Электрическая передача локомотива с асинхронным тяговым генератором

В Российском государственном открытом техническом университете путей сообщения на кафедре «Тяговый подвижной состав» разработана электрическая передача локомотива с асинхронным тяговым генератором. Электрическая передача содержит (см. рис. 4.2): асинхронный тяговый генератор 1, обмотка возбуждения 2 которого подключена к преобразователю частоты 3. Вал дизеля 4 соединен с валом асинхронного тягового генератора и валом синхронного возбудителя 5, обмотка возбуждения которого подключена к регулятору напряжения 6 асинхронного тягового генератора. Статорная обмотка асинхронного тягового генератора подключена к преобразователю частоты, соединенному с регулятором частоты 7 напряжения асинхронного тягового генератора. К статорной обмотке асинхронного тягового генератора подключены асинхронные тяговые двигатели 8, валы которых соединены с осями движущих колес 9 локомотива. Регулятор напряжения и регулятор частоты подключены к контроллеру машиниста 10.

Электрическая передача работает следующим образом. Статор асинхронного тягового генератора имеет обычную трехфазную обмотку. Обмотка возбуждения, расположенная на роторе, должна иметь одинаковое с обмоткой статора число пар полюсов. Целесообразно обмотку ротора выполнять распределенной с целью получения синусоидального магнитного поля в воздушном зазоре генератора. Особенностью асинхронного тягового генератора является возбуждение его переменным током изменяемой частоты ω_{в аг} и переменная скорость вращения ротора ω_{р аг}. Так как магнитное поле, создаваемое трехфазным током возбуждения в обмотке ротора, вращается относительно ротора со скоростью ω_{в аг}, то скорость вращения магнитного поля относительно обмоток статора

ω_{м аг} = ω_{р аг} ± ω_{в аг}. (4.3)

В результате скорость вращения магнитного поля ω_{м аг} можно изменять путем изменения ω_{р аг} и ω_{в аг}, которую можно менять по значению и направлению с помощью преобразователя частоты. Статорная обмотка асинхронного тягового генератора независимо от отношения ω_{р аг} / ω_{м аг} работает в генераторном режиме. Режим работы обмотки возбуждения асинхронного тягового генератора зависит от скольжения

S = 1 - ω_{р аг}/ω_{м аг} (4.4)

При отрицательном S (в области ω_{р аг} > ω_{м аг}, S < 0), т.е. в случае отставания магнитного поля от ротора, роторная обмотка возбуждается током обратного следования фаз. При этом обмотка возбуждения асинхронного тягового генератора генерирует активную мощность Р_аг. Через преобразователь частоты эта мощность скольжения передается в синхронный возбудитель, который работает в двигательном режиме, т.е. активные мощности Р_аг, генерируемые в цепи обмоток статора и ротора асинхронного тягового генератора, создаются в результате преобразования механической мощности дизеля N_д.

При трогании локомотива необходимо, чтобы разность (ω_{м аг} - ω_{в аг}) была такой, чтобы выполнялось требование по частоте напряжения на статорной обмотке асинхронного тягового генератора f_аг = 1÷2 Гц. Разгон локомотива осуществляется путем уменьшения ω_{в аг} до нуля с помощью преобразователя частоты. При ω_{в аг} = 0 (S = 0) по обмотке возбуждения асинхронного тягового генератора протекает постоянный ток (синхронный режим работы асинхронного тягового генератора при S = 0). При этом мощность Р_{в аг}, подведенная к обмотке возбуждения асинхронного тягового генератора, равна электрическим потерям в этой обмотке, и электромагнитная мощность асинхронного тягового генератора Р_{м аг} создается только в результате преобразования мощности дизеля N_д. При ω_{в аг} = 0 (S = 0) частота f_аг определяется только величиной ω_{р аг}. Дальнейший разгон локомотива осуществляется при ω_{в аг} = 0 путем увеличения ω_{р аг} от минимума до максимума. При ω_{в аг max} дальнейшее увеличение скорости локомотива осуществляется путем увеличения ω_{в аг}, но уже обратного направления, причем ω_{м аг} = ω_{р аг} + ω_{в аг}. При этом активная мощность асинхронного тягового двигателя Р_ад, или Р_{м аг}, больше активной мощности обмотки возбуждения (т.е. больше мощности скольжения). Небаланс между ними покрывается за счет мощности дизеля N_д. Это означает, что активная мощность, передаваемая в цепь статорной обмотки асинхронного тягового генератора электромагнитным путем, поступает в асинхронный тяговый генератор со стороны вала и со стороны обмотки возбуждения 2. Источником реактивной мощности Q_р системы (АГ, АД, СВ) является синхронный возбудитель, а потребителями ее – асинхронный тяговый генератор и асинхронные тяговые двигатели. Баланс Q_р при работе асинхронного тягового генератора и асинхронного тягового двигателя

Q_св = (Q_ад + Q_пч) = Q_аг (4.5)

При всех ω_{м аг} - асинхронный тяговый генератор обладает фильтрующими свойствами, что обеспечивает хорошую синусоидальность напряжения U_аг, повышение КПД, надежности асинхронных тяговых двигателей. Регулирование U_аг в зависимости от I, ω_{р аг}, f_аг и ω_ад осуществляется с помощью регулятора напряжения. В электрической передаче должен быть применен преобразователь частоты с непосредственной связью (без звена постоянного тока), который называется преобразователем «низкой» частоты. Для возбуждения асинхронного тягового генератора, который может работать при очень низкой ω_{в аг} относительно ротора, целесообразно применение именно такого преобразователя. Он обеспечит получение синусоидального тока возбуждения при ползучих «низких» частотах. Если асинхронный тяговый генератор и синхронный возбудитель имеют одинаковое число пар полюсов, то применение преобразователя частоты с принудительной коммутацией позволит осуществить наиболее простую схему управления. Характерным важным свойством таких преобразователей частоты является изменение знака Q при частоте коммутации вентилей большей, чем частота преобразуемого напряжения синхронного возбудителя ω_св. Из принципа работы электрической передачи следует, что преобразователь частоты для асинхронного тягового генератора должен быть многофазным. При проходе через синхронную частоту ω_{в аг} = 0 (S = 0) следование напряжения по фазам на выходе преобразователя частоты должно менять свой знак, благодаря чему магнитное поле ротора меняет свое направление вращения относительно ротора. При синхронной частоте ω_{в аг} = 0 (S = 0) преобразователь частоты должен в зависимости от фазового положения ротора соответствующим образом распределять постоянный ток возбуждения между фазами обмотки ротора асинхронного тягового генератора. Преобразователь частоты должен быть реверсивным для активной и реактивной мощностей.

Высокий КПД должен обеспечиваться ключевым режимом работы переключающихся полупроводниковых приборов. Преобразователь частоты выполняется не на полную мощность асинхронных тяговых двигателей, а лишь на мощность возбудителя асинхронного тягового генератора. В режиме короткого замыкания через преобразователь частоты протекает не весь ток короткого замыкания, что создает ему более легкие условия работы по сравнению с электрической передачей, в которой через преобразователь частоты проходит полная мощность асинхронных тяговых двигателей. Вес и габариты элементов электрической передачи в значительной степени зависят от мощности возбуждения асинхронного тягового генератора

S_в = , (4.6)

определяющей мощность синхронного возбудителя и преобразователя частоты (см. рис. 4.3).

Принимая с целью упрощения, что потери в обмотке возбуждения асинхронного тягового генератора отсутствуют, т.е. мощность цепи возбуждения равна мощности скольжения

Р_в = S· Р_{м аг} (4.7)

и, учитывая соотношение

Q_в = ·Q, (4.8)

можно выражение для полной мощности цепи возбуждения представить в виде

S_в = · , (4.9)

где Q – реактивная мощность асинхронного тягового генератора и асинхронного тягового двигателя.

Из (4.9) следует, что мощность цепи возбуждения тем больше, чем больше максимальное скольжение по абсолютному значению. Отсюда следует, что по условию уменьшения весовых показателей электрической передачи предпочтительной из рабочих областей скольжения является та, при которой максимальная мощность цепи возбуждения имеет наименьшее относительное значение. Мощность возбуждения, вес и габариты основных элементов электрической передачи получаются наибольшими при работе асинхронного тягового генератора в области отрицательного скольжения и наименьшими – при работе с S > 0 и с S = 0. Во всех случаях рациональная область S выбирается с учетом мощности, диапазонов изменения, ω_ад и скорости, в которых полностью используется свободная мощность дизеля для тяги.

Таким образом, электрическая передача имеет определенные преимущества перед известными, содержащими синхронный тяговый генератор с несколькими m-фазными обмотками статора и полюсо-переключаемыми асинхронными тяговыми двигателями. Она обеспечивает плавное и непрерывное изменение касательной силы тяги, а также скорости локомотива без применения промежуточных преобразователей и устройств переключения между синхронным тяговым генератором и асинхронными тяговыми двигателями. Она обладает большой надежностью и имеет более высокий КПД, чем известные электрические передачи.

На разработанную электрическую передачу получен патент РФ на изобретение.