CC BY
99
Современные технологии - транспорту УДК 629.423.2
1 9 3
А.-Я. Ю. Пармас, С. С. Чернов
ВЫБОР СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ЭЛЕКТРОПОЕЗДА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Многолетняя эксплуатация электропоездов переменного тока сопровождается отказами вспомогательных асинхронных двигателей. На примере анализа режимов работы мотор-компрессора авторы определяют возможные причины этих отказов и предлагают устранить их путем нормализации системы питания вспомогательных электродвигателей.
электропоезд переменного тока, вспомогательные электроприводы, асинхронный двигатель, преобразователь, система питания, схемотехническое моделирование, электромагнитные процессы.
Введение
Система электрической тяги однофазного тока промышленной частоты на железных дорогах России и других стран получила широкое распространение благодаря хорошим тягово-энергетическим и
регулировочным свойствам коллекторных электродвигателей пульсирующего тока. В то же время постоянной проблемой остается применение во вспомогательных электроприводах электроподвижного состава (ЭПС) казалось бы простых и надёжных трёхфазных асинхронных двигателей (АД). В отличие от общепромышленных сетей, где допустимые отклонения напряжения находятся в пределах (-5%, +10%), напряжение на токоприёмнике ЭПС однофазного переменного тока изменяется в пределах ±16% и в особых случаях - до минус 24% [1].
Конструкция общепромышленных АД на такие отклонения не рассчитана. Это несоответствие возможно устранить проектированием АД в специальном тяговом исполнении. Рассмотрены особенности работы АД вспомогательных электроприводов на примере электропоезда ЭД9М и возможные схемные решения названных проблем с учётом современного уровня развития средств управления подобными электроприводами.
1 Характеристика существующей системы вспомогательных электроприводов
Преодоление энергетической несовместимости трёхфазных АД с однофазной системой их питания оказалось ещё более трудной проблемой.
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4
Современные технологии - транспорту
Принципиально эту проблему так и не удалось полностью решить с помощью электромеханического расщепителя фаз (РФ) даже с дополнительными симметрирующими конденсаторами [2]. Это вполне объяснимо из-за небаланса поступающей из тяговой сети и требуемой энергии: поступает энергия 100-герцовыми дискретными во времени порциями, а трёхфазные АД преобразуют в полезную механическую работу только постоянную составляющую этой энергии. При этом высшие гармонические составляющие поступающей из однофазной сети энергии выделяются в виде потерь. Решение проблемы возможно при использовании в системе питания АД накопителя энергии.
Анализ отказов электрических машин электропоездов серии ЭД9 за 2005 год показал, что величина отказов вспомогательных машин на 106 км пробега (0,93 отказа) более чем в два раза превышает аналогичный показатель для тяговых коллекторных электродвигателей (ТЭД) пульсирующего тока (0,44 отказа) несмотря на тяжёлые режимы работы ТЭД (табл. 1) [3].
ТАБЛИЦА 1. Отказы электрических машин электропоездов ЭД9 (всех индексов)
в 2005 году на 106 км пробега
АРФ Двигатель компрессора МАК-160М6, 5 кВт Двигатели вентиляторов, 1,5 кВт Электронасос, 0,8 кВт Тяговые двигатели ТЭД-3У1, 220 кВт
0,69 0,14 0,032 0,13 0,44
Упрощённая схема системы питания вспомогательных АД на электропоезде показана на рисунке 1. Асинхронный расщепитель фаз (АРФ) присоединён выводами двух фаз ко вторичной обмотке тягового трансформатора через последовательный тиристорный стабилизатор напряжения (ТСН) с двусторонней проводимостью. Тиристоры имеют фазовое управление средним значением каждого полупериода напряжения питания. Управление контакторами приводов компрессора и маслонасоса автоматическое.
В таблице 2 приведены данные применяемых на электропоезде вспомогательных электрических машин. Благоприятным отличием этих вспомогательных электроприводов от аналогичных на отечественных электровозах переменного тока является самовентиляция тяговых электродвигателей электропоездов, что исключает необходимость моторвентиляторов для этой цели.
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4
Современные технологии - транспорту
1 95
Рис. 1. Существующая схема питания вспомогательных электроприводов электропоезда ЭД9М: Тр - трансформатор; АРФ - асинхронный расщепитель фаз;
ТСН - тиристорный стабилизатор напряжения; МК, МН, МВ1-МВ4 -электродвигатели компрессора, масляного насоса и вентиляторов; К, КМК, КНТ,
КМВ1,
КМВ2 - контакторы
ТАБЛИЦА 2. Номинальные данные вспомогательных электрических машин электропоезда ЭД9М
Наименование данных Величины технических данных электрических машин
АРФ МАК-160М6 АИР-80В4 2ТТ-16/10
Количество машин в секции 1 1 4 1
Номинальное линейное напряжение, В 220 220 220 220
Номинальная мощность, кВт 18 5 1,5 0,8
Номинальный фазный ток, А Н< 185 12,9 3,51 2,0
Номинальная частота вращения, об/мин 1500** 960 1395 2900
Соединение обмоток статора Y Д Д Д
Номинальный КПД, % 56 81 78
Номинальный cos ф 0,7 0,725 0,83
Кратность пускового момента 4,4 2,2
Кратность максимального момента 4,7 2,2
Кратность пускового тока 4,2 7,5 5,5
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4
Современные технологии - транспорту
Момент инерции двигателя, кг-м2
0,18
0,0033
Примечание: * ток фазы С1; синхронная скорость.
2 Выбор и анализ электромагнитных процессов улучшенной системы питания вспомогательных электроприводов
Стремление повысить надёжность вспомогательных приводов приводит к вариантам альтернативных схем их питания, показанных на рисунке 2.
а)
б)
~25 кВ
~25 кВ
CF1
Ч> T1
—
FU1
сн-
Рис. 2. Альтернативные схемы питания вспомогательных АД: а - конденсаторно-дроссельная схема с тиристорным стабилизатором; б - схема питания от преобразователя частоты
На рисунке 2, а показана конденсаторно-дроссельная схема питания АД мотор-компрессора [4]. Симметрирующие конденсаторы С1 и С2 вместе с реактором L1 выполняют функции расщепителя фаз. Включенный последовательно однофазный тиристорный стабилизатор является для ЭД9М традиционным, компенсирующим изменение напряжения контактной сети. На рисунке 2, б приведена схема питания вспомогательного АД от транзисторного преобразователя частоты со звеном стабилизированного постоянного напряжения, энергетически совместимого с трёхфазным АД.
Методом схемотехнического моделирования [5] выполнен расчет электромагнитных процессов в АД привода компрессора. Эквивалентные
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4
Современные технологии - транспорту
1 9 7
расчетные электрические схемы АД и нагрузки приведены на рисунке 3, а,
б. Параметры расчетной модели сведены в таблицу 3.
Электродвижущие силы фаз ротора (рис. 3, а) вычисляются по формулам:
~ ~yjb ^2Ь ~?2с^2 ^ь ~ ^1с^12 5
^ (he ha)L2+(i\c ha) ^12 ’
(1)
е^С (ha hb)L2+(ha hb)L\2 ■
а)
б)
J
rm.
► Q
©
Рис. 3. Эквивалентные электрические схемы трёхфазного АД (а) и упрощённой модели его механической нагрузки (б) для компьютерного моделирования работы привода; e2a, e2b, e2c -ЭДС вращения фаз ротора; EM -электромагнитный момент АД, Нм (В); R -сопротивление нагрузки, Вт-с2 (Ом); Q - частота вращения вала АД, с-1 (А); J - момент инерции электропривода, приведённый к валу АД, кг-м2
(Гн)
Электромагнитный момент трёхфазного АД:
рЬи^Ъ
EM
2
ha(hb he) ha(hb he)
(2)
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4
Современные технологии - транспорту
где p - число пар полюсов АД. В формулах (1) ю = pQ - частота вращения ротора АД, эл. рад/с; L2 = L1o + L12.
Принято, что сопротивление R = R(Q) изменяется с изменением частоты вращения АД по формуле:
R = Rq +QQ + C2Q2, (3)
где Ro - пороговое сопротивление при трогании; С\, С2 - постоянные коэффициенты сопротивления нагрузки агрегата (компрессора, вентилятора, насоса). Величина активного сопротивления нагрузки для компрессора R(Q) = R0 +C\Q, для вентилятора (насоса) R(Q) = R0 + C2Q2. Номинальная величина сопротивлении нагрузки Rh = P2h/Qh2 + Ro, где Ro ~ 0,1Rh.
Момент инерции электропривода состоит из суммы двух составляющих: момента инерции ротора АД (табл. 2) и момента инерции нагрузки, приведённого к валу АД.
Параметры модели электропривода мотор-компрессора приведены в таблице 3.
ТАБЛИЦА 3. Параметры модели электропривода мотор-компрессора
Наименование параметра Обозначение на рис. 3 Единица измерения Величина параметра
Активное сопротивление статора Ri Ом 0,45
То же ротора приведённое R2 Ом 0,4
Индуктивность рассеяния статора L1a Гн 0,002291
То же ротора приведённая L2a Гн 0,002355
Взаимная индуктивность L12 Гн 0,121910
Активное сопротивление нагрузки номинальное Rh Вт-с2 (Ом) 0,5
То же пороговое R0 Вт-с2 (Ом) 0,05
Коэффициенты нагрузки Ci, C2 Вт-с3 (Ом-с), Вт-с4 (Ом-с2) 0,004420
Момент инерции электропривода J кг-м2 (Гн) 0,2
Моделирование выполнено для следующих режимов и схем питания мотор-компрессора:
1) номинального при питании от трёхфазной сети 3*220 В;
2) номинального при питании от однофазной сети 220 В по конденсаторно-дроссельной схеме;
3) номинального при питании от однофазной сети 220 В по конденсаторной схеме [6];
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4
Современные технологии - транспорту
1 9 9
4) пускового при питании от трёхфазной сети 3*220 В (прямой пуск);
5) пускового при питании от однофазной сети 220 В по конденсаторной схеме;
6) частотного пуска при питании от трёхфазного инвертора с регулируемыми напряжением 0...220 В и частотой 0...50 Гц.
Сравнительные данные, полученные в результате моделирования, приведены в таблице 4. Осциллограммы электромагнитных процессов для двух наиболее характерных режимов 2 и 6 (см. выше) работы модели мотор-компрессора приведены соответственно на рис. 4 и 5.
ТАБЛИЦА 4. Результаты моделирования режимов работы АД привода компрессора
Режим работы Способ питания АД (номер режима) \0 о4 <о X X <и * л ч о и О К н" X <и о Напряжения фаз, В Токи фаз, А
Ua Ub Uc Ia Ib Ic
Номинальный От сети 3*220 В (1) 5 67,7 220 220 220 12,9 12,9 12,9
От сети 1*220 В (2), С=373 мкФ 5 67,3 219 219 219 12,9 12,9 12,9
От сети 1*220 В (3), С=100 мкФ 3 55 220 221 221 12 13.9 13.9
Пусковой От сети 3*220 В (4) 100 229 220 220 220 96,5 96,5 96,5
От сети 1*220 В (5), спуск=750 мкФ 100 139 220 87 108 96 57 57
От инвертора 3*(0...220) В, (0...50) Гц (6) 100- 20 200 25-220 25-220 25-220 40 40 40
По результатам моделирования, приведенным в таблице 4 и на рисунках 4 и 5, можно констатировать следующее:
при питании мотор-компрессора от стабилизатора напряжения по конденсаторно-дроссельной схеме при предельном уровне напряжения контактной сети наблюдается существенное искажение формы кривых напряжения и тока; расчёт показал, что коэффициент гармоник кривой фазного напряжения составляет 27%; при этом кривая вращающего
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4
Современные технологии - транспорту
момента пульсирует с частотой 100 Гц с отклонениями (+115, -50) Нм при номинальной величине 50 Нм;
при частотном пуске от инвертора добротность пуска, то есть отношение пускового момента к пусковому току в относительных единицах, больше 1, что недостижимо при других режимах и схемах пуска.
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4
Современные технологии - транспорту
2 0 1
400
В
-400
Напряжение и ток фазы С
UcJ
- ^ \ ^ ^ /1с -
1 1
■100
А
-100
Рис. 4. Установившийся номинальный режим электродвигателя компрессора
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4
Современные технологии - транспорту
МАК-160М6 при питании от однофазного тиристорного стабилизатора напряжения по конденсаторно-дроссельной схеме при напряжении контактной сети 29 кВ
400
-400
Ток фазы а
Мощность Р1
Рис. 5. Частотный пуск мотор-компрессора от статического преобразователя
Заключение
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4
Современные технологии - транспорту
203
1. Повышение надёжности вспомогательных АД электропоезда связано с нормализацией схемы их питания от однофазной тяговой сети. Частотный пуск и работа асинхронного электродвигателя привода компрессора при питании от стабилизированного по звену постоянного напряжения статического преобразователя соответствует наилучшим условиям функционирования этого агрегата.
2. Для питания вспомогательных АД электропоезда требуется разработка статического преобразователя частоты со стабилизированным звеном постоянного напряжения.
Библиографический список
1. Разработка статической вентильной системы питания вспомогательных цепей : научно-технический отчет № 75043805 по теме 603 / В. В. Колесников, Е. А Крутяков, Б. А. Трифонов. - Л. : ЛИИЖТ, 1976. - 109 с.
2. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации. -МПС РФ, 2002. - 190 с.
3. Вспомогательные машины электровозов переменного тока / О. А. Некрасов, А. М. Рутштейн. - М. : Транспорт, 1988. - 223 с.
4. Технический анализ порч, неисправностей и неплановых ремонтов электропоездов за 2005 год / ОАО РЖД. - М., 2006. - 32 с.
5. Конденсаторные двигатели / Г. Б. Меркин. - М. ; Л. : Энергия, 1966. - 186 с.
6. Программа анализа нелинейных радиоэлектронных схем на ЕС ЭВМ / Н. Н. Удалов, В. Д. Разевиг. - М. : Изд. МЭИ, 1981. - 77 с.
7. Трёхфазный асинхронный двигатель в схеме однофазного включения с конденсатором / Н. Д. Торопцев. - М. : Энергоатомиздат, 1988. - 95 с.
Статья поступила в редакцию 07.05.2009;
представлена к публикации членом редколлегии А. И. Хожаиновым.
УДК 629.422(075)
А. А. Тимофеев, О. К. Балахонов
АНАЛИЗ ПОТЕРИ ТЕПЛОТЫ ОТ ОХЛАЖДЕНИЯ ПАРОВОЗА
Проведен анализ потери теплоты от охлаждения паровоза, выделены составляющие этой потери. Впервые произведено тепловизионное обследование паровоза и показано распределение теплоты по его наружным поверхностям. Данная работа является первым шагом к использованию современных приборов диагностики на паровозах.
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4
