CC BY
847
Современные технологии - транспорту
51
4. ГОСТ 18105-2010. Бетоны. Правила контроля и оценки прочности. - М. : Стандартинформ, 2013. - 20 с.
5. Применение ультразвуковых преобразователей с точечным контактом для неразрушающего контроля / В. В. Дзенис ; Риж. политехнич. ин-т им. А. Я. Пельше. - Рига : Зинатне, 1987. -263 с.
6. Michas G. Slab track system for High Speed railways / Royal Inst. Technol. (KTH). - Sweden, Stockholm, 2012. - 107 p.
7. Проблемы эксплуатации безбалластной конструкции верхнего строения пути RHEDA 2000 на железнодорожной магистрали / А. Ф. Колос, Т. М. Петрова, А. А. Сидоренко // Техника железных дорог. - 2013. - № 2 (22). - С. 42-47.
УДК 629.423.31
Р И. Прошутинский, О. В. Колодкин
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
ВЕНТИЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ В ТЯГОВОМ ПРИВОДЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА МАГИСТРАЛЬНЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
Рассмотрены вентильные тяговые двигатели и их применение на отечественном и зарубежном опытном и серийном электрическом подвижном составе магистральных железных дорог. Выделены характерные особенности электромеханических преобразователей электроэнергии существующих вентильных тяговых двигателей. Описаны принципиальные схемы полупроводниковых преобразователей. Исходя из опыта проектирования и эксплуатации вентильных тяговых двигателей, предложена возможная область их применения на отечественных железных дорогах на современном этапе.
вентильный тяговый двигатель, электромеханический преобразователь энергии, контактное электромагнитное возбуждение, полупроводниковый преобразователь, однооперационный тиристор, электровоз.
Введение
В настоящее время за рубежом эксплуатируется электрический подвижной состав (ЭПС) с вентильными тяговыми двигателями (ВТД).
Вентильный тяговый двигатель включает в себя электромеханический преобразователь энергии (ЭМП) и полупроводниковый преобразователь, переключающий фазы статорной обмотки тягового электродвигателя (ТЭД) в зависимости от углового положения ротора.
В статье рассматриваются существующие на данный момент ВТД, выделяются ключе-
вые особенности их ЭМП и преобразователей, а также предлагается область их применения на отечественных железных дорогах в настоящее время.
1 Мировой опыт применения ВТД
на ЭПС
В трех странах (СССР/России, Франции и Японии) работы над ВТД были доведены до построения опытных образцов ЭПС. Серийно ЭПС с ВТД производился только во Франции.
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2015/1
52
Современные технологии - транспорту
В СССР вентильные двигатели создавались в качестве замены коллекторных двигателей в приводе серийных грузовых электровозов переменного тока 25 кВ 50 Гц с целью повышения их мощности за счет увеличения осевой силы тяги. В ходе работ над этой темой в 1967-1976 гг. построены макетная четырехосная секция ВЛ80 Б-216 и опытные двухсекционные восьмиосные электровозы ВЛ80 В-661,1129,1130 (обозначение ВЛ80 В также имели ранее построенные опытные электровозы с регулированием напряжения трансформатора на высокой стороне). Кроме того, для изучения перспективности применения группового тягового привода на отечественных железных дорогах в 1976 г. создан опытный двухсекционный восьмиосный электровоз ВЛ83-001 переменного тока 25 кВ 50 Гц.
Во Франции вентильные двигатели изначально проектировались для грузопассажирских электровозов с групповым приводом в качестве замены двухъякорных машин постоянного тока с переключаемым редуктором. В течение 1980-х годов построены и испытаны опытные электровозы: односистемный (25 кВ 50 Гц) BB10004 и двухсистемные (1,5/25 кВ 50 Гц) BB22011, BB22012. Итогом этих работ стало производство в конце 1980-х годов двухсистемных (1,5/25 кВ 50 Гц) четырехосных грузопассажирских электровозов с групповым приводом на две оси BB26000 SyBic (от фр. Synchrone Bicourant).
Параллельно с середины 1980-х до конца 1990-х годов создавалось семейство высокоскоростных поездов с тяговым приводом на основе ВТД. Применение ВТД позволило в габаритах коллекторных ТЭД реализовать большую мощность, благодаря чему стало возможным увеличение в поездах TGV Atlantique по сравнению с TGV PSE числа промежуточных вагонов при одновременном сокращении числа обмоторенных осей. Были созданы следующие семейства поездов TGV с ВТД: Atlantique, Reseau, Duplex (до поколения Dasye), PBA (для использования на территории Франции, Бельгии, Нидерландов), Thalys
PBKA (для использования на территории Франции, Бельгии, Германии, Нидерландов), а также AVE S100 для железных дорог Испании (на основе TGV Atlantique) и KTX-I (TGV-K) для железных дорог Южной Кореи (на основе TGV Reseau). В их состав входили промежуточные пассажирские вагоны и два четырехосных локомотива с индивидуальным приводом, расположенные по концам поезда (восемь обмоторенных осей). В поезде KTX-I тяговые двигатели дополнительно установлены на ближайшие к электровозам две двухосные тележки пассажирских вагонов, таким образом, общее число обмоторенных осей составляет 12. Электрооборудование вышеперечисленных поездов рассчитано на работу от следующих систем тягового электроснабжения: постоянного тока 1,5 кВ (TGV Atlantique, Reseau, Duplex, PBA, Thalys PBKA); постоянного тока 3 кВ (TGV PBA, Thalys PBKA, AVE S100); переменного тока 15 кВ 16,7 Гц (TGV Thalys PBKA); переменного тока 25 кВ 50 Гц (все поезда TGV, AVE S100); переменного тока 25 кВ 60 Гц (KTX-I).
В 1996-1997 гг. в России построены опытные скоростные пассажирские электровозы ЭП200-001,002 переменного тока 25 кВ 50 Гц с ВТД и индивидуальным тяговым приводом.
В Японии в начале 1970-х годов одна из двух тележек четырехосной электросекции Kymoya 791 переменного тока 20 кВ 60 Гц была оснащена вентильными двигателями для проведения испытаний.
В таблице приведены параметры тяговых приводов ЭПС с ВТД.
2 Анализ решений, примененных в существующих ВТД
2.1 ЭМП существующих ВТД представляют собой синхронную машину нормального исполнения с фазной обмоткой на статоре и обмоткой возбуждения, размещенной на роторе в оси d и питаемой через щетки и контакт-
2015/1
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
53
Параметры тяговых приводов с ВТД
ЭПС ВЛ80 Б ВЛ80 В Kymoya 791 ВЛ83 BB 26000 TGV Atlantique ЭП200
Страна, годы выпуска СССР, 1967 СССР, 1970 (1975) Япония, нач. 1970-х СССР, 1976 Франция, 1988- 1998 Франция, 1988- 1992 Россия, 1996
Тип привода ИНД ИНД ИНД ГР (2 оси) ГР (2 оси) ИНД ИНД
V , км/ч 110 110 95 110 200 300 200
Тип ЭМП НБ-600 НБ-601 MT-971 НБ-604 STS 10537-8 STS 44-39-6 НТВ-1000
Подвешивание ТЭД ОП-ОС ОП-ОС н/д ОП-Р ОП-Р ОП-Р ОП-Р
P , кВт 1120 1010 110 1800 2800* 1300 1000
N, об./мин. 1600 1160 2280 710 н/д н/д 1805
Тип обмотки статора 3 фазы 3 фазы 3 фазы 2x3 фазы 2x3 фазы, 0 вывод 3 фазы, 0 вывод 3 фазы, 0 вывод
Тип ротора ЯП НЯП НЯП НЯП ЯП ЯП НЯП
Обмотки на роторе ОВ ОВ, ДО ОВ, ДО, КО ОВ, ДО ОВ, ДО ОВ, ДО ОВ, ДО
2Р 6 8 н/д 10 8 6 8
Масса, кг 4200 4100 н/д 7150 6400 1450 2300
Тип преобра- зователя ПЧФ-Ш ПЧФ-IV (М) RS810 ПЧФ-V н/д н/д СПУ- 5700У2
Схема НЗПТ НЗПТ НЗПТ НЗПТ ЯЗПТ ЯЗПТ ЯЗПТ
Примечания. 1. Условные сокращения. Тип привода: ИНД - индивидуальный, ГР - групповой; подвешивание: ОП-ОС - опорно-осевое, ОП-Р - опорно-рамное; тип ротора: ЯП - явнополюсный, НЯП - неявнополюсный; обмотки на роторе: ОВ - обмотка возбуждения, ДО - демпферная обмотка, КО - компенсационная обмотка; схема преобразователя: НЗПТ - с неявным звеном постоянного тока, ЯЗПТ - с явным звеном постоянного тока. 2. В преобразовательной установке ЭП200 объединены выпрямительно-инверторные преобразователи, преобразователи ВТД и управляемые выпрямители возбуждения. 3.* - указана продолжительная мощность.
ные кольца от отдельного источника (независимое возбуждение). Также на роторе всех двигателей, кроме отечественного НБ-600, расположена демпферная обмотка.
Тип фазной обмотки при индивидуальном приводе - трехфазная «звезда», при групповом - две трехфазные «звезды» со смещением на 30 электрических градусов. Фазные об-
мотки двигателей, применяемых совместно с преобразователями с ЯЗПТ, имеют нулевые выводы.
Часовые мощности тяговых двигателей, за исключением MT-971 (110 кВт), расположены в диапазоне 1010-1300 кВт для индивидуального привода и 1800-3000 кВт - для группового.
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2015/1
54
Современные технологии - транспорту
Первый советский ЭМП НБ-600 имел явнополюсный ротор, однако в дальнейшем предпочтение было отдано неявнополюсной конструкции [1] при опорно-осевом и опорно-рамном подвешивании ТЭД. ЭМП с неявнополюсным ротором были установлены и на японской электросекции Kymoya 791. На французском ЭПС с ВТД применены явнополюсные ЭМП с опорно-рамным подвешиванием как при индивидуальном, так и при групповом приводе.
Число полюсов двигателей отечественного ЭПС с индивидуальным приводом, как правило, 2р = 8 (исключение - НБ-600 c 2p = 6), а двигатели STS 44-39-6 поездов TGV Atlantique выполнены с 2р = 6.
Вентиляция двигателей преимущественно аксиальная; с радиальной вентиляцией выполнены ТЭД французских электровозов с групповым приводом.
2.2 На существующих ВТД применены преобразователи частоты и числа фаз с естественной коммутацией, выполненные по принципу инвертора тока на основе однооперационных тиристоров. Первоначально такие преобразователи (ПЧФ-III) рассматривались как коммутаторы - полупроводниковые аналоги механического коллектора, благодаря которым ВТД обладали свойствами, схожими со свойствами коллекторной машины постоянного тока [2]. В дальнейшем на преобразователи с неявным звеном постоянного тока частично были возложены функции регулирования напряжения на зажимах ЭМП (ПЧФ-IV, ПЧФ-IVM, ПЧФ-V, RS-810).
Конструктивные особенности преобразователей ВТД в основном связаны с необходимостью обеспечить коммутацию однооперационных тиристоров как в рабочих режимах за счет ЭДС вращения ЭМП, так и при пуске и малых скоростях движения, когда эта ЭДС мала.
Имеются два схемных решения преобразователей ВТД - с явным и неявным звеном постоянного тока. Принципиальные схемы преобразователей ВТД для индивидуального привода представлены на рисунке.
Преобразователь по схеме с НЗПТ был применен на советских электровозах ВЛ80 Б, ВЛ80 В, а также на японской электросекции Kymoya 791 (часть «а» на рисунке). Его модификация под двигатель для группового привода была установлена на электровозе ВЛ83. Такие преобразователи непосредственно подсоединяли к выводам вторичных обмоток тяговых трансформаторов. Напряжение на зажимах ЭМП изменяли с помощью группового контроллера (ВЛ80 Б) или по принципам плавного межступенчатого регулирования (ВЛ80 В, ВЛ83). Одной из основных причин выбора такой схемы являлась относительная простота коммутации полупроводниковых приборов преобразователя при пуске и малых скоростях движения за счет напряжения контактной сети («сетевая» коммутация). Основные недостатки примененных преобразователей - наличие многообмоточного сглаживающего реактора и необходимость выполнения индивидуальных преобразователей для каждого ЭМП.
Преобразователи по схеме с ЯЗПТ применены на французском ЭПС с ВТД, а также на отечественном электровозе ЭП200. Такие преобразователи выполняют функцию коммутатора. Напряжение на зажимах ЭМП регулируется входными преобразователями ВТД -широтно-импульсными или выпрямительноинверторными. Преимущества такой схемы -возможность питания нескольких ВТД от одного входного преобразователя, однообмоточный сглаживающий реактор, а также возможность применения на подвижном составе переменного и постоянного тока, а также на многосистемном ЭПС. Одним из основных недостатков рассматриваемой схемы является необходимость в специальных контурах (тиристоры VS1, VS2 и конденсатор C1 на части «б» рисунка) для обеспечения искусственной коммутации тиристоров при пуске и малых скоростях движения. Однако, как правило, у устройств таких вспомогательных контуров установленная масса и мощность сравнительно невелики. Кроме того, применение искусственной коммутации повышает тяговое усилие в рабочих режимах [3, с. 132; 4].
2015/1
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
55
а
L1 UZ1
L1 UZ1
Схемы преобразователей ВТД при индивидуальном приводе: а) с НЗПТ; б) с ЯЗПТ; L1 - сглаживающий реактор; C1, VS1, VS2 - конденсатор и тиристоры устройства искусственной коммутации; UZ1 - полупроводниковый преобразователь; M1 - ЭМП
3 ВТД для современного отечественного ЭПС
В настоящее время существует проблема обновления парка подвижного состава отечественных железных дорог. Целесообразным можно считать создание отечественного ЭПС, в приводе которого вместо КТД применены ВТД, имеющие перед коллекторными ряд преимуществ [5, 6].
Приоритетным направлением является разработка перспективного ЭПС с бесколлекторными тяговыми двигателями. Поскольку ВТД конкурентоспособны асинхронным при мощностях выше 800-1000 кВт [7, с. 16; 8,
с. 96, 99], возможно их применение в тяговом приводе электровозов.
В сжатые сроки, с учетом опыта проектирования тягового привода электровоза ЭП200 [9] может быть создан вентильный двигатель с преобразователем по схеме инвертора тока с ЯЗПТ. Предполагаемая конструкция ЭМП ВТД - синхронная машина, на статоре которой расположена трехфазная обмотка с нулевым выводом, на роторе - обмотка возбуждения в оси d и демпферная обмотка. В преобразователе целесообразно применить искусственную коммутацию тиристоров во всем диапазоне скоростей движения.
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2015/1
56
Современные технологии - транспорту
Массовое применение вентильных двигателей в нашей стране позволит накопить достаточный опыт проектирования и эксплуатации полностью отечественных тяговых электромашинно-полупроводниковых комплексов.
Заключение
Можно сделать следующие выводы.
ВТД с преобразователями тока разработаны преимущественно для замены коллекторных двигателей постоянного тока в тяговом приводе электровозов. Имеющиеся образцы ЭПС с ВТД имеют как индивидуальный, так и групповой привод, как опорно-осевое подвешивание ТЭД, так и опорно-рамное; охвачено большинство существующих систем тягового электроснабжения.
ЭМП ВТД преимущественно представляет собой синхронную машину нормального исполнения с фазной обмоткой на статоре и обмоткой возбуждения, размещенной на роторе в оси d и питаемой через контактные кольца, а также с демпферной обмоткой. Типы фазных обмоток, число полюсов индуктора, а также форма их выраженности отличаются в зависимости от страны-производителя, вида тягового привода, типа подвешивания ТЭД.
В существующих ВТД применяются преобразователи тока на базе однооперационных тиристоров. Два основных типа преобразователей различаются в основном принципом коммутации тиристоров при пуске и малых скоростях движения.
Возможная область применения ВТД на современном этапе на отечественных железных дорогах - электровозы с индивидуальным приводом осевой мощностью выше 1000 кВт. Наиболее быстро привод таких электровозов можно создать на основе ВТД с преобразователем тока по схеме ЯЗПТ, максимально привлекая опыт проектирования отечественного электровоза ЭП200. Производство ЭПС с ВТД позволит в перспективе освоить про-
изводство полностью отечественного ЭПС с бесколлекторными двигателями.
Библиографический список
1. Конструкционные параметры вентильного тягового двигателя / А. С. Курбасов, Н. К. Иванченко, В. А. Ерманченко // Перспективный электроподвижной состав : сб. ст. / под ред. О. А. Некрасова. - М. : Транспорт, 1970. - С. 28-33. - (Тр. ЦНИИ МПС ; вып. 416).
2. Вентильные двигатели и их применение на электроподвижном составе / под ред. Б. Н. Тихме-нева. - М. : Транспорт, 1976. - 280 с.
3. Brun D. Why the French chose synchronous motors // Railway Gazette Int. - 1985. - № 2. - P. 130134.
4. Исследование искусственной коммутации тока в тяговом вентильном двигателе / В. А. Сенаторов, Н. Н. Горин, В. А. Кучумов // Повышение тягово-энергетических и эксплуатационных качеств электроподвижного состава / под ред. О. А. Некрасова. - М. : Транспорт, 1977. - С. 118-138. - (Тр. ЦНИИ МПС; вып. 576).
5. Возможности повышения тяговых свойств электроподвижного состава с вентильными двигателями / Г. И. Колпахчьян, В. Д. Тулупов // Электричество. - 1976. - № 4. - С. 34-39.
6. Сравнение синхронного тягового двигателя с двигателями других типов / А. Барраль // Железные дороги мира. - 1984. - № 3. - С. 28-33.
7. Применение асинхронных и синхронных тяговых двигателей / И. Машфер-Тассэн, А. Гаш // Железные дороги мира. - 1986. - № 12. - С. 9-16.
8. Сравнительное исследование электровозов с бесколлекторными тяговыми двигателями, асинхронными и вентильными / В. А. Кучумов, Н. Н. Горин, В. Д. Кондрашов, В. А. Сенаторов // Параметры перспективных электровозов и вопросы электрической тяги / под ред О. А. Некрасова. - М. : Транспорт, 1978. - С. 85-122. - (Тр. ЦНИИ МПС ; вып. 597).
9. Тяговый электропривод с микропроцессорной системой управления электровоза ЭП200 при применении усовершенствованных алгоритмов управления / Г. И. Колпахчьян, А. В. Лебедев, Е. М. Ефимов, Е. Ю. Парнюк // Вестн. ВЭлНИИ. -2006. - Вып. 1 (50). - С. 80-90.
2015/1
Proceedings of Petersburg Transport University
