Устройство стабилизации напряжения в системе питания асинхронных вспомогательных машин электровозов переменного тока
VOLTAGE STABILIZATION DEVICE IN ALTERNATE-CURRENT ELECTRIC LOCOMOTIVES ASYNCHRONOUS AUXILIARY MACHINES SUPPLY SYSTEM

Устройство стабилизации напряжения в системе питания асинхронных вспомогательных машин электровозов переменного тока предназначенное для стабилизации однофазного напряжения, питающего цепи собственных нужд электровоза таким образом, чтобы оно оставалось в пределах номинального диапазона 405±5% В при изменении питающего напряжения контактной сети в диапазоне от 21 до 29 кВ (±16% от номинального значения 25 кВ). Устройство включает в себя силовой трансформатор с регулируемым числом витков первичной обмотки и систему управления для регулирования под нагрузкой.
Известны системы питания вспомогательных машин переменного тока: с электромашинным преобразователем, с вращающимся фазорасщепителем, со статическим конденсаторным расщеплением фаз, с трехфазным автономным инвертором.
Схема питания вспомогательных машин переменного тока с электромашинным преобразователем (Пегов Д.В. Электропоезда постоянного тока ЭТ2, ЭТ2М, ЭР2Т, ЭД2Т / Д.В. Пегов, П.В. Бурцев, В.Е. Андреев - М.: Центр коммерческих разработок, 2003, с. 52-54.) используется на электропоездах ЭД4М, ЭТ2М. Она включает в себя двухмашинный агрегат, состоящий из коллекторного двигателя со смешанным возбуждением, приводящего во вращения синхронный генератор. Двухмашинный преобразователь создает трехфазную систему, что обеспечивает стабильное питание асинхронных вспомогательных машин при любых изменениях напряжения контактной сети в пределах допустимого диапазона. Недостатком является наличие самого двухмашинного агрегата, который снижает общую надежность и экономичность системы вспомогательных машин.
Схема питания вспомогательных машин переменного тока с вращающимся фазорасщепителем (Некрасов, О.А. Вспомогательные машины электровозов переменного тока / О.А. Некрасов, А.М. Рутштейн. - М.: Транспорт, 1988. с. 148-156) и (Грищенко А.В. Электрические машины и преобразователи подвижного состава: Учебник для студ. учреждений сред, проф. образования / А.В. Грищенко, В.В. Стрекопытов. - М.: Издательский центр «Академия», 2005, с. 277-279). В роли фазорасщепителя может выступать обычный асинхронный двигатель или специальная электрическая машина с несимметричными обмотками. Фазорасщепитель запускается до включения в работу вспомогательных машин и создает квазитрехфазную систему напряжения. Преимуществом такого решения является достаточно высокая симметрия напряжения, питающая вспомогательные машины. Один из главных недостатков - симметрия напряжений соблюдается только при соответствии всех параметров схемы расчетным значениям. Также недостатком описанной схемы является наличие самого фазорасщепителя, который не производит полезной механической работы, но при этом вращается на холостом ходу как на протяжении всего времени работы вспомогательных машин, так и во время простоя вспомогательных машин для обеспечения готовности к их пуску. В отличие от схемы с электромашинным преобразователем, в системе с фазорасщепителем отсутствуют возможности управления выходным напряжением при изменении напряжения в контактной сети, что является существенным недостатком, приводящим к нарушению соотношения уровня питающего электродвигатели вспомогательных машин напряжения и его частоты.
Схема питания вспомогательных машин переменного тока со статическим конденсаторным расщеплением фаз (Худоногов А.М. Проектирование привода вспомогательных механизмов ЭПС с асинхронным двигателем: учеб. пособие / A.M. Худоногов, В.В. Макаров, В.П. Смирнов и др; под ред. А.М. Худоногова. - М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2011. с. 33-35). Преимуществом такой схемы является относительная простота и экономичность. Однако такой способ питания вспомогательных машин также не обеспечивает симметричности трехфазной системы напряжения на всем диапазоне напряжений в контактной сети. Переходные режимы работы для описанной схемы являются тяжелыми, что приводит к еще большему числу отказов вспомогательных машин, чем в схеме с фазорасщепителем.
Схема питания вспомогательных машин переменного тока с трехфазным автономным инвертором (Пехотский И.В. Преобразователь для регулируемого вспомогательного электропривода электровоза переменного тока ЭП200 / И.В. Пехотский, Г.И. Колпахчьян, А.Н. Курочка, М.В. Жуков // Электровозостроение: сб. науч. тр. - Новочеркасск: ОАО «Всерос. н-и. и проектно-конструкт ин-т электровозостроения» (ОАО «ВЭлНИИ»), т. 44, 2002. с. 249-256).
Возможно построение системы с функцией регулирования частоты питания (Некрасов, О.А. Вспомогательные машины электровозов переменного тока [Текст] / О.А. Некрасов, А.М. Рутштейн. - М.: Транспорт, 1988. с. 168-175) и без нее. Регулирование частоты напряжения может использоваться для снижения энергопотребления за счет снижения скорости вращения мотор-вентиляторов в зависимости от режима работа электровоза. Преимуществом схемы питания с автономным инвертором тока является симметрия и синусоидальность напряжения. Данная схема применяется на электровозах 2ЭС4К, 2ЭС5, ЭП10, ЭП20 и др. Главным недостатком является высокая стоимость и невозможность стабилизации напряжения при его провале в контактной сети.
Таким образом, известные и широко применяемые методы организации системы питания вспомогательных машин электровозов переменного тока не обеспечивают требуемой стабильности напряжения питания асинхронных электродвигателей при изменении напряжения контактной сети. Применение схем с автономным инвертором частично решает проблему, но применение данного способа ограничено по экономическим и габаритным соображениям.
Известен опыт применения вольтодобавочных устройств в сетях электроснабжения переменного тока для уменьшения диапазона колебаний напряжения питания устройств потребителей. Наиболее близким по технической сущности к заявленному является «Устройство для ступенчатого регулирования переменного напряжения», описанное в патенте РФ №2245600 (прототип).
Целью изобретения является повышение надежности работы вспомогательных машин электровозов переменного тока, а основной задачей - создание экономичного и малогабаритного устройства, обеспечивающего в автоматическом режиме стабилизацию уровня напряжения питания асинхронных электродвигателей электровозов переменного тока.
Аналогом заявляемого решения является «Система симметрирования трехфазного напряжения асинхронных вспомогательных двигателей электроподвижного состава» (Патент РФ RU 106999, МПК H02J 3/26 Рабинович М.Д., Иванов В.В., Литовченко В.В., Невинский А.В. // опубл 27.07.2011 Бюл. №21), однако достижение заявляемой в данном изобретении цели обеспечивается за счет применения схемотехнически сложного и дорогостоящего полупроводникового преобразователя для формирования независимой фазы С3 в цепи питания асинхронных электродвигателей.
С целью устранения недостатков описанных выше систем питания вспомогательного оборудования электровозов переменного тока предлагается устройство стабилизации на основе вольтодобавочного трансформатора с секционированной обмоткой высшего напряжения (рис. 1). Первичная обмотка вольтодобавочного трансформатора 3 подключается к выводам (а2-3) тяговой обмотки трансформатора 6 через две группы симисторов K1-К4 и К5-К7: первая группа используется для «реверсирования» вольтодобавочного устройства, а вторая - для регулирования величины дополнительной ЭДС (рис. 1).
Процесс регулирования напряжения будет ступенчатым за счет переключения ступеней регулирования первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 3 (рис. 1). Питание первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора осуществляется от секции тяговой обмотки главного трансформатора электровоза 6 (рис. 1) с номиналом 315 В. Расчетная требуемая мощность трансформатора составляет 40 кВА при напряжении первичной обмотки в диапазоне 265-363 В. Вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора 3 включается последовательно нагрузке в цепи питания вспомогательных машин. Так как одно и то же устройство должно обеспечивать стабилизацию напряжения как при понижении, так и при повышении напряжения контактной сети, многосекционная первичная обмотка вольтодобавочного трансформатора 3 (рис. 1) подключается к тяговой обмотке через Н-образный мост из четырех симмисторов K1-К4 (рис. 1), составляющих группу реверсирования. Такая схема позволит менять полярность напряжения на выводах вторичной обмотки трансформатора, что достигается попарным включением ключей Н-моста в зависимости от необходимости повышения или понижения напряжения. Многосекционная первичная обмотка обеспечивает ступенчатое регулирование напряжения на вторичной обмотке вольтодобавочного трансформатора, что и обеспечивает решение поставленной задачи.
Управление симисторами моста и секций первичной обмотки осуществляется при помощи микропроцессорной системы управления (рис. 2), в которой микроконтроллер 1, в зависимости от напряжения на обмотке собственных нужд тягового трансформатора 7, измеряемого датчиком напряжения 2, осуществляет, через драйверы гальванической развязки 8, переключение ступеней регулирования силовыми ключами 9 и 10 с учетом полярности добавочного напряжения. Питание микропроцессорного устройства осуществляется от бортовой сети электровоза напряжением 50 В через изолированный преобразователь постоянного напряжения 3 (рис. 2). Индикация режимов работы вольтодобавочного устройства осуществляется при помощи светодиодных индикаторов 4 («Питание») и 5 («Ошибка»).
Информация о применении вольтодобавочных устройств в цепях питания асинхронных электродвигателей электровозов переменного тока отсутствует. Таким образом заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна».
Поставленная цель достигается тем, что за счет стабилизации уровня питающего напряжения асинхронные электродвигатели вспомогательных машин работают в режимах, близких к их номинальным значениям. Следовательно, устраняются базовые причины перегрева статорных и якорных обмоток, ускоренного старения изоляции обмоток статора. Таким образом применение устройства обеспечивает повышение надежности работы вспомогательных машин электровозов переменного тока. Технико-экономическая эффективность предлагаемого технического решения заключается в низких затратах на модернизацию электровозов путем установки малогабаритных вольтодобавочных устройств на каждую секцию электровоза. Малый вес устройства и размещение его в центральной части кузова локомотива рядом с тяговым трансформатором не нарушает развески электровоза и не ухудшает доступ к другому оборудованию. Установка заявляемого устройства требует минимальных затрат на монтаж и может быть выполнена в процессе планового деповского ремонта электровозов.
Источники информации
1. Некрасов, О.А. Вспомогательные машины электровозов переменного тока [Текст] / О.А. Некрасов, А.М. Рутштейн. - М.: Транспорт, 1988. - 223 с.
2. Невинский, А.В. Совершенствование системы питания вспомогательных электроприводов электровозов переменного тока [Текст]: автореферат дис. канд. техн. наук: 05.09.03 / Невинский Алексей Владимирович. М., 2011. - 22 с.
3. Романовский, А.С. Динамика вентиляционных машин с асинхронным электроприводом при несимметрии фазных токов [Текст]: дис. канд. техн. наук: 01.02.06 / Романовский Александр Игоревич. - Иркутск, 2012. - 219 с.
4. Пегов Д.В. Электропоезда постоянного тока ЭТ2, ЭТ2М, ЭР2Т, ЭД2Т [Текст] / Д.В. Пегов, П.В. Бурцев, В.Е. Андреев - М.: Центр коммерческих разработок, 2003. - с. 52-54.
5. Грищенко А.В. Электрические машины и преобразователи подвижного состава: Учебник для студ. учреждений сред. проф. образования [Текст] / A.В. Грищенко, В.В. Стрекопытов. - М.: Издательский центр «Академия», 2005 - с. 277-279.
6. Худоногов А.М. Проектирование привода вспомогательных механизмов ЭПС с асинхронным двигателем: учеб. пособие [Текст] / A.M. Худоногов, B.В. Макаров, В.П. Смирнов и др; под ред. А.М. Худоногова. - М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2011. - с. 33-35.
7. Пехотский И.В. Преобразователь для регулируемого вспомогательного электропривода электровоза переменного тока ЭП200 [Текст] / И.В. Пехотский, Г.И. Колпахчьян, А.Н. Курочка, М.В. Жуков // Электровозостроение: сб. науч. тр. - Новочеркасск: ОАО «Всерос. НИИ и проектно-конструкт ин-т электровозостроения» (ОАО «ВЭлНИИ»), 2002. - 44 т. - с. 249-256.