Вспомогательные электрические машины
ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ на электроподвижном составе обеспечивают работу тяговых электродвигателей, электроаппаратуры, пневмооборудования, систем торможения.
Общие сведения
К вспомогательным машинам относятся мотор-вентиляторы, служащие для охлаждения тяговых двигателей, пуско-тормозных резисторов, преобразовательных установок и т.п.; мотор-насосы (жидкостное охлаждение обмоток трансформаторов и полупроводниковых приборов); мотор-компрессоры (снабжение сжатым воздухом пневматических систем электровоза и тормозов поезда); расщепители фаз (питание трехфазных электрических машин); генераторы управления (питание цепей управления и освещения, заряд аккумуляторов). На электровозах постоянного тока и двойного питания обычно используют электрические машины постоянного тока, на электровозах переменного тока — коллекторные двигатели пульсирующего тока и асинхронные, мощность машин обычно до 50-60 кВт. Напряжение машин постоянного тока 3000 В, что обусловливает их значительную массу, сложность содержания и ремонта. Более перспективны (разрабатываются в России и применяются за рубежом) системы низковольтных машин, питающихся от высоковольтных статических преобразователей частоты.
Использование асинхронных машин
На электровозах переменного тока иногда также применяют коллекторные машины, но питаются они от низковольтных выводов тягового трансформатора через преобразователи. Преимущественно же используют асинхронные машины, в России - чаще с питанием непосредственно от обмотки собственных нужд тягового трансформатора.
Частота вращения асинхронной машины не зависит от колебания напряжения, обусловленного изменением напряжения в контактной сети и процессами, происходящими в силовых и вспомогательных цепях. Это позволяет сохранять неизменной производительность вентиляторов и компрессоров. Сеть питания однофазная, и пуск машин осуществляют с помощью асинхронных преобразователей числа фаз (так называемых расщепителей фаз) или посредством симметрирующих конденсаторов. Недостатком нерегулируемых по частоте вращения асинхронных машин является большое потребление энергии. До 10-15% экономии электроэнергии от расхода на тягу достигается при регулировании производительности вентиляторов в соответствии с загрузкой силового электрооборудования ЭПС. С этой целью на электровозах расширяется применение плавного или ступенчатого регулирования частоты вращения вентиляторов при помощи полупроводниковых статических преобразователей. Эти же преобразователи симметрируют и стабилизируют по величине трехфазное напряжение на асинхронных двигателях, что позволяет уменьшить их мощность по сравнению с вариантом несимметричного прямого питания, когда машины должны иметь запас мощности в 1,5-2,0 раза.
Тяговый трансформатор
Тяговый трансформатор, применяемый на ЭПС - силовой трансформатор переменного тока, понижающий напряжение контактной сети до значения, необходимого для работы тяговых электродвигателей, потребителей собственных нужд и электрооборудования пассажирских вагонов. Тяговый трансформатор состоит из магнитопровода, изготовленного из шихтованной стали, на сердечниках которого размещены обмотки из меди. Тяговые трансформаторы различают по устройству магнитной системы (с броневыми сердечниками - при регулировании напряжения на первичной обмотке, стержневыми - на вторичной); по системе регулирования напряжения (с постоянным коэффициентом трансформации, со ступенчатым или плавным регулированием низшего и высшего напряжений); конструкции обмоток (непрерывные цилиндрические, секционированные катушечные) и по числу обмоток. В России на ЭПС применяют трансформаторы с регулированием напряжения на вторичной обмотке. На ЭПС с асинхронными ТЭД устанавливают трансформаторы с повышенным (до 30-40%) напряжением короткого замыкания, броневыми магнитопроводами и дисковыми обмотками.
Тяговый трансформатор является частью статического преобразователя, имеет несколько обмоток (рис. 5.60): сетевую (первичную), к которой подводится напряжение от контактной сети 25 кВ частотой 50 Гц (за рубежом также 50 и 15 кВ частотой 60 и 162/з Гц); одну или несколько вторичных тяговых обмоток с регулируемыми и нерегулируемыми секциями.
От силовой тяговой обмотки через выпрямитель или преобразователь подается напряжение на тяговые электродвигатели (на коллекторные - обычно до 1,5 кВ). Отдельные обмотки или отпайки от силовой (выводы обычно на 150-220; 380-400 и 600-800 В) используют для питания цепей собственных нужд,вспомогательных машин, тиристорных возбудителей и других вспомогательных цепей.
Обмотки тяговых трансформаторов вместе с магнитопроводом (иногда с полупроводниковыми вентилями) помещены в бак с трансформаторным маслом, имеющим высокие электроизоляционные свойства. Масло интенсивно охлаждают, применяя принудительную циркуляцию (масляным насосом) через масляные теплообменники, обдуваемые воздухом. Тяговые трансформаторы выпускают в тяговом исполнении, т. к. они должны выдерживать колебания и динамические силы при движении ЭПС. Трансформаторы и баки с маслом имеют ограниченные габаритные размеры и массу, определяемые габаритными размерами кузова ЭПС; размеры трансформатора зависят от мощности и должны соответствовать расстоянию между тележками. Изготовляются трансформаторы с учетом работы контактной сети при больших перепадах напряжения. На изоляцию обмоток воздействуют коммутационные и атмосферные перенапряжения, являющиеся наиболее опасными, т. к. амплитуда их (при несовершенной защите) может превышать номинальные напряжения трансформатора в десятки раз. Масса трансформаторов электровозов достигает 8—15 т, электропоездов 2,5-3,5 т (удельные массы соответственно 1,5-2,4 и 2,7-3,3 кг/кВ-А). На подвижном составе с бесколлекторным трехфазным тяговым приводом трансформаторы имеют специальное исполнение - с четырьмя вторичными гальванически разделенными обмотками. Их используют для питания выпрямителей четырехквадрантных преобразователей, включенных обычно со взаимным смещением по фазе для снижения уровня гармонических составляющих тягового тока.