Способ и устройство стабилизации напряжения в системе питания асинхронных вспомогательных машин электровозов переменного тока
METHOD AND DEVICE FOR VOLTAGE STABILIZATION IN POWER SUPPLY SYSTEM OF ASYNCHRONOUS AUXILIARY MACHINES OF ALTERNATING CURRENT ELECTRIC LOCOMOTIVES

Способ и устройство стабилизации напряжения в системе питания асинхронных вспомогательных машин электровозов переменного тока таким образом, чтобы оно оставалось в пределах ±1% от номинального значения 401 В при изменении питающего напряжения контактной сети в диапазоне от 25 до 29 кВ (+16% от номинального значения 25 кВ). Способ заключается в попеременной манипуляции секций обмотки собственных нужд тягового трансформатора электровоза, от которой питаются асинхронные электродвигатели вспомогательных машин электровозов переменного тока. При повышении напряжения в контактной сети производится попеременное подключение цепей вспомогательных машин к основной обмотке собственных нужд тягового трансформатора с номинальным рабочим напряжением 401 В и к секции этой же обмотки с меньшим номинальным рабочим напряжением 229 В. Устройство включает в себя силовой блок и блок управления для регулирования под нагрузкой.
Из уровня техники известны различные типы стабилизаторов напряжения питания переменного тока для силовых потребителей электроэнергии: феррорезонансные, электромеханические (сервоприводные), релейные, электронные (симисторные, тиристорные, с подмагничиванием, инверторные).
Электромеханические и электронные стабилизаторы (патенты RU 2711587 C1, RU 192343 U1, RU 2577530 С2) построены на основе трансформаторов (автотрансформаторов) с секционированной обмоткой или с возможностью изменения числа активных витков в секциях. Переключение секций позволяет регулировать коэффициент трансформации и, соответственно, напряжение на выходе стабилизатора.
Электронные стабилизаторы с подмагничиванием (патенты SU 290270 А1, SU 284061 A1, SU 382079 A1, SU 141934 А1) обеспечивают изменение коэффициента трансформации за счет изменения магнитного насыщения сердечника трансформатора (автотрансформатора) путем регулирования тока в обмотке подмагничивания. Это обеспечивает отказ от устройств коммутации секций обмоток и дает возможность плавного изменения коэффициента трансформации и более точной стабилизации выходного напряжения.
Инверторные стабилизаторы используют многоступенчатое преобразование входного напряжения с целью формирования на выходе инвертора стабилизированного напряжения. Необходимость промежуточного преобразования входного напряжения и обеспечения формирования качественного выходного синусоидального напряжения приводит к усложнению конструкции стабилизатора и увеличению его стоимости.
Известны системы 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.), 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), 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), 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), 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).
Известные и широко применяемые 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 такое решение имеет ограничения по экономическим и габаритным соображениям.
Наиболее близкими по технической сущности к заявленному являются «Стабилизатор переменного напряжения», описанный в патенте РФ №2483343 от 27.05.2013 и «Устройство стабилизации напряжения в системе питания асинхронных вспомогательных машин электровозов переменного тока», описанное в патенте РФ №2719040 от 16.04.2020, а также решения, описанные в работе «Трансформаторные стабилизаторы переменного напряжения с регулированием на первичной стороне» (Файда Е.Л., Сивкова А.П. // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика», том 14, №3, Челябинск, 2014). Решение, описанное в патенте РФ №2483343, обеспечивает одноступенчатую стабилизацию напряжения за счет использования вольтодобавочного трансформатора со встречным или согласным подключением обмоток. Недостатком такого решения является ограниченный диапазон стабилизации напряжения и ступенчатый характер изменения выходного напряжения.
Предложенное в патенте РФ №2719040 устройство обеспечивает стабилизацию напряжения питания вспомогательных машин электровозов при изменении напряжения питания в контактной сети в широких пределах (как в сторону повышения, так и в сторону понижения). Для этого устройство включает в себя симисторный блок, реверсирующий подключение первичных обмоток вольтодобавочного трансформатора для повышения или понижения напряжения в цепи вспомогательных машин. Применение устройства позволяет обеспечить стабилизацию напряжения с отклонениями ±16 В (около 4%). Недостатком решения является ступенчатый характер регулирования.
Однако в процессе анализа уровня напряжения в контактной сети для современных условий эксплуатации (после массовой модернизации тяговых подстанции и установки устройств продольной и поперечной компенсации в 2019-2020 годах), выявлено, что основной проблемой является превышение номинальных значений напряжения контактной сети (Рисунок 1). Снижения напряжения ниже 25-24,5 кВ носят эпизодический характер и не могут, с учетом длительности таких режимов, приводить к возникновению перегревов и повреждений асинхронных электродвигателей вспомогательных машин.
Целью изобретения является повышение надежности работы вспомогательных машин электровозов переменного тока, а основной задачей - создание нового способа регулирования напряжения и, на его основе, экономичного и малогабаритного устройства, обеспечивающего стабилизацию уровня напряжения питания асинхронных электродвигателей электровозов переменного тока.
С целью устранения недостатков описанных выше систем питания вспомогательного оборудования электровозов переменного тока, предлагается устройство стабилизации на основе полупроводникового коммутатора секций обмотки собственных нужд электровоза. Коммутатор подключается к выводам а4, 6, х4 обмотки собственных нужд тягового трансформатора (ОСН). При работе электровоза при номинальном напряжении контактной сети 25 кВ питание вспомогательных машин осуществляется от полной ОСН номинальным напряжением 401 В. При устойчивом, более 2 секунд, увеличении напряжения в контактной сети на 500 В, до 25,5 кВ, коммутатор начинает выполнять переключение (манипуляцию) секций обмоток а4-х4 и а4-6 в пропорции 48/2 - т.е. 48 периодов в секунду нагрузка подключена к полной обмотке а4-х4 с номинальным напряжением 401 В, а 2 периода в секунду - к секции ОСН а4-6 с номинальным напряжением 229 В. Таким образом, среднее значение напряжения за секунду вместо 409,02 В составит 402 В (Рисунок 2).
По мере увеличения напряжения контактной сети на каждые 500 В количество периодов коммутации обмотки с пониженным напряжением возрастает на 2, как показано в таблице на рисунке 2. Предлагаемая манипуляция уровнем напряжения обмотки собственных нужд при неизменной частоте питания приведет к стабилизации режима работы асинхронного электродвигателя. С учетом ограничения подвода энергии от контактной сети и сохранения неизменной частоты оборотов ротора двигателя (при неизменной частоте питающего напряжения), тепловой режим двигателя будет оставаться стабильным. Отсутствие перегрева статорной обмотки приведет к нормализации температурных режимов изоляции и снизит вероятность межвитковых и корпусных замыканий.
Устройство, реализующее описанный выше способ, представляет собой силовой блок 1 и блок управления 2, состоящий из датчика напряжения 3, микроконтроллера 4, источника питания 5, блока гальванических развязок 6 и логического элемента 7 (Рисунок 3).
Питание блока управления осуществляется номинальным напряжением 401 В от отводов а4их4 обмотки собственных нужд тягового трансформатора. Благодаря встроенному в блок управления 2 датчику напряжения 3, микроконтроллер 4, с использованием встроенного аналого-цифрового преобразователя, измеряет уровень действующего напряжения, усредняет его и выдает соответствующую комбинацию сигналов на открытие ключей К1 и К2 силового блока 1. Логический элемент 7 исключает одновременную подачу сигналов открытия на ключи К1 и К2 для предотвращения аварийного режима короткого замыкания секции 6-х4 обмотки собственных нужд тягового трансформатора.
Непрерывный контроль за уровнем напряжения питающей сети и поочередная коммутация секций обмотки собственных нужд тягового трансформатора обеспечивают оперативную стабилизацию напряжения питания вспомогательных машин электровоза, что и обеспечивает решение поставленной задачи. Расчетный уровень повышения среднего действующего значения напряжения за 1 секунду составляет +0,6% от номинального.
Информация о применении описанного способа стабилизации уровня напряжения в цепях питания асинхронных электродвигателей электровозов переменного тока отсутствует. Таким образом заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна».
Поставленная цель достигается тем, что, при повышении напряжения в контактной сети, за счет стабилизации уровня питающего напряжения асинхронные электродвигатели вспомогательных машин продолжают работать в режимах, близких к их номинальным значениям. Следовательно, устраняются базовые причины перегрева статорных и роторных обмоток, ускоренного старения изоляции обмоток статора, выплавления обмотки ротора. 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 стабилизаторов на каждую секцию электровоза. Малогабаритное устройство размещается в непосредственной близости от тягового трансформатора, требует минимального вмешательства в штатные цепи 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.