезпечними для роботи СЦБ, а також було визначено допустимий рiвень перешкод тягового струму електровоза. Дослщш даш наведет в табл. 1.
Таблиця 1
Дослвдш даш
Частота сигнального струму, Гц Гранична частота полоси пропускання, Гц Допустимий ршень перешкод тягового струму електровоза еф, А Вид заважаючого впливу на рейков1 кола
19. 21 4 заважаюч1
25 21. 29 1 небезпечш
29. .31 4 заважаюч1
42. 46 5 заважаюч1
50 46. 54 1,3 небезпечш
54. .58 3 заважаюч1
69. 71 4 заважаюч1
75 71. 79 1 небезпечш
79. 81 4 заважаюч1
175 167. 432 0,4 заважаюч1
Тобто, найбшьш небезпечш перешкоди частотою 50, 75, 100 Гц для колшного реле пере-гiнного рельсового кола 50 Гц, яю можуть при-звести до його помилкового спрацювання [5].
В результатi проведення дослав виявлено, що несинусо!дальшсть струму в рельсових колах в значнш мiрi викликано роботою нелшш-них перетворювачiв ЕРС та несинусо!дальшстю напруги в контактнш мерою. Наявшсть тих або
iнших вищих гармошк в складi зворотного тягового струму обумовлена алгоритмом керу-вання iнвертором та швидкiстю руху локомотива.
Для усунення зазначених недолiкiв (вплив шюдливих iмпульсiв ЕРС, що генеруються, на роботу СЦБ) запропонована нова перспективна схема силового кола з АТД (рис. 3).
5 50 Нг 3 kV
9 9
агг
4051 ВП
С1т
40зг
40511 ГТ'ЛЛ -ГЦ— Е16
40812
НЕ
-¡/"Уу-у-^.
РиР1
3§)М1
IX
Рис. 3. Силова схема електровоза подвшного живлення з високочастотною розв'язкою трансформатора
Напруга яка поступае вiд контактно! мереж спочатку випрямляеться перетворювачем 4Р81 за допомогою ЬС згладжуеться i поступае в блок швертора, де вона перетворюеться знову в змшну напругу, але бiльш високо! частоти (1000 Гц). Блок швертора складаеться з пере-творювача високо! частоти i трансформатора. Для того щоб знизити напругу на елементах блока iнвертора (Б1), необхщно послiдовно включити шiсть вхiдних перетворювачiв, кожен
з яких буде живити свое плече тягового пере-творювача (ТП). Таке включення дае надшшсть роботи схеми (при виходi з ладу одного плеча тягового перетворювача, п'ять працюючих да-дуть змогу локомотиву залишатися в працезда-тному сташ).
Ранiше вже була запропонована структурна схема електровоза подвшного живлення з високочастотною трансформаторною розв'язкою (рис. 4) [4].
Контактна мережа ЗМ1НН0Г0 Струму Випрямляч 1 1нвертор 1
контэкткэ мережа постного струму
Високочастотний трансформатор
Мережевий контур
Рис. 4. Структурна схема перспективного електровоза
а\ оо
Рис. 5. Силова схема
Проте пропонована нами принципова схема (див. рис. 3) вiдрiзняeться вiд структурно! схе-ми зображено! на рис. 4 наступними змшами:
- для здшснення рекуперативного галь-мування (швертування) замiсть вхiдного ви-прямляча В1 встановлюеться чотирьох квадра-нтний перетворювач 4QS;
- замiсть керованого випрямляча КВ встановлюеться чотирьох квадрантний пере-творювач 4QS для шдтримання постiйностi на-пруги на промiжнiй ланцi постiйного струму, а також для здшснення рекуперативного гальму-вання на електровозi.
Необхiдно вiдмiтити, що керований випрям-ляч (див. рис. 4) необхщний для плавного регу-лювання випрямлено! напруги на колекторних тягових двигунах пульсуючого струму, а не для регулювання напруги на iнверторi 2. В тепер> шнш час iнвертор 2 автоматично регулюе на-пругу i частоту для живлення асинхронних тягових двигушв в залежностi вiд швидкостi руху електровоза.
Крiм того, недоцiльно подавати напругу 3 кВ на iнвертор 1 (див. рис. 4). При застосу-ванш асинхронних тягових двигунiв необхщно вiдразу подавати 3 кВ на швертор 2, як це пе-редбачено в запропонованiй схемi (див. рис. 3)
1з порiвняння вищевказаних схем слiдуе, що пропонована схема (див. рис. 3) мае значш переваги над схемою, зображеною на рис. 4, тому взята за основну як найбшьш рацюнальна.
Як приклад, силова схема шестивюного ма-гiстрального вантажного електровоза подвшно-го живлення iз застосуванням промiжного трансформатора з високочастотною розв'язкою
i з асинхронними тяговими двигунами показана на рис. 5.
В порiвняннi з ддачими силовими схемами електровозiв пропонована нова схема (див. рис. 3) мае наступш переваги:
1. Вщсутш протiкання в колi зворотного струму iмпульсiв струму (перешкод), i завдяки цьому не впливае на роботу СЦБ i АЛСН, що значно тдвищуе безпеку руху по]дщв.
2. Завдяки високш частотi подачi вхщно! напруги (1000 Гц замють 50 Гц) масу тягового трансформатора можна знизити в 2,3 разу.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Литовченко, В. В. Современные магистральные электровозы [Текст] / В. В. Литовченко // Локомотив. - 1999. - № 1. - С. 6-12.
2. Чистяк, В. Г. Мапстральний вантажо-пасажир-ський електровоз змшного струму ДС-3 [Текст] / В. Г. Чистяк // Киев. Локомотивинформ. -2006. - № 1. - С. 14-15.
3. Махмутов, К. М. Устройства интервального регулирования движения поездов на железнодорожном транспорте [Текст] / К. М. Махмутов. - М.: Транспорт, 1986. - 350 с.
4. Дубшець, Л. В. Структурна схема перспективного електровозу подвшного живлення [Текст] / Л. В. Дубшець, Г. М. Чшкш, А. М. Муха. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2006. - 3 с.
5. Миргородская, А. И. Электромагнитная совместимость подвижного состава с рельсовыми цепями [Текст] / А. И. Миргородская, В. И. Гав-рилюк // Тезисы 1-й Межд. науч.-практ. конф. -Днепропетровск, 2007.
Надшшла до редколегп 11.10.2010. Прийнята до друку 14.10.2010.
