Способ питания асинхронных двигателей трехфазного переменного тока системы вспомогательных машин электровоза
SUPPLY METHOD OF THREE-PHASE ALTERNATING CURRENT ASYNCHRONOUS MOTORS OF ELECTRIC LOCOMOTIVE AUXILIARY MACHINES SYSTEM

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электромеханическим комплексам и системам, и может быть использовано в системе питания асинхронных двигателей трехфазного переменного тока вспомогательных машин, на электроподвижном составе (электровозах и электропоездах), получающих питание от контактной сети однофазного переменного тока.
Эксплуатация электровозов переменного тока, имеющих систему вспомогательных машин на основе асинхронных двигателей трехфазного переменного тока, сопровождается не высокой энергетической эффективностью, выраженной в низком коэффициенте мощности, достаточно высоким коэффициентом искажения синусоидальности питающего напряжения на первичной обмотке тягового трансформатора электровоза, а также высоким коэффициентом несимметрии трехфазного питающего напряжения асинхронных двигателей вспомогательных машин. Это вызывает значительное потребление реактивной энергии из сети.
Известны различные пути повышения эффективности работы электровоза переменного тока с системой питания асинхронных двигателей вспомогательных машин в виде снижения коэффициента искажения в обмотке собственных нужд и коэффициента несимметрии в 3-фазной системе питания асинхронных двигателей. Коэффициенты искажения синусоидальности и несимметрии влияют на повышение энергетической эффективности, но это не решает в полной мере задачу повышения коэффициента мощности. Однако улучшение коэффициента мощности электровоза до сих пор не выполнено и требует дальнейшего решения. Одним из путей повышения энергетической эффективности является повышение коэффициента мощности электровоза путем снижения угла сдвига фаз между током и напряжением в первичной обмотке тягового трансформатора. Таким образом, проблема повышения энергетической эффективности путем повышения коэффициента мощности требует дальнейшего решения.
Известен способ питания асинхронных двигателей трехфазного переменного тока системы вспомогательных машин электровоза [Некрасов О.А. Вспомогательные машины электроподвижного состава переменного тока. М.: Транспорт, 1967. 168 с.], в состав которого входит: тяговый трансформатор, выпрямительно-инверторный преобразователь, тяговые двигатели, электромеханический фазорасщепитель и асинхронные двигатели, вращающие вспомогательные машины электровоза. Однофазный тяговый трансформатор имеет первичную обмотку, подключенную к тяговой сети, и две вторичные обмотки (тяговую и собственных нужд), подключенные к тяговому электрооборудованию электровоза. К тяговой обмотке подключены через выпрямительно-инверторный преобразователь тяговые двигатели, а к обмотке собственных нужд подключены через электромеханический фазорасщепитель асинхронные двигатели вспомогательных машин. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором вращают вспомогательные машины (вентиляторы, компрессоры, насосы) электровоза.
Электромеханический фазорасщепитель представляет собой совмещенную электрическую машину, состоящую из однофазного асинхронного двигателя и трехфазного синхронного генератора. Две из трех статорных обмоток асинхронного двигателя подключены к однофазной обмотке собственных нужд тягового трансформатора, а третья обмотка подключена к ней через фазосмещающее устройство. Ротор фазорасщепителя выполнен в виде короткозамкнутой беличьей клетки и вращается с синхронной скоростью генератора. Электродвижущая сила генератора наводится во всех трех фазах машины. Фазы векторов электродвижущей силы определяются пространственным расположением фаз обмотки статора.
Способ питания заключается в том, что вторичная обмотка собственных нужд подает напряжение на две из трех фазных статорных обмоток асинхронного двигателя непосредственно, а на третью обмотку через фазосмещающее устройство в виде пускового конденсатора. В результате в асинхронном двигателе возникает вращающееся магнитное поле, которое создает вращение его ротора. Вращение ротора фазорасщепителя при подключении во время пуска третьей (генераторной) обмотки синхронного генератора создает в статоре фазорасщепителя трехфазную систему напряжений, подаваемую на статорные обмотки асинхронных двигателей вспомогательных машин.
Достоинство данного способа питания асинхронных двигателей вспомогательных машин заключается в том, что электромашинный фазорасщепитель одновременно исполняет роль пускового асинхронного двигателя, обеспечивающего большой пусковой момент, и трехфазного синхронного генератора напряжения, формирующего трехфазную систему питания асинхронных двигателей вспомогательных машин. Большой пусковой момент сокращает время пуска и снижает количество потребляемой энергии асинхронных двигателей вспомогательных машин во время пуска.
К недостаткам аналога следует отнести то, что вспомогательные трехфазные асинхронные двигатели всегда работают в номинальном режиме без возможности регулирования скорости вращения, отсутствует плавный пуск асинхронных двигателей. Данный способ питания оказывает негативное влияние на энергетические показатели электровоза: имеет низкий коэффициент мощности и возникновение несимметрии напряжений при изменении нагрузки. Все это отрицательно сказывается на работе асинхронных двигателей, вызывая их частые повреждения.
Наиболее близким к заявленному решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является способ питания асинхронных двигателей трехфазного переменного тока системы вспомогательных машин электровоза [Тишкин А.А. Энергосбережение в системах питания вспомогательных машин электровозов переменного тока серии «Ермак» за счет внедрения ШПВМ-250-У2 / А.А. Тишкин, А.А. Курганов, А.А. Калюжный, И.В. Синявский // Электровозостроение: сб. научн. тр. / Всерос. н.-и., проектноконструк. ин-т электровозостроения (ОАО «ВЭлНИИ»). - Новочеркасск, 2012. - Т. 63. - С. 63-74] с небольшими по величине коэффициентами искажения синусоидальности и несимметрии. В этом способе осуществляется преобразование питающего напряжения однофазного переменного тока тяговой сети в трехфазный переменный ток питания асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором вспомогательных машин электровоза переменного тока.
Способ питания асинхронных двигателей трехфазного переменного тока реализуется в известной системе вспомогательных машин электровоза переменного тока, которая содержит: однофазный силовой трансформатор с первичной обмоткой, подключенной к тяговой сети, и двумя вторичными обмотками - тяговой и собственных нужд, при этом тяговая вторичная обмотка предназначена для питания тяговых двигателей и подключена к ним через выпрямительно-инверторный преобразователь, а вторичная обмотка собственных нужд предназначена для питания трехфазных асинхронных двигателей вспомогательных машин электровоза и подключена к ним через последовательно включенный сглаживающий реактор, активный выпрямитель, к выходу которого параллельно присоединены сглаживающий конденсатор, резонансный фильтр и автономный инвертор напряжения, от которого получают питание асинхронные двигатели трехфазного переменного тока.
Способ питания асинхронных двигателей трехфазного переменного тока заключается в том, что обмотка собственных нужд подает напряжение на активный выпрямитель, с выхода которого пульсирующий ток сглаживается с помощью резонансного LC-фильтра и подается на вход трехфазного мостового инвертора напряжения на IGBT модулях, на выходе которого формируется трехфазное переменное синусоидальное напряжение в соответствии с управляющими сигналами согласно закону регулирования U/f.
Достоинством прототипа является снижение коэффициентов искажения синусоидальности и несимметрии напряжения, и возможность регулирования скорости вращения и поддержание номинального значения момента вращения асинхронных двигателей.
Недостатком данного способа питания асинхронных двигателей является то, что в номинальном режиме работы частотного преобразователя не достигается высокое значение коэффициента мощности. Кроме того при регулировании скорости вращения асинхронных двигателей происходит регулирование трехфазного напряжения и частоты тока инвертора, в результате которого будут увеличиваться искажения синусоидальности напряжения в питающей сети.
Задача решаемая изобретением, заключается в разработке способа питания асинхронных двигателей трехфазного переменного тока системы вспомогательных машин электровоза с высоким коэффициентом мощности в режимах тяги и рекуперативного торможения, в котором осуществляется целенаправленное регулирование фазы входного тока активного выпрямителя преобразователя частоты, подключенного к обмотке собственных нужд вторичной обмотки трансформатора, при котором фаза тока первичной обмотки трансформатора максимально приближается к 0 град. в режиме тяги и рекуперативного торможения электровоза.
Для решения поставленной задачи в известном способе питания асинхронных двигателей трехфазного переменного тока системы вспомогательных машин электровоза, в состав которой входит однофазный силовой трансформатор с первичной обмоткой, подключенной к тяговой сети, и вторичной обмоткой - обмоткой собственных нужд, которая подключена к асинхронным двигателям трехфазного переменного тока через последовательно включенный сглаживающий реактор, активный выпрямитель, к выходу которого параллельно присоединены сглаживающий конденсатор, резонансный фильтр и автономный инвертор напряжения, от которого, получают питание асинхронные двигатели трехфазного переменного тока, заключающемся в подаче напряжения с обмотки собственных нужд на активный выпрямитель, с выхода которого пульсирующий ток сглаживается с помощью резонансного LC-фильтра и подается на вход трехфазного мостового инвертора напряжения на IGBT модулях, на выходе которого формируется трехфазное переменное синусоидальное напряжение в соответствии с управляющими сигналами согласно закону регулирования U/f, увеличение коэффициента мощности электровоза в режимах тяги и рекуперативного торможения при регулировании входного тока активного выпрямителя осуществляется тем, что фаза тока первичной обмотки тягового трансформатора приближается к нулю градусов в режимах тяги и рекуперативного торможения путем целенаправленного регулирования фазы входного тока активного выпрямителя, при котором происходит подача запирающих сигналов управления на транзисторные плечи активного выпрямителя с опережением относительно конца полупериода напряжения на 90 градусов, в результате чего обеспечивается опережающий фазовый сдвиг входного тока активного выпрямителя на 90 градусов, при этом с целью обеспечения синусоидальной формы тока в обмотке собственных нужд входной ток активного выпрямителя корректируется последовательно соединенными между собой конденсаторами корректирующего блока, который параллельно подключен к выходу активного выпрямителя и к входу автономного инвертора напряжения, причем средняя точка конденсаторов корректирующего блока подключена к нулевому выводу вторичной обмотки собственных нужд.
Целенаправленное регулирование фазы входного тока активного выпрямителя, при котором происходит подача запирающих сигналов управления на транзисторные плечи активного выпрямителя с опережением относительно конца полупериода напряжения на 90 градусов, в результате чего обеспечивается опережающий фазовый сдвиг входного тока активного выпрямителя на 90 градусов, при этом с целью обеспечения синусоидальной формы тока в обмотке собственных нужд входной ток активного выпрямителя корректируется последовательно соединенными между собой конденсаторами корректирующего блока, который параллельно подключен к выходу активного выпрямителя и к входу автономного инвертора напряжения, причем средняя точка конденсаторов корректирующего блока подключена к нулевому выводу вторичной обмотки собственных нужд, отличает заявляемое решение от прототипа. Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «новизна».
Благодаря целенаправленному регулированию фазы входного тока активного выпрямителя, при котором происходит приближение фазы тока первичной обмотки тягового трансформатора к нулю градусов в режимах тяги и рекуперативного торможения, осуществляется достижение высокого коэффициента мощности электровоза в режимах тяги и рекуперативного торможения.
1ВИП
1ОСН
1ОСН
1
1ВИП
1ОСН
11
1ОСН
1
1ВИП
11
Это обусловлено следующим, в режиме тяги электровоза (рис. 3; а, б) ток I в тяговой обмотке трансформатора и ток I в обмотке собственных нужд имеют индуктивный характер. Работа системы вспомогательных машин обеспечивает отставание тока I относительно напряжения U на некоторый угол. При геометрическом суммировании векторов токов I и I получается результирующий вектор тока I первичной обмотки трансформатора с увеличенным углом сдвига фаз ϕ. В итоге из сети потребляется значительная реактивная мощность индуктивного характера. Для повышения коэффициента мощности электровоза необходимо не только снизить до нуля потребляемую вспомогательными машинами реактивную мощность, но и изменить ее характер с индуктивного на емкостный. В результате ток в обмотке собственных нужд трансформатора I будет опережать по фазе напряжение U и частично компенсировать индуктивную составляющую тока I в тяговой обмотке. При этом изменится результирующий вектор тока I' первичной обмотки трансформатора, что приведет к снижению угла сдвига фаз ϕ' и повышению коэффициента мощности электровоза.
1ВИП
1
1ВИП
1ОСН
1
1ВИП
1ОСН
11
1ОСН
1
1ВИП
11
В режиме рекуперативного торможения электровоза (рис. 3; в, г) ток I в тяговой обмотке трансформатора смещен относительно напряжения U, в действительности ток I в тяговой обмотке трансформатора имеет емкостной характер. Работа системы вспомогательных машин обеспечивает отставание тока I относительно напряжения U на некоторый угол. При геометрическом суммировании векторов токов I и I получается результирующий вектор тока I первичной обмотки трансформатора с увеличенным углом сдвига фаз ϕ. В итоге из сети потребляется значительная реактивная мощность индуктивного характера. Для повышения коэффициента мощности электровоза в режиме рекуперативного торможения необходимо не только снизить до нуля потребляемую вспомогательными машинами реактивную мощность, но и изменить ее характер с индуктивного на емкостный. В результате ток в обмотке собственных нужд трансформатора I будет опережать по фазе напряжение U и частично компенсировать индуктивную составляющую тока I в тяговой обмотке. При этом изменится результирующий вектор тока I' первичной обмотки трансформатора, что приведет к снижению угла сдвига фаз ϕ' и повышению коэффициента мощности электровоза.
Причинно-следственная связь «целенаправленное регулирование фазы входного тока активного выпрямителя, при котором происходит подача запирающих сигналов управления на транзисторные плечи активного выпрямителя с опережением относительно конца полупериода напряжения на 90 градусов, в результате чего обеспечивается опережающий фазовый сдвиг входного тока активного выпрямителя на 90 градусов, при этом с целью обеспечения синусоидальной формы тока в обмотке собственных нужд входной ток активного выпрямителя корректируется последовательно соединенными между собой конденсаторами корректирующего блока, который параллельно подключен к выходу активного выпрямителя и к входу автономного инвертора напряжения, причем средняя точка конденсаторов корректирующего блока подключена к нулевому выводу вторичной обмотки собственных нужд - увеличение коэффициента мощности электровоза» явно не вытекает из существующего уровня техники и является новой.
Наличие новой причинно-следственной связи «существенные отличительные признаки - результат» свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
На фиг. 1 представлена блочная схема системы вспомогательных машин электровоза по заявляемому способу питания асинхронных двигателей переменного тока.
На фиг. 2 показаны процессы работы по заявленному способу управления
На фиг. 3 показаны векторные диаграммы напряжения и тока первичной обмотки тягового трансформатора и тока обмотки собственных нужд электровоза в режимах тяги (а - прототип, б - заявляемое решение) и рекуперативного торможения (в - прототип, г - заявляемое решение).
2
2
3
4
Заявляемый способ питания асинхронных двигателей трехфазного переменного тока системы вспомогательных машин электровоза с высоким коэффициентом мощности в режимах тяги и рекуперативного торможения, в котором осуществляется целенаправленное регулирование фазы входного тока активного выпрямителя преобразователь частоты, подключенного к обмотка собственных нужд вторичной обмотки трансформатора, при котором фаза тока первичной обмотки трансформатора максимально приближается к 0 град в режиме тяги и рекуперативного торможения электровоза, осуществляется например, в устройстве, содержащем однофазный трансформатор, систему питания тяговых двигателей и систему питания асинхронных двигателей вспомогательных машин. Система питания вспомогательных машин содержит обмотку собственных нужд, активный выпрямитель, построенный по мостовой схеме с использованием современной элементной базы - IGBT транзисторов, микропроцессорную системой управления, резонансный LC-фильтр, дополнительные корректирующие конденсаторы С и С, трехфазный инвертор напряжения с системой управления.
1
1
2
2
3
4
Блочная силовая схема электровоза переменного тока, представленная на фиг. 1, содержит: однофазный тяговый трансформатор, систему питания тяговых двигателей и систему питания асинхронных двигателей вспомогательных машин. Тяговый трансформатор содержит: первичную обмотку 1 и две вторичные обмотки - тяговую обмотку 2 и обмотку собственных нужд 3. Система питания тяговых двигателей содержит выпрямительно-инверторный преобразователь 4 (ВИП) и тяговые двигатели 5. Система питания вспомогательных машин, содержит сглаживающий реактор L, активный выпрямитель 6, с его системой управления 7 (СУ), сглаживающий конденсатор С, резонансный фильтр LC и корректирующий блок 8, состоящий из конденсаторов С и С, автономный инвертор напряжения 9 (АИН), трехфазные асинхронные двигатели вспомогательных машин 10.
2
2
1
3
4
Тяговая обмотка 2 соединена с выпрямительно-инверторным преобразователем. В свою очередь выпрямительно-инверторный преобразователь 4 подключен к тяговым двигателям 5. Обмотка собственных нужд 3 однофазного силового трансформатора соединена с активным выпрямителем 6, который имеет систему управления 7. Автономный инвертор напряжения 9 своим входом подключен к активному выпрямителю 6 через резонансный фильтр LC, сглаживающий конденсатор С и корректирующие конденсатор С и С. Выход автономного инвертора напряжения 9 соединен с трехфазными асинхронными двигателями вспомогательных машин 10.
Способ питания асинхронных двигателей трехфазного переменного тока системы вспомогательных машин электровоза с высоким коэффициентом мощности заключается в целенаправленном регулировании фазы входного тока активного выпрямителя, при котором происходит приближение фазы тока первичной обмотки тягового трансформатора к нулю градусов, путем регулирования углов закрытия плеч активного выпрямителя с опережением на 90 град. относительно конца полупериода напряжения сети в режимах тяги и рекуперативного торможения.
Работа силовой схемы электровоза переменного тока осуществляется следующим образом. В режиме электрической тяги электровоза основная часть энергии потребляется тяговыми двигателями 5 из сети через первичную 1, тяговую вторичную обмотку трансформатора 2 и выпрямительно-инверторный преобразователь 4. Кроме того, из сети также потребляется энергия для трехфазных асинхронных двигателей 10. В режиме рекуперативного торможения тяговыми двигателями основная часть энергии передается в контактную сеть (первичную обмотку трансформатора, а устройствами 10 также потребляется.
2
2
1
3
4
Работа системы вспомогательных машин заключается в том, что обмотка собственных нужд 3 подает напряжение на активный выпрямитель 6, с выхода которого пульсирующий ток сглаживается с помощью резонансного LC-фильтра и сглаживающего конденсатора C. Конденсаторами С и С блока 8 корректируется форма и фаза входного тока активного выпрямителя 6. Выходное напряжение активного выпрямителя 6 подается на вход трехфазного инвертора напряжения 9 на IGBT транзисторах, на выходе которого формируется трехфазное переменное синусоидальное напряжение.
ОСН
ОСН
Активный выпрямитель 6 с помощью системы управления регулирует фазу своего входного тока, протекающего в обмотке собственных нужд 3. Система управления 7 выполняет генерацию импульсного сигнала, предназначенного для открытия и закрытия силовых транзисторов активного выпрямителя в заданные промежутки времени (интервалы). Регулирование выпрямленного напряжения активного выпрямителя 6 осуществляется путем подачи импульсов управления с фазой α=0 эл. град. в начале каждого полупериода напряжения сети на IGBT транзистор с целью его открытия и снятия этих импульсов с фазой α'=90 эл. град с целью его закрытия. Отсчет фазы снятия импульсов α' ведется от начала полупериода напряжения сети. Управляются фазы переднего и заднего фронтов выпрямленного напряжения выпрямителя. Таким образом, микропроцессорная система управления обеспечивает опережающий фазовый сдвиг потребляемого тока на 90° в режимах электрической тяги и рекуперативного торможения электровоза. То есть управляемый выпрямитель подключает нагрузку к тяговому трансформатору в заданные промежутки времени, чтобы регулировать фазу потребляемого тока. В результате будет изменен характер нагрузки с индуктивного на емкостный, благодаря чему ток нагрузки (вспомогательных машины) протекающий во вторичной обмотке трансформатора будет частично компенсировать индуктивную составляющую тока в тяговой обмотке, что приведет к повышению коэффициента мощности электровоза. При таком регулировании, посредством опережения выключения транзисторов в плечах выпрямительной схемы, можно обеспечить уменьшение угла фазового сдвига основной гармонической составляющей тока сети, что повышает коэффициент мощности электровоза (фиг. 2).
1ВИП
1ОСН
1ОСН
1
1ВИП
1ОСН
11
1ОСН
1
1ВИП
11
Векторные диаграммы процессов, представленные на рис. 3 (а, б) отражают режим тяги электровоза, В этом режиме ток I в тяговой обмотке трансформатора и ток I в обмотке собственных нужд имеет индуктивный характер. Работа системы вспомогательных машин обеспечивает отставание тока I относительно напряжения U на некоторый угол. При геометрическом суммировании векторов токов I и I получается результирующий вектор тока I первичной обмотки трансформатора с увеличенным углом сдвига фаз ϕ. В итоге из сети потребляется значительная реактивная мощность индуктивного характера. Для повышения коэффициента мощности электровоза необходимо не только снизить до нуля потребляемую вспомогательными машинами реактивную мощность, но и изменить ее характер с индуктивного на емкостный. В результате ток в обмотке собственных нужд трансформатора I будет опережать по фазе напряжение U и частично компенсировать индуктивную составляющую тока I в тяговой обмотке. При этом изменится результирующий вектор тока I' первичной обмотки трансформатора, что приведет к снижению угла сдвига фаз ϕ' и повышению коэффициента мощности электровоза.
1ВИП
1
1ВИП
1ОСН
1
1ВИП
1ОСН
11
1ОСН
1
1ВИП
11
Диаграмма процессов на фиг. 3 (в, г) отражает режим рекуперативного торможения электровоза. В этом режиме ток I в тяговой обмотке трансформатора смещен относительно напряжения U, в действительности ток I в тяговой обмотке трансформатора имеет емкостной характер. Работа системы вспомогательных машин обеспечивает отставание тока I относительно напряжения U на некоторый угол. При геометрическом суммировании векторов токов I и I получается результирующий вектор тока I первичной обмотки трансформатора с увеличенным углом сдвига фаз ϕ. В итоге из сети потребляется значительная реактивная мощность индуктивного характера. Для повышения коэффициента мощности электровоза в режиме рекуперативного торможения необходимо не только снизить до нуля потребляемую вспомогательными машинами реактивную мощность, но и изменить ее характер с индуктивного на емкостный. В результате ток в обмотке собственных нужд трансформатора I будет опережать по фазе напряжение U и частично компенсировать индуктивную составляющую тока I в тяговой обмотке. При этом изменится результирующий вектор тока I' первичной обмотки трансформатора, что приведет к снижению угла сдвига фаз ϕ' и повышению коэффициента мощности электровоза.
Процессы работы системы вспомогательных машин в режимах тяги и рекуперативного торможения электровоза, описанные в заявочных материалах были получены путем математического моделирования систем тяговой нагрузки и вспомогательных машин электровоза.
Процессы моделирования показали, что по сравнению с прототипом коэффициент мощности электровоза при применении предлагаемой системы питания вспомогательных машин при номинальной нагрузке увеличился в режиме тяги с 0,8390 до 0,8494, а в режиме рекуперативного торможения с 0,7151 до 0,7249.