Анализ способов и технических средств систем ослабления поля тяговых электрических двигателей электровозов постоянного и переменного токов

Оригинальная статья / Original article УДК 629.423.1

DOI: http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2019-3-531 -542

Анализ способов и технических средств систем ослабления поля тяговых электрических двигателей электровозов постоянного и переменного токов

© Т.В. Волчек, О.В. Мельниченко, С.Г. Шрамко, А.О. Линьков

Иркутский государственный университет путей сообщения, г. Иркутск, Россия

Резюме: Целью данной статьи является исследование различных способов реализации системы ослабления поля тяговых электродвигателей электровозов постоянного и переменного токов, выявление достоинств и недостатков. На их основании разработана и предложена система ослабления поля тяговых электродвигателей электровоза переменного тока с энергосберегающим способом управления, выполненная на базе IGBT -транзисторов. Применен метод сравнительного анализа устройств, принципов работы, а также достоинств и недостатков различных способов реализации систем ослабления поля тяговых электродвигателей электровозов постоянного и переменного тока. Рассмотрев существующие системы ослабления поля тяговых электродвигателей электровозов постоянного и переменного тока, были выявлены все их недостатки. Проанализировав современные научные труды ученых и специалистов, посвященные совершенствованию системы ослабления поля тяговых электродвигателей, можно сделать вывод, что все работы направлены на то, чтобы исключить индуктивный шунт из силовой цепи, обеспечивая надежную защиту при нестационарных режимах работы электровоза. На основании проведенного анализа недостатков различных способов реализации систем ослабления поля тяговых электродвигателей предложена усовершенствованная система, позволяющая заменить индуктивный шунт на IGBT-транзистор с энергосберегающим алгоритмом управления, способная обеспечивать надежную защиту при нестационарных режимах работы электровоза.

Ключевые слова: система ослабления поля тяговых электродвигателей, электровозы переменного и постоянного токов, индуктивный шунт, резистор ослабления поля, силовые полупроводниковые элементы, энергосберегающий способ управления

Информация о статье: Дата поступления 4 февраля 2019 г.; дата принятия к печати 14 марта 2019 г.; дата онлайн-размещения 28 июня 2019 г.

Для цитирования: Волчек Т.В., Мельниченко О.В., Шрамко С.Г., Линьков А.О. Анализ способов и технических средств систем ослабления поля тяговых электрических двигателей электровозов постоянного и переменного тока. Вестник Иркутского государственного технического университета. 2019;23(3):531—542. DOI: 10.21285/1814-3520-2019-3-531 -542

Analysis of methods and technical equipment of traction motor field attenuation systems for AC and DC electric locomotives

Tatiana V. Volchek, Oleg V. Melnichenko, Sergey G. Shramko, Aleksei O. Linkov

Irkutsk State Transport University, Irkutsk, Russia

Abstract: The purpose of this article is the study of various implementation methods of the field attenuation system of traction motors of DC and AC electric locomotives as well as identification of their advantages and disadvantages. Taking into account the discussed methods a field attenuation system of traction motors of DC and AC electric locomotives with an energy-saving control method designed on the basis of IGBT-transistors has been developed and proposed. The study uses the method of comparative analysis of devices, operation principles, advantages and disadvantages of various implementation methods of the field attenuation systems of traction motors of DC and AC electric locomotives. Consideration of the existing field attenuation systems of traction motors of DC and AC electric locomotives allowed to reveal all their shortcomings. The analysis of the modern scientific works of scientists and specialists devoted to the improvement of the field attenuation system of traction electric motors resulted in the conclusion that all the works are aimed at eliminating the inductive shunt from the power circuit providing reliable protection in non-stationary operation modes of the electric locomotive. Having considered the shortcomings of various implementation methods of the field attenuation systems of traction motors, an improved system has been proposed that allows to replace the inductive shunt with an IGBT-transistor with an energy-saving control algorithm. The system is able to provide reliable protection in non-stationary operation modes of the electric locomotive.

Keywords: attenuation system of traction motor field, AC and DC electric locomotives, inductive shunt, field reduction resistor, power semiconductor devices, energy-saving control method

Information about the article: Received February 4, 2019; accepted for publication March 14, 2019; available online June 28, 2019.

For citation: Volchek T.V., Melnichenko O.V., Shramko S.G., Linkov A.O. Analysis of methods and technical equipment of traction motor field attenuation systems for AC and DC electric locomotives. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2019;23(3):531—542. (In Russ.) DOI: 10.21285/1814-3520-2019-3-531 -542

1. ВВЕДЕНИЕ

ОАО «РЖД» является одним из крупнейших потребителей электроэнергии в России. В общем энергопотреблении железных дорог большую часть составляет расход электроэнергии на тягу поездов. При решении задач по расширению объема перевозок, наряду с ростом цен на электроэнергию, одной из важнейших задач «Энергетической стратегии холдинга «РЖД» до 2030 г.» является реализация энергосберегающих технологий, которые позволят снизить расходы электроэнергии на тягу поездов [1].

Для расширения диапазона регулирования скорости поезда на электрическом подвижном составе (ЭПС) возникает необходимость использования системы регулирования ослабления поля тяговых электродвигателей (ОП ТЭД). Благодаря этому увеличивается пропускная способность тяговых участков железной дороги, сокращается количество электровозов в эксплуатации, а также локомотивных бригад, снижается программа ремонта локомотивов и т. д. Заметим, что ОП ТЭД электровоза реализуется за счет шунтирования обмотки возбуждения (ОВ) резистором с индуктивным шунтом (ИШ) или импульсным регулированием1.

2. СИСТЕМА ОСЛАБЛЕНИЯ ПОЛЯ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ НА ЭЛЕКТРОВОЗАХ ПОСТОЯННОГО ТОКА

С 1932 г., когда был выпущен первый советский электровоз постоянного тока серии Сс11 -01 (Сурамский электровоз), одним из способов регулирования диапазона скорости являлся способ регулирования ОП ТЭД. На всех Сурамских электровозах (С, Си, Сс, ВЛ19, СК, ВЛ22), выпускаемых с 1932 по 1941 г., и на электровозе серии ВЛ22м, выпущенного после Великой Отечественной войны, система ОП ТЭД имела две ступени - 67 и 50% возбуждения, которое осуществлялось за счет шунтирования ОВ резистором с ИШ, предназначенного для улучшения переходных процессов при колебаниях напряжения на ТЭД2 [2].

При выпуске последующих электровозов серий (ВЛ8, ВЛ23, ВЛ10, ВЛ11, ЧС1, ЧС2 и др.) увеличивалось количество ступеней ОП ТЭД, которые осуществлялись при уменьшении сопротивления шунтирующего резистора с помощью контакторов345 [3, 4]. Таким образом, системы ОП ТЭД электровозов постоянного тока с коллекторными ТЭД имели от двух до пяти ступеней ОП. Допу-

1Плакс А.В. Система управления электрическим подвижным составом: учебник для вузов ж. -д. транспорта. М.: Маршрут, 2005. 360 с. / Plaks A.V. Electric rolling stock control system: a textbook for transport universities. M.: Marshrut, 2005. 360 p.

руководство по эксплуатации. Электровоз ВЛ22м: утв. Министерством путей сообщения. М., 1961. 235 с. / User's Manual. Electric locomotive VL22m: approved by the Ministry of Railways. Moscow, 1961. 235 p. Руководство по эксплуатации. Электровоз ВЛ8. М., Транспорт, 1982. 320 с. / User's Manual. Electric locomotive VL8. M., Transport, 1982. 320 p.

Руководство по эксплуатации. Электровоз ВЛ10: утв. Министерством путей сообщения. М., Транспорт, 1975. 235 с. / User's Manual. Electric locomotive VL10: approved by the Ministry of Railways. Moscow, Transport, 1975. 235 p. Руководство по эксплуатации. Электровоз ВЛ11 / Под. ред. Г.И. Чиракадзе и О.А. Кикнадзе. М., Транспорт, 1983. 464 с. / User's Manual. Electric locomotive VL11 / Under edition of G.I. Chirakadze and O.A. Kiknadze Moscow, Transport, 1983. 464 p.

стимая ступень ОП зависит от коммутационной устойчивости ТЭД и определяется при конструировании и испытании первых опытных образцов.

На примере электровозов ВЛ22м, ВЛ15 и ЧС2т на рис. 1 приведены системы с двумя, четырьмя и пятью ступенями ОП ТЭД электровозов постоянного тока соответственно.

Для обеспечения первой ступени ОП ТЭД замыкается контактор (К1) и параллельно ОВ подключается резистор ^1), рис. 1 а, Ь, c. Для обеспечения второй ступени ОП на электровозах ВЛ22м и ВЛ15 уменьшается сопротивление шунтирующего резистора ^1) при замыкании контактора (К2) рис. 1 а, Ь. Третья и четвертая ступени ОП ТЭД электровоза ВЛ15 обеспечиваются аналогично с помощью замыкания контакторов (К3, К4), рис. 1 Ь. На электровозе ЧС2т вторая ступень ОП обеспечивается при замкнутом К2, тогда параллельно ОВ подключается резистор ^2). Для обеспечения третьей ступени ОП включается К3, и параллельно ОВ подключается резистор ^3). Для обеспечения четвертой ступени ОП включены К1 -К3, тогда параллельно ОВ

подключаются резисторы ^1^3). Для обеспечения пятой ступени включены все К1 -К4 и параллельно ОВ подключаются резисторы ^1^4), это представлено на рис. 1, а также в литературных источниках2

'2 [3, 4].

3. СИСТЕМА ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ НА ЭЛЕКТРОВОЗАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

В 1938 г. был выпущен первый электровоз переменного тока ОР-22, в котором одним из способов регулирования диапазона скорости (как и на электровозах постоянного тока) являлся способ регулирования ОП ТЭД. Параллельно ОВ тЭд подключался резистор постоянной шунтировки, который обеспечивал постоянное ослабленное поле ТЭД на 10%. Система ОП ТЭД имела одну ступень - 50% возбуждения, которая осуществлялась переключателем ОП - ПШ-60. Такую же систему ОП ТЭД имели последующие электровозы серии Н-О (Новочеркасский Однофазный), впоследствии ВЛ61 (что означало Владимир Ленин, 6-ос-ный, тип 1) [2].

b

Рис. 1. Система ослабления поля тяговых электродвигателей электровозов постоянного тока: а - ВЛ22м; b - ВЛ15; c - ЧС2т Fig. 1. Traction motor field attenuation system of DC electric locomotives: a - VL22m; b - VL15; c - CHS2'

a

c

На первых двух электровозах серии Н60 (ВЛ60), выпущенных в 1957 г., количество ступеней ОП ТЭД увеличилось до четырех - 75, 60, 52 и 43% возбуждения. Начиная с электровоза ВЛ60-003, количество ступеней ОП было уменьшено с четырех до трех, изменено включение шунтирующих сопротивлений, а переключатель ПШ-60 заменен индивидуальными контакторами6. Такое устройство систем ОП ТЭД имеют все отечественные электровозы переменного тока серий ВЛ80в/и, ВЛ85, ВЛ65, ЭП1в/и, 2ЭС5К, рис. 2. Отличие систем ОП ТЭД заключается только лишь в коэффициенте ослабления возбуждения на каждой из трех ступеней ОП ТЭД678.

Устройство ОП ТЭД электровозов переменного тока состоит из резистора постоянной шунтировки (ЭД), резистора ОП (Р1) с промежуточным выводом, трех контакторов

(К1-К3) и ИШ, рис. 2. Чтобы получить несколько ступеней ОП ТЭД электровоза, необходимо ступенями изменить сопротивление Р1 с помощью К1-К3. При замыкании К1 параллельно ОВ в цепь вводится полностью весь К1. Обеспечивается первая ступень ОП ТЭД электровоза. Замкнув К2, а затем при необходимости К3, ступенями уменьшается сопротивление Р1 и обеспечивается вторая и третья ступени ОП ТЭД, со-ответственно678.

С 1964 г. начался выпуск первых пассажирских электровозов переменного тока серии ЧС4, которые имели также 3 ступени ОП - 72,6, 53 и 44%. После испытаний первых электровозов ЧС4 было внесено ряд изменений, и с 1966 г. электровозы ЧС4 имеют пять ступеней ОП - 72, 60, 51, 44 и 40%. Такую же систему ОП ТЭД имеют электровозы ЧС8, выпускаемые с 1983 г. [5, 6].

K1

4Н

ОВ

R0

О

\К2 ^К3

ИШ

yYYY\.

Рис. 2. Система ОП ТЭД электровозов переменного тока серии ВЛ80в/и, ВЛ65, ВЛ85, ЭП1в/и, 2ЭС5К Fig. 2. Traction motor field attenuation system for AC electric locomotives of VL80 v/i, VL65, VL85, EP1v/I, 2ES5K series

Руководство по эксплуатации. Электровоз ВЛ85 / Под. ред. Б.А. Тушканова, Л.А. Пушкарева, Л.А. Поздняковой. М.: Транспорт, 1992. 480 с./ User's Manual. Electric locomotive VL85/ Under edition of B.A. Tushkanov, L.A. Pushkarev, L.A. Pozdnyakova. M.: Transport, 1992. 480 p.

Руководство по эксплуатации. Электровоз ЭП1. Введ. Всерос. науч.-иссл. и проектно-конструктор. ин-том электровозостроения. 1996-2005 гг. Т. 1. / User's Manual. Electric locomotive EP1. Introduced by All-Russian scientific research and design Institute of electric locomotive engineering. 1996-2005. V.1

Руководство по эксплуатации. Электровоз 2ЭС5К. Введ. ОАО «ВЭлНИИ» 04.04.06. М.: Транспорт, 2006. Кн. 1. 249 с. / User's Manual. Electric locomotive 2ES5K. Introduced by OJSC VELNII 4 April 2006. M.: Transport, 2006. Book. 1. 249 p.

Менее глубокое ослабление поля тяговых электродвигателей электровозов переменного тока (по сравнению с электровозами постоянного тока) объясняется более сложными условиями коммутации ТЭД из-за наличия пульсирующей составляющей выпрямленного тока. Для улучшения коммутаций ТЭД электровозов переменного тока (за счет уменьшения пульсации основного магнитного потока) параллельно ОВ включается резистор постоянной шунтировки, обеспечивающий небольшое постоянное ОП. В этом заключается основное отличие систем ОП ТЭД электровозов переменного тока от электровозов постоянного тока.

Система ОП ТЭД на электровозах постоянного и переменного тока контакторно-реостатного типа. Недостатком данной системы ОП ТЭД является то, что при ее реализации имеет место повышенный расход электрической энергии на тягу поездов, при работе электровоза существенно искажается форма кривой тока тяговой сети, что вызывает ухудшение условий работы электровоза, переключение с одной ступени на другую происходит ступенчато, что всегда сопровождается резким увеличением тока электровоза. Наличие индуктивного шунта, который имеет более 100 кг медной шины, что приводит к многочисленным случаям его хищения и, соответственно, неработоспособности системы ОП, а также повышению стоимости ремонта.

4. АНАЛИЗ НАУЧНЫХ ТРУДОВ, ПОСВЯЩЕННЫХ СИСТЕМЕ ОСЛАБЛЕНИЯ ПОЛЯ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПОСТОЯННОГО ИЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКОВ

Известны научные труды ученых и специалистов, которые посвящены совершенствованию системы ОП ТЭД электровозов. Целью их исследования было исключить ИШ из силовой цепи электровоза и при этом сохранить обеспечение надежной защиты при нестационарных режимах его работы. Рассмотрим основные способы усовершенствованных систем ОП ТЭД, выявленные при анализе патентов и научных трудов.

В работе [7] предложено устройство системы ОП ТЭД на основе полупроводниковых элементов и коммутирующего конденсатора. На рис. 3 представлена система ОП ТЭД, содержащая два тиристора ^1, VS2), конденсатор (Ск), два резистора ^1, R2) и два датчика тока фЛ, DT2). Блок управления (БУ) подает сигнал управления на согласующий блок 2, который формирует отпирающий импульс на VS2. После его включения параллельно ОВ ТЭД подключается R2 и переходит в режим ОП.

При возникновении нестационарных режимов отношение напряжений (поступающих с DT1, DT2 на БУ) становится меньше установленной величины, тогда БУ подает сигнал управления на согласующий блок 1, который подает сигнал на включение VS1. Тогда VS1 подключает Ск параллельно VS2 обратной полярностью, и VS2 выключается. После этого разрывается цепь разряда конденсатора через VS1, и VS1 также выключается. Заметим, что ТЭД переходит в режим ПП. Конденсатор начинает заряжаться от преобразователя напряжения с гальванической развязкой 3 через R1.

Недостатком способа является то, что заряд конденсатора может оказаться недостаточным для выключения тиристора во время нестационарных режимов, что обусловливает низкую надежность устройства. Переключение с полного поля на ослабленное происходит ступенчато, что сопровождается резкими бросками тока электровоза.

В работе[8] предлагается устройство системы ОП ТЭД, построенное на автоматическом восстановлении заданного коэффициента ОП после нестационарного режима. На рис. 4 представлена система ОП ТЭД, содержащая два датчика тока ^1, DT2), контактор (К1), четыре резистора ^1^2) и четыре ключевых элемента (^1-^4). Система управления ОП ТЭД включает в себя счетчик импульсов, который получает сигналы с генератора импульсов 8, триггера и логического элемента И-НЕ 10 и подает сигналы на: согласующие блоки 1-4; формирователь импульсов 6; инвертор 5; логический элемент И-НЕ 7; компаратор 9, принимающий сигналы с DT1, DT2.

4

b

DT1

От источника

питания

Zh ©

Рис. 3. Система ослабления поля тяговых электродвигателей на основе тиристоров Fig. 3. Thyristor-based traction motor field attenuation system

Данное устройство работает следующим образом: при включении К1 параллельно ОВ ТЭД подключается цепь регулирования возбуждения ТЭД. С К1 подается сигнал управления на формирователь импульсов 6. После того как инверсный выход триггера устанавливается в «ноль», счетчик импульсов начинает счет, на счетный вход которого подаются импульсы с генератора импульсов 8. С приходом каждого импульса состояние счетчика импульсов увеличивается на единицу. Сигналы управления со счетчика импульсов на УТ1-УТ4 поступают через согласующие блоки 1-4. Каждому состоянию счетчика импульсов соответствует комбинация включенных и выключенных УТ1-УТ4 и Р1-Р4. С увеличением значения выходов счетчика импульсов от нуля до максимальной величины (пятнадцати) общее сопротивление Р1-Р4 линейно уменьшается. Коэффициент ОП плавно изменяется в заданном диапазоне. При достижении счетчиком импульсов значения максималь-

ной величины сигнал низкого уровня с его выхода через логический элемент И-НЕ 7 сбрасывает триггер, а счет счетчиком импульсов прекращается.

При нестационарном режиме ток якоря растет значительно быстрее тока возбуждения, это может привести к резкому уменьшению коэффициента ОП ТЭД. Для ограничения ОП ТЭД задается пороговая величина коэффициента ОП. Таким образом, при уменьшении коэффициента ОП меньше заданной величины напряжение на выходе РТ2 будет больше напряжения на выходе РТ1, на выходе компаратора 9 образуется сигнал низкого уровня, который через логический элемент И-НЕ 10 устанавливает выходы счетчика импульсов в логический «ноль» и через инвертор 5 инверсный выход триггера устанавливается в «ноль». Заметим, что ТЭД переходит в режим ПП и процесс регулирования коэффициента ОП циклически повторяется до окончания переходного процесса.

+

К1

ОВ

DT1 (

& J я

&

10

О

1

Еж

DT2

VT4

Рис. 4. Система ослабления поля тяговых электродвигателей на основе алгоритма восстановления заданного коэффициента ослабления поля Fig. 4. Traction motor field attenuation system based on the reconstruction algorithm for the given field reduction coefficient

Недостатками способа является то, что данное устройство неспособно обеспечить надежную работу ТЭД на сложных участках рельсового пути. Алгоритм восстановления коэффициента ОП построен в автоматическом режиме без участия машиниста электровоза. Поэтому на горных перевалах на спуске система управления ОП ТЭД сработает на увеличение тягового усилия электровоза, что может привести к разрыву автосцепок, потому как большая часть вагонов будет находиться еще на подъеме горного перевала. Устройство усложнено дополнительными элементами, имеет непростую систему управления.

В работе [9] предлагается система ОП ТЭД, содержащая резистор постоянной шунтировки ^0), резистор ОП ^1), три контактора (К1-К3), два MOSFET-транзистора

(^1-^2), рис. 5. При включенном VT1 и К1 включается VT2, и параллельно ОВ подключается R1, так обеспечивается первая ступень ОП ТЭД. Для обеспечения второй и третьей ступеней ОП ТЭД (с помощью К2-К3) необходимо уменьшить сопротивление R1. При увеличении тока в шунтирующей цепи и напряжения выше заданного значения система управления отключает транзисторы и ТЭД переходит в режим ПП.

Недостатком устройства является то, что переключение с ПП на ослабленное происходит ступенчато, что сопровождается резким увеличением тока электровоза. А также существенным недочетом является непредусмотренная защита транзистора от выброса напряжения при коммутации индуктивной нагрузки.

5

6

9

ДН

-VTIS,™

ДТВ&

f\S/

ДТШ

СУ

Рис. 5. Схема электронного шунта на MOSFET-транзисторах Fig. 5. MOSFET-based electronic shunt circuit

В работе [10] представляется устройство для регулирования скорости ТЭД электровоза на базе импульсно-резистивного шунта ИРШ-К4, рис. 6. Предложенные устройства содержат резистор (Р1), реле предельного тока возбуждения (КА1) и два контактора (К1, К2). Устройство имеет схему управления шунтовой цепью регулирования ОП ТЭД, содержащую следующие элементы: контроллер машиниста (КМ), который подключается к отдельному источнику питания (в1); промежуточные реле (КУ1, КУ2, КУ3) с контактами (КУ1.1, КУ2.1-КУ2.2, КУ3.1-КУ3.2); электропневматические контакторы первой и второй ступеней ОП (К1, К2); четыре разделительных диода (УР1-УР2); две сигнальных лампочки (Н1, Н2), которые сигнализируют машинисту о состоянии шунтовой цепи.

Данное устройство работает следующим образом: для включения первой ступени ОП ТЭД необходимо замкнуть контакт БМ1 КМ, при этом создается цепь питания контактора К1. После включения контактора К1 замыкается контакт К1.1, и параллельно ОВ ТЭД включается Р1 и последовательно ему КА1. Так же создается цепь питания Н1.

Для обеспечения второй ступени ОП необходимо замкнуть контакт БМ2 КМ, при этом создается цепь питания контактора К2. После включения контактора К2 замыкается контакт К2.1 и параллельно ОВ ТЭД включается часть величины сопротивления К1, последовательно ей включается КА1. Так же создается цепь питания Н2.

При возникновении нестационарного режима на первой ступени ОП ТЭД в шунтирующей цепи величина тока превысит предельно заданную величину, произойдет срабатывание КА1 и замыкание его контакта КА1.1, который создает цепь питания КУ3. Включившись, КУ3 разомкнет свои контакты КУ3.2, тем самым контактор К1 потеряет питание и разомкнет свои контакты К1.1. Это приведет к отключению шунтирующей цепи, и ТЭД перейдет в режим ПП. При этом Н1 гаснет.

При возникновении нестационарного режима на второй ступени ОП ТЭД после срабатывания КА1 и замыкания его контакта создается цепь питания на КУ2. Включившись, КУ2 разомкнет свои контакты КУ2.2, тем самым контактор К2 потеряет питание и разомкнет свои контакты К2.1. Это приведет

к отключению отдельной части сопротивления шунтирующей цепи. При разомкнутом контакте ^2.2 реле прерывается цепь питания ^1, которая отключается и замыкает свои контакты ^1.1, тем самым замыкает цепь питания на ^3. Далее цикл работы устройства повторяется.

Недостатком системы является то, что переключение с ПП ТЭД на ОП происходит ступенчато, что сопровождается резким увеличением тока электровоза. Система ОП ТЭД является релейной, поэтому устройство имеет низкую надежность.

5. ПРЕДЛАГАЕМАЯ СИСТЕМА ОСЛАБЛЕНИЯ ПОЛЯ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА НА ОСНОВЕ IGBT-ТРАНЗИСТОРА

Проанализировав научные труды ученых и специалистов по совершенствованию системы ОП ТЭД можно сделать вывод, что предлагаемые системы ОП ТЭД сложны в реализации, увеличивают массогабарит-ные показатели системы ОП ТЭД, снижают ее надежность. В эксплуатации должно быть обеспечено удобное и простое управление процессом ОП ТЭД, который должен

КМ Г-

©

SM2/

SM1

К1.1

г

КА1

ОВ

-0-

R1

I

Г-

К2.1

обладать следующими критериями: ресурсосбережением, резервностью, высокой надежностью, а также высокими энергетическими показателями [11]. В связи с этим предлагается система ОП ТЭД на основе IGBT-транзисторов, применение которых играет огромную роль в развитии железнодорожного транспорта [12]. Данная система, рис. 7, позволяет исключить ИШ, обеспечить надежную работу при нестационарных режимах работы, при этом управление IGBT-транзисторами позволит повлиять на энергопотребление поездов в режиме тяги [13, 14]. Применение ЮВТ-транзисторов играет огромную роль в развитии.

Данная система состоит из последовательно включенного диода ^1) и ЮВТ-транзистора ^Т); драйвера ЮВТ-транзи-стора 1, вход которого подключен к БУ шунтирования поля, а выход - к ЮВТ-транзи-стору диода ^2), который подключен к положительной шине питания ТЭД и служит для защиты ЮВТ-транзистора от выбросов напряжения при коммутации индуктивной нагрузки; датчика тока рТ), размещенного в цепи якорной обмотки ТЭД для измерения тока, протекающего в цепи; датчика напряжения 2, включенного в обмотку собственных нужд (ОСН) силового трансформатора для синхронизации силовых цепей и цепей

VD4

И-

VD1

м-

KV1

K2

щ

ген

KV2.2

1Н

K1

гф

KV2.1

KA1.1

KV1.1^

р_ KV2

[H

KV3.1

ÎT

KV3

[Н

----1

KV3.2

1Н

Рис. 6. Система ослабления поля тяговых электродвигателей на основе импульсно-резистивного шунта Fig. 6. Traction motor field attenuation system based on an impulse-resistive shunt

+

ОСН

Рис. 7. Предлагаемая система ослабления поля тяговых электродвигателей

на основе IGBT-транзистора электровоза переменного тока Fig. 7. Proposed traction motor field attenuation system based on an IGBT-transistor

of the AC electric locomotive

управления. БУ по сигналу DT формирует импульсы управления ЮВТ-транзистором по критерию максимального коэффициента мощности электровоза, который осуществляется за счет того, что управляющий импульс на ЮВТ-транзистор подается только в активной части потребляемой энергии, благодаря этому ее реактивная составляющая после выключения ЮВТ-транзистора уменьшается. При возникновении аварийного режима подача импульсов не осуществляется, а работа схемы организуется в режиме ПП.

Достоинствами предложенной системы ОП ТЭД являются:

- исключение медесодержащего индуктивного шунта, срок службы которого значительно меньше срока службы ЮВТ-транзистора, поэтому уменьшаются затраты на ремонт и обслуживание системы;

- благодаря алгоритму управления ЮВТ-транзисторами уменьшается расход

электроэнергии на тягу поездов;

- за счет снижения потребления реактивной мощности повышается быстродействие системы ОП ТЭД, обеспечивается плавное регулирование тока возбуждения и надежная защита в нестационарных режимах работы электровоза.

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведен анализ существующих систем ОП ТЭД электровозов постоянного и переменного токов, выявлены их достоинства и недостатки.

2. Разработана и предложена усовершенствованная система ОП ТЭД электровоза переменного тока, позволяющая заменить ИШ на ЮВТ-транзистор с реализацией энергосберегающего алгоритма управления, при этом обеспечивая надежную защиту при нестационарных режимах работы электровоза.

Библиографический список

1. Никифоров М.М., Каштанов А.Л., Комяков А.А. О работе по актуализации энергетической стратегии холдинга «Российские железные дороги» на период

до 2020 года и на перспективу до 2030 года // Повышение энергетической эффективности наземных транспортных систем: материалы II Междунар. науч.-практ. конф. (г. Омск, 8 декабря 2016 г.). Омск, 2016.

С. 159-165.

2. Раков В.А. Локомотивы железных дорог Советского Союза. М.: Транспорт, 1956. 433 с.

3. Раков В.А. Локомотивы и моторвагонный подвижной состав железных дорог Советского Союза (1956-1965). М.: Транспорт, 1966. 248 с.

4. Лисицын А.Л., Никитин А.С, Моховиков Д.И. Пассажирский электровоз ЧС2т. М.: Транспорт, 1979. 288 с.

5. Раков В.А. Локомотивы и моторвагонный подвижной состав железных дорог Советского Союза (19661975). М.: Транспорт, 1979. 213 с.

6. Раков В.А. Локомотивы и моторвагонный подвижной состав железных дорог Советского Союза (1976-1985). М.: Транспорт, 1990. 238 с.

7. Пат. № 2369492, Российская Федерация, МПК B60L15/08. Устройство для регулирования скорости электроподвижного состава / А.С. Мазнев, А.М. Евстафьев; заявитель и патентообладатель Петербургский гос. ун-т путей сообщения. № 2008124695/11; заявл. 16.06.2008; опубл. 10.10.2009. Бюл. № 28.

8. Пат. № 2283248, Российская Федерация, МПК B60L15/04, Н02Р7/06. Устройство для регулирования возбуждения тягового электродвигателя постоянного тока / А.С. Мазнев, А.М. Евстафьев; заявитель и патентообладатель Петербургский гос. ун-т путей сообщения. № 2005103681/11; заявл. 11.02.2005; опубл. 10.09.2006. Бюл. № 25.

9. Калинин М.В. Влияние параметров полупроводниковых приборов на характеристики электровозов переменного тока в режиме ослабления возбуждения // Известия Петербургского ун-та путей сообщения. 2010. Вып. 3. С. 114-123.

10. Пат. № 119695, Российская Федерация, МПК B60L15/08. Устройство для регулирования скорости тяговых электродвигателей электровоза / А.В. Воро-тилкин, А.П. Хоменко, С.К. Каргапольцев, Е.В. Яри-лов, С.В. Кучеров, А.В. Ларченко; заявитель и патентообладатель Иркутский гос. ун-т путей сообщения. № 2012108233/11; заявл. 05.03.2012; опубл. 27.08.2012, Бюл. № 24.

11. Villani S. 8 big challenges for European railfreight // IRJ International Railway Journal The future of freight, 2010. Р. 20-23.

12. Sintra tests confirm potential of low-cost repowering // Railway Gazette international Whole-life efficiency drives traction development, 2016. Р. 36-37. [Электронный ресурс]. URL: http://nomad-dital.com/uploads/Sin-tra_tests_co nfirm_pote ntial_of_l ow-cost_repowe ring.pdf

13. Волчек Т.В., Мельниченко О.В., Шрамко С.Г., Линьков А.О. Снижение затрат электрической энергии на тягу поездов при использовании системы ослабления поля тяговых электрических двигателей электровозов переменного тока // Resonances science: материалы III Междунар. науч.-практ. конф. (Чехия, г. Карловы Вары, 7-8 ноября 2018 г.). Карловы Вары, 2018. С. 81-87.

14. Melnichenko O., Linkov A., Yagovkin D. Development of scientific-and-experimental stand to study operating processes of new transistor converter of alternating current locomotive // International Scientific Conference Energy Management of Municipal Transportation Facilities and Transport EMMFT, 2017. Р. 134-144.

References

1. Nikiforov M.M., Kashtanov A.L., Komyakov A.A. O rabote po aktualizacii energeticheskoj strategii holdinga «Rossijskie zheleznye dorogi» na period do 2020 goda i na perspektivu do 2030 goda [On updating of the energy strategy of the holding company "Russian Railways" for the period until 2020 and up to 2030]. Materialy II Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii "Povyshenie energeticheskoj effektivnosti nazemnyh transportnyh system" [Proceedings of the II International scientific and practical conference "Improving energy efficiency of land transport systems", Omsk, 8 December 2016]. Omsk, 2016, pp. 159-165. (In Russ.).

2. Rakov V.A. Lokomotivy zheleznyh dorog Sovetskogo Soyuza [Locomotives of the Soviet Union railways]. Moscow: Transport Publ., 1956, 433 p. (In Russ.).

3. Rakov V.A. Lokomotivy i motorvagonnyj podvizhnoj sostav zheleznyh dorog Sovetskogo Soyuza (19561965) [Locomotives and motor-railway car rolling stock of the Soviet Union railways (1956-1965)]. Moscow: Transport Publ., 1966, 248 p. (In Russ.).

4. Lisicyn A.L., Nikitin A.S, Mohovikov D.I. Passazhirskij elektrovoz ChS2t [Passenger electric locomotive CHS2t]. Moscow: Transport Publ., 1979, 288 p. (In Russ.).

5. Rakov V.A. Lokomotivy i motorvagonnyj podvizhnoj

sostav zheleznyh dorog Sovetskogo Soyuza (19661975) [Locomotives and motor- railway car rolling stock of the Soviet Union railways (1966-1975)]. Moscow: Transport Publ., 1979, 213 p. (In Russ.).

6. Rakov V.A. Lokomotivy i motorvagonnyj podvizhnoj sostav zheleznyh dorog Sovetskogo Soyuza (19761985) [Locomotives and motor-railway car rolling stock of the Soviet Union railways (1976-1985)]. Moscow: Transport Publ., 1990, 238 p. (In Russ.).

7. Maznev A.S., Evstaf'ev A.M. Ustrojstvo dlya reguliro-vaniya skorosti elektropodvizhnogo sostava [Electric rolling stock speed control device]. Patent RF, no. 2369492, 2009.

8. Maznev A.S., Evstaf'ev A.M. Ustrojstvo dlya reguliro-vaniya vozbuzhdeniya tyagovogo elektrodvigatelya post-oyannogo toka [DC traction motor excitation control device]. Patent RF, no. 2005103681/11, 2006.

9. Kalinin M.V. Influence of semiconductor device parameters on the characteristics of AC locomotives in the excitation attenuation mode. Izvestiya Peterburgskogo universiteta putej soobshcheniya [Izvestia of St. Petersburg University of means of communication]. 2010, issue. 3, pp. 114-123. (In Russ.).

10. Vorotilkin A.V., Homenko A.P., Kargapol'cev S.K., Yarilov E.V., Kucherov S.V., Larchenko A.V. Ustrojstvo

dlya regulirovaniya skorosti tyagovyh elektrodvigatelej elektrovoza [Control device for electric locomotive traction motor speed]. Patent RF, no. 2012108233/11, 2012.

11. Villani S. 8 big challenges for European railfreight. IRJ International Railway Journal The future of freight, 2010, pp. 20-23.

12. Sintra tests confirm potential of low-cost repowering // Railway Gazette international Whole-life efficiency drives traction development, 2016, pp. 36-37. Режим доступа: http://nomad-digital.com/uploads/Sin-tra_tests_co nfirm_pote ntial_of_l ow-cost_repoweri ng.pdf

13. Volchek T.V., Mel'nichenko O.V., Shramko S.G., Lin'kov A.O. Snizhenie zatrat elektricheskoj energii na tyagu poezdov pri ispol'zovanii sistemy oslableniya polya

Критерии авторства

Волчек Т.В., Мельниченко О.В., Шрамко С.Г., Линьков А.О. имеют равные авторские права и несут одинаковую ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Волчек Татьяна Витальевна,

аспирант,

Иркутский государственный университет путей сообщения,

664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15, Россия, e-mail: tanya.vol4eck@yandex.ru

Мельниченко Олег Валерьевич,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электроподвижного состава, Иркутский государственный университет путей сообщения,

664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15, Россия, e-mail: olegmelnval@mail.ru

Шрамко Сергей Геннадьевич,

кандидат технических наук, доцент кафедры электроподвижного состава, Иркутский государственный университет путей сообщения,

664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15, Россия, e-mail: novorosserg@mail.ru

Линьков Алексей Олегович,

кандидат технических наук, доцент кафедры электроподвижного состава, Иркутский государственный университет путей сообщения,

664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15, Россия, e-mail: linkovalex@mail.ru

tyagovyh elektricheskih dvigatelej elektrovozov peremennogo toka [Reducing the costs of electric energy for train traction when using the field attenuation system of traction electric motors of AC electric locomotives]. Materialy III Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii "Resonances science" [Materials of the III International. Scientific and practical conference, Czech Republic, Karlovy Vary, 2018]. Karlovy Vary, 2018, pp. 81-87.

14. Mel'nichenko O.V., Lin'kov A.O., Yagovkin D.A. Development of scientific-and-experimental stand to study operating processes of new transistor converter of alternating current locomotive. International Scientific Conference Energy Management of Municipal Transportation Facilities and Transport EMMFT, 2017, pp. 134-144.

Authorship criteria

Volchek T.V., Melnichenko O.V., Shramko S.G., Linkov A.O. have equal authors rights and bear equal responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS Tatiana V. Volchek,

Postgraduate,

Irkutsk State Transport University, 15 Chernyshevsky St., Irkutsk 664074, Russia, e-mail: tanya.vol4eck@yandex.ru

Oleg V. Melnichenko,

Dr. Sci. (Eng.), Professor,

Head of the Department of Electric Rolling Stock,

Irkutsk State Transport University,

15 Chernyshevsky St., Irkutsk 664074, Russia,

e-mail: olegmelnval@mail.ru

Sergey G. Shramko,

Cand. Sci. (Eng.),

Associate Professor of the Department of Electric Rolling Stock, Irkutsk State Transport University, 15 Chernyshevsky St., Irkutsk 664074, Russia, e-mail: novorosserg@mail.ru

Aleksei O Linkov,

Cand. Sci. (Eng.),

Associate Professor of the Department of Electric Rolling Stock,

Irkutsk State Transport University, 15 Chernyshevsky St., Irkutsk 664074, Russia, e-mail: linkovalex@mail.ru