СПОСОБ МОДЕРНИЗАЦИИ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА
METHOD FOR UPGRADING A DC TRACTION DRIVE

Изобретение относится к электротехнике, в частности к модернизации электроприводов для железнодорожного транспорта.
В настоящее время большая часть существующего парка локомотивов России составляют тепловозы и электровозы, выпущенные во времена СССР, т.е. более 30 лет назад. К таким приводам относятся, например, тяговые электродвигатели постоянного тока (ЭПТ) ЭД-118, ЭК-810Ч и другие, которые предназначены для индивидуального привода колесной пары тепловозов и электровозов. С тех пор в области электропривода произошел революционный скачок. Появились бесколлекторные синхронные электромашины (электроприводы и электрогенераторы), заметно превосходящие по эксплуатационным характеристикам существующие щеточные электромашины. Но быстрая замена морально и физически устаревающего парка локомотивов, формировавшегося невозможна, ввиду его гигантских объемов. Так, например в эксплуатации находится около 12 тыс.электроприводов ЭК-810Ч и их модификаций. В то же время, все локомотивы обязательно проходят регулярный средний и капитальный ремонты, в рамках которых возможна замена устаревших приводов на современные.
Преобразование электрической энергии в механическую происходит с помощью электрических машин, которые являются основным компонентом электропривода, включающего электромашину, систему управления электропривода и механический преобразователь - редуктор. В настоящее время электроприводы железнодорожного транспорта, в подавляющем большинстве случаев, комплектуются электроприводами постоянного тока или асинхронными электродвигателями или классическими синхронными электроприводами (без постоянных магнитов).
Ниже, в качестве примера, приведены основные характеристики электропривода ЭД 118А (https://www.dieselloc.ru/m62/m62_20.html):
Мощность, кВт
192
Ток продолжительный, А
595
Напряжение длительное, В
356
Ток максимальный, А
1000
Напряжение максимальное, В
570
Частота вращения продолжительная, об/мин
474
Частота вращения максимальная, об/мин
2290
Марка щеток
ЭГ-61
Размеры щеток, мм
2 (12,5×40Х60)
Нажатие на щетку, кгс
4,2-4,8
Расход охлаждающего воздуха, м<sup>3</sup>/мин
49
К. п. д., %
90,5
Масса, кг
3100.
Особое внимание следует обратить на большую массу (более 3 тонн), низкий КПД и крайне низкие удельные энергетические характеристики 0,062 кВт/кг.
В практически повсеместно используемых асинхронных электромашинах в качестве элемента возбуждения на роторе используется короткозамкнутая медная обмотка, причем частота вращения ротора отлична от частоты изменения магнитного поля статора. Примеры асинхронных и синхронных электроприводов (без постоянных магнитов) представлены в таблицах 1 и 2.
Данные приводы имеют лучшие технические характеристики. Однако они все равно существенно уступают синхронным электромашинам на постоянных магнитах (СЭПМ), которые являются современной альтернативой асинхронным электромашинам. Основное отличие СЭПМ состоит в использовании современных высокомарочных постоянных редкоземельных магнитов в составе ротора для создания магнитного потока возбуждения, обеспечивающего вращение ротора электромашины с частотой изменения магнитного поля статора и высокие значения вращающего момента
Асинхронные электромашины практически исчерпали потенциальные возможности по повышению коэффициента полезного действия (КПД). Эффективность асинхронных электроприводов, как правило, находится на уровне от 82 до 93% в диапазоне значений мощности от нескольких до сотен кВт. В области низких оборотов КПД мощных синхронных электроприводов превосходит аналогичные значения для асинхронных электромашин от 20 до 60% в зависимости от мощности. Значение КПД асинхронных электромашин в первую очередь ограничено высокими потерями в медном материале обмоток ротора, большими полями рассеяния и невозможностью, во многих ситуациях, исключить редуктор из конструкции электропривода.
Так например, даже по ГОСТ Р 54413-2011 потенциал энергосбережения наиболее распространенных асинхронных двигателей от 0,75 до 355 кВт, на которые распространяется настоящий стандарт, представлен на ФИГ. 1. Мало того, удельные энергетические характеристики с одной стороны превосходят ЭПТ и достигают 0.45 кВт/кг, но, в большинстве случаев, в разы уступают СЭПМ, которые имеют данный показатель на уровне около 1 кВт/кг для электроприводов локомотивов.
Таким образом, синхронные электромашины на постоянных магнитах (СЭПМ) существенно превосходят упомянутые выше типы по таким параметрам как КПД в области высоких значений крутящего момента. На ФИГ. 2 дано сравнение областей высокого КПД для СЭПМ, асинхронных (АС) и вентильно-индукторных (ВИ) приводов, по данным работы (Finken T, Felden M, Hameyer K. Comparison and design of different electrical machine types regarding their applicability in hybrid electrical vehicles. Proc Electr Mach Conf 2008:1-5). Применяемые в настоящее время в автомобильном электротранспорте СЭПМ уже имеют удельные энергетические характеристики 4-5 и более кВт/кг.
СЭПМ имеют более высокий КПД (до 98%), возможность плавного регулирования скорости, лучшие динамические характеристики, до 2-3 раз меньший вес и габаритные размеры, в 2-3 раза больший момент кручения на валу, а также не требуют постоянного технического обслуживания. В отдельных случаях масса мощных электромашин МВт уровня может быть снижена до 9-10 крат. На высоких оборотах у коллекторных ЭПТ может возникать круговая искра, что приводит к выходу из строя ЭПТ. Данный недостаток отсутствует у СЭПМ.
Все эти преимущества позволяют уменьшить стоимость владения изделием, в составе которого применяется СЭПМ, и обеспечивают дополнительный экономический эффект для конечного потребителя уже на 2-й год эксплуатации (при полезном сроке использования электродвигателя до 20-30 лет). Кроме того, применение электромашин на постоянных магнитах позволяет во многих случаях отказаться от использования в конечном изделии механического, который необходимо регулярного обслуживать и ремонтировать. Все это положительно сказывается на стоимости владения, улучшает экологическую обстановку, снижает риск возгорания и, в конечном итоге, является принципиально важным для конечного потребителя.
В настоящее время зарубежные лидеры производства железнодорожного транспорта начинают серийное производство силовых установок с использованием СЭПМ и установку их на метропоезда. Компания Toshiba заключила в 2013 году контракт на переоснащение скоростного транспорта Сингапура новыми электродвигателями на основе постоянных магнитов (http://www.toshiba.co.jp/about/press/2013_07/pr0401.htm). Ранее Toshiba уже оснастила этими электродвигателями несколько линий Токийского метрополитена. Компания Alstom заключила контракт на продажу в Италию своих скоростных поездов AGV с электродвигателями на постоянных магнитах (http://www.railwaygazette.com/news/passenger/single-view/view/alstom-presents-first-italian-agv.html).
В тоже время, на рынке РФ нет ни одной отечественной разработки, которая была бы запущена хотя бы в мелкосерийное производство, что приводит к технологическому отставанию отечественных производителей на рынке тяговых электроприводов на базе СЭПМ.
Однако, на сегодняшний день остается нерешенной проблема одновременной оптимизации основных массогабаритных характеристик СЭПМ, увеличения удельных энергетических характеристик, повышения КПД, снижения рабочей температуры в номинальном режиме и уменьшения стоимости производства и, главное, эксплуатации, учитывая ее длительный срок. Вместе с этим, например, низкий КПД ведет не только к дополнительным затратам электроэнергии, но и к повышению рабочей температуры СЭПМ, что, в свою очередь, ведет к необходимости использования при производстве СЭПМ дорогостоящих редкоземельных постоянных магнитов с высоким содержанием диспрозия (до 8%), дающих значительный вклад в конечную себестоимость СЭПМ.
Учитывая практически непрерывную работу приводного оборудования в рельсовом транспорте и его значительную мощность, энергоэффективность приводов является одной из приоритетных задач. Поскольку коллекторные ЭПТ являются морально устаревшей конструкцией, то еще в прошлом веке началась их замена на асинхронные электромашины, а в настоящее время асинхронные электромашины уже массово заменяются на СЭПМ. Однако в РФ коллекторные ЭПТ до сих пор эксплуатируются в большом количестве и, таким образом, логичным является замена ЭПТ сразу на СЭПМ.
Вместе с тем учитывая высокие затраты на подготовку производства, наиболее целесообразным представляется модернизация ЭПТ до СЭПМ в процессе среднего или капитального ремонта. Поэтому на первый план выходит необходимость создания регулируемого СЭПМ, с возможностью максимального использования существующих узлов ЭПТ, что позволяет:
1. Отказаться от коллектора и щеточного узла.
2. Обеспечить расширение тяговой характеристики.
3. Устранить ограничения по продолжительной работе, расширив ее зону на весь диапазон токов и напряжений.
Из уровня техники известен способ ремонта и модернизации электрических машин переменного тока (RU 2089989 A1, H02K 15/00, опубл. 20.12.1996). Известный способ включает удаление элементов обмотки ротора, изготовление новой активной части ротора, чистовую обработку и балансировку ротора и испытание электрической машины, отличающийся тем, что элементы обмотки удаляют вместе с зубцовым слоем ротора, изготавливают железно-медную гильзу в соответствии с геометрией удаленной части и закрепляют гильзу на оставшейся части ротора. Однако данное изобретение не позволяет расширить тяговые характеристики ЭПТ.
Из уровня техники также известен способ модернизации асинхронных электромашин (RU 2720880 С1, МПК H02K 15/00, оп. 13.05.2020 - прототип). Состоит из этапов, на которых разбирают асинхронную электромашину, удаляют обмотку статора, осуществляют обмер листа статора и создают его эскиз, осуществляют перемотку статора исходной асинхронной электромашины. Дополнительно устанавливают в узкую часть зубца листа статора клинья из шихтованного материала. Затем удаляют сердечник ротора исходной электромашины, осуществляют изготовление ротора с постоянными магнитами. Постоянные магниты дополнительно покрывают электроизолирующим покрытием. Осуществляют сборку электромашины с изготовленным ротором с постоянными магнитами. На этапе итоговой сборки электродвигателя используют корпус исходной асинхронной электромашины, станину, щиты, вал, подшипники, взрывозащитные элементы исходной асинхронной электромашины.
Однако данное изобретение применимо лишь к асинхронным электромашинам и не позволяет расширить тяговые характеристики ЭПТ и устранить ограничения по продолжительной работе, расширив ее зону на весь диапазон токов и напряжений.
Настоящее изобретение направлено на проблему модернизации активной части тягового электропривода постоянного тока, которая в процессе среднего или капитального ремонта устанавливалась бы в корпус существующего тягового электропривода постоянного тока с использованием его вала, щитов, подшипниковых узлов.
Задачами заявленного изобретения являются устранить перегрузки электропривода (возникающие, например, при движении под уклон вверх), в результате которых происходит выход из продолжительного (постоянного) режима и создаются условия для перегрева двигателя и наступление аварийной ситуации. Существенно снизить потери в якоре. Отказаться от коллектора и щеточного узла, обеспечить расширение тяговой характеристики и устранить ограничения по продолжительной работе, расширив ее зону на весь диапазон токов и напряжений. Модернизация существующих двигателей ЭПТ со сменой типа позволяет наиболее полно реализовать преимущества СЭПМ.
Патентуемый способ модернизации тягового электропривода постоянного тока (ЭПТ) для тепловозов и электровозов включает демонтаж главных и добавочных полюсов, коллекторного и щеточного узлов исходного ЭПТ без замены корпуса, щитов, вала, подшипников, итоговую сборку ЭПТ со статором из N секций обмоток и ротором с полюсами с постоянными редкоземельными магнитами.
Отличие состоит в том, что число N секций обмоток статора составляет от 2 до 10 при числе P ступеней регулирования частоты вращения ротора от 2 до 10, при этом марка, форма, размер, степень шихтовки и характер расположения полюсов постоянных магнитов, размещенных в теле ротора, выбраны из условия достижения наибольшей величины крутящего момента при обеспечении необходимой электрической частоты, прочностных характеристик и стабильности магнитных характеристик при рабочей температуре ротора.
Способ может характеризоваться тем, что число секций обмоток статора составляет N=5 при числе Р=4 ступеней регулирования частоты вращения ротора путем изменения числа запитанных секций обмотки от 5 до 1, а также тем, что каждая секция обмотки статора является секцией регулирования и тем, что каждый провод обмотки статора является секцией регулирования.
Способ может характеризоваться и тем, что исходный ЭПТ представляет собой тяговый электропривод постоянного тока марки ЭД-118, а также тем, что используют редкоземельные постоянные магниты марок NdFeB и/или SmCo.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение энергоэффективности и увеличение ресурса электропривода.
После модернизации ЭПТ до СЭПМ при сопротивлении СЭПМ якоря 0,008 Ом при 20°С суммарное тепловыделение в меди оказывается меньше примерно вчетверо, чем для классического коллекторного двигателя, а также максимум суммарных потерь смещается в сторону повышения частоты вращения. При этом способ изменения конструкции ЭПТ по сути аналогичен, но отличается от асинхронной электромашины, применяемой для привода насосов и описанного в прототипе RU 2720880 С1. При увеличении частоты вращения (ЧВ) для уменьшения противоЭДС электромашины и приведения ее к уровню напряжению питания регулировка осуществляется путем изменения числа запитанных секций обмотки, а также в процессе разработки смещают максимум суммарных потерь в стороны повышения ЧВ.
Краткое описание чертежей детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания варианта реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
ФИГ. 1 - Пояснения к анализу уровня техники - гистограмма потенциала увеличения КПД асинхронных двигателей по ГОСТ Р 54413-2011 (по информации СЕМЕР);
ФИГ. 2 - Сравнение областей высокого КПД для СЭПМ, асинхронных (АС) и вентильно-индукторных (ВИ) приводов.
ФИГ. 3 - Участок поперечного сечения СЭПМ, содержащий одну пару полюсов из пяти (южный и северный полюса ротора помечены красным и синим цветом);
ФИГ. 4 - Часть статора СЭПМ соответствующий одной паре полюсов ротора (фазная обмотка выделена);
ФИГ. 5 - Электромеханические характеристики ЭД-118;
ФИГ. 6 - Электромеханические характеристики ЭД-118 с линией ограничения длительного режима - Зависимость частоты вращения, крутящего момента и напряжения от питающего тока. U-напряжение, n-обороты вращения при различном проценте тока возбуждения от 37 до 100%, Т-крутящий момент при различном проценте тока возбуждения от 37 до 100%; Вертикальный пунктир - ограничения постоянного (длительного) режима;
ФИГ. 7 - Сквозная тяговая характеристика ЭД 118. Зависимость крутящего момента от частоты вращения при различном проценте тока возбуждения от 37 до 100%. Вертикальный пунктир- ограничения постоянного (длительного) режима.
ФИГ. 8 - схема устройства ЭД-118;
ФИГ. 9 -Тепловыделение в меди ЭД-118 при температурах 20 и 100С (Ов-обмотка возбуждения при Т=20 и 100С. Всего - общие потери при температурах 20 и 100С)
ФИГ. 10 а, 6, в, г - электромеханические характеристики ЭД-118 с полной обмоткой (5 секций (а), 3 секции из 5 (б), 2 секции из 5 (в) и 1 секция из 5 (г);
ФИГ. 11 - Тяговые характеристики при различном количестве секций обмотки (напряжениях). На рисунке показаны напряжение питания, крутящий момент и тепловыделение при температурах 120С в зависимости от частоты вращения (ЧВ) при различном количестве секций обмотки. Т - крутящий момент, U - напряжение питания, Q120° - тепловыделение при 120°С.
ФИГ. 12 - Тяговая характеристика при переключении количества секций обмотки.
В варианте реализации заявленного технического решения изготавливают новый статор и ротор с пятью парами полюсов 2р=5 (ФИГ. 3 и ФИГ.4). Листы статора выполнены из листов электротехнической стали толщиной от 0,1 до 0,5 мм. При этом на основе геометрии корпуса производится расчет электромагнитной системы. Рассчитывают значения следующих параметров: количество ступеней обмоток статора, количество полюсов ротора, величину отношения количества пазов статора к количеству полюсов ротора и количеству фаз, длину активной части, количество эффективных электропроводников в пазу, площадь электропроводника. Создают расчетную схему магнитопровода ротора, марку, форму, размеры магнитов и характер их расположения в роторе, зазор между ротором и статором и другие параметры на основе заданных технических характеристик модернизируемого СЭПМ. Расчет, как правило, проводится с использованием современных расчетных комплексов, использующих метод конечных элементов, например, ANSYS.
В результате модернизации электрическая машина имеет лучшие энергетические характеристики и меньшую массу, сохраняя при этом габаритные и установочные размеры, что позволяет устанавливать ее на место без доработки. При этом все конструктивные элементы остаются на своих местах и выполняют те же функции, что и в «донорском» двигателе. Однако СЭПМ приобретает новые потребительские свойства: более высокий КПД, расширенный диапазон частот вращения с высоким КПД.
Пример конкретного исполнения электропривода ЭД-118.
Ниже приводится анализ проблем, возникающих при выходе из постоянного режима ЭД-118. Электромеханические и тяговые характеристики ЭПТ ЭД-118 представлены графиками для трех режимов работы с разным режимом возбуждения (см ФИГ. 3-5). Из ФИГ. 5 видно, что при максимальном токе 1000А, электропривод имеет низкий КПД от 78 до 84% в зависимости от процента тока возбуждения от 37 до 100%.
Для удобства дальнейшего рассмотрения и анализа электромеханические характеристики ЭД-118 представлены в виде графиков на ФИГ. 6. На графиках нанесена пунктирная линия ограничения постоянного (длительного) режима (ток <600А). Физически это означает, что длительно развиваемый момент не может быть более 400 кгс×м (3923 Нм), а частота вращения (ЧВ) - менее 450 об/мин. Иные режимы предназначены лишь для кратковременного разгона (часовой режим). Таким образом, если из-за перегрузки (например, при движении с уклоном вверх) произойдет выход из длительного режима, будут созданы условия для перегрева двигателя и наступление аварийной ситуации.
Для удобства оценки двигателя на всех режимах целесообразно построить сквозную тяговую характеристику (см. ФИГ. 7). На графике кривая RES-результирующая, получающаяся при переключении уровней возбуждения. Крутящий момент пересчитан в Нм. Также как и для электромеханической характеристики обозначена граница продолжительного режима. Отметим, что у паровозов, не существовало этого ограничения и максимальная тяга определялась лишь силой сцепления.
Для понимания причин данного ограничения следует рассмотреть схему ЭД-118 (см. ФИГ. 8). ЭД-118 - двигатель с последовательным возбуждением, т.е. все его элементы соединены последовательно, при этом их сопротивления при 20°С составляют: для катушек главного полюса - 0,0105 Ом; для катушек добавочного полюса - 0,00821 Ом; для якоря - 0,013 Ом.
Как известно, тепловыделение зависит от второй степени силы тока. Видно (ФИГ. 9), что при переходе с длительного значения тока 600А на максимальный 1000А суммарное тепловыделение в меди вырастает в 2,8 раза и достигает 31 кВт при температуре 20°С и 43 кВт при температуре 100°С, что связано с крайне низким КПД в данном режиме. Таким образом, режим разгона должен быть по возможности кратковременным и осуществляться из холодного состояния.
Модернизированная электромашина представляет собой синхронную машину с возбуждением от постоянных магнитов с количеством пар полюсов 2р=5, не требующую тока для получения возбуждения. Поэтому, при сопротивлении якоря 0,008 Ом при 20°С суммарное тепловыделение в меди оказывается меньше примерно вчетверо чем для классического коллекторного двигателя, которым и является ЭД-118. Постоянные магниты, обеспечивающие магнитное поле ротора, избавляют от необходимости рассеивать десятки кВт в обмотке возбуждения. Вместе с этим отсутствует, без специальных технических мер, возможность изменять магнитный поток ротора. При увеличении ЧВ для уменьшения противоЭДС машины и приведения ее к уровню напряжения питания предлагается переключать обмотки статора. При этом возрастают потери в магнитопроводе, но их повышение намного меньше чем при ослаблении поля в коллекторной машине. Таким образом, максимум суммарных потерь смещается в сторону повышения ЧВ.
Для расчета приняты следующие характерные размеры. Диаметр активной части 530 мм (расточка большого щита 550 мм), длина активной части 610 мм. Регулировка осуществляется путем изменения числа запитанных секций обмотки. Всего секций 5, ступеней регулирования 4 - 5;3;2;1 секций. На ФИГ. 10 а-г представлены электромеханические характеристики СЭПМ с полной обмоткой (5 секций), а также с 3,2 и 1 секциями.
Из графиков видно, что с падением числа секций растет ЧВ, падает крутящий момент, а максимум тепловыделения сдвигается от максимума тока к максимуму ЧВ. Для наглядности объединим графики на ФИГ. 10 на одном поле с осью абсцисс ЧВ (см. ФИГ. 11). Поскольку видно, что с ростом ЧВ, напряжение растет до перехода на следующее количество секций, причем имеется достаточное перекрытие графиков, то возможно убирать графики напряжения и «сшить» характеристики модернизированного СЭПМ в один график (сплошные линии см. ФИГ. 12). Пунктиром даны характеристики ЭД-118. Графики наглядно демонстрируют разницу между возбуждением от постоянных магнитов в СЭПМ и традиционным последовательным в ЭД-118. Резкий рост тепловыделения в СЭПМ с падением ЧВ от уровня 5 кВт начинается тогда, когда ЭД-118 уже преодолел границу постоянного режима, и его тепловыделение превышает 22 кВт. Предел постоянного режима для проектируемой СЭПМ, естественно, тоже существует, но физического смысла для применения в качестве тягового двигателя не имеет, поскольку раньше наступит ограничение по сцеплению с рельсами.
Результаты численных расчетов в программном пакете ANSYS (Maxwell) доказывают достижение технического результата. При переходе от ЭПТ к СЭПМ возможно получить тот же вращающий момент при увеличенном коэффициенте полезного действия, расширенной тяговой характеристики модернизированного СЭПМ в сторону повышенных ЧВ, что позволит на базе модернизированного СЭПМ создавать электроприводы локомотива, способные, без замены редукторов развивать скорость до 140 км/ч.