Особенности СУЭ электровоза ЭП20
Тяговая система электровоза ЭП20
Пассажирский шестиосный электровоз ЭП20 двойного рода тока с асинхронными тяговыми двигателями (АТД) оборудован принципиально новой тяговой системой. Ее основу составляют современные электромеханические, силовые полупроводниковые и электронные устройства:тяговые преобразователи,тяговые двигатели, вспомогательный преобразователь, тяговый и вспомогательные трансформаторы, блок дросселей, блоки тормозных резисторов (БТР), главный выключатель (ГВ), быстродействующий выключатель (БВ), высоковольтный и низковольтные блоки. В них широко используются микропроцессорные устройства. В тяговой системе локомотива нового поколения воплощены современные решения в области электропривода с асинхронными двигателями, регулируемого вспомогательного привода. Так, на нем применены высокочастотные высоковольтные IGBT-транзисторы (от англ. Insulated-Gate Bipolar Transistor) — биполярные транзисторы с изолированным затвором, управляемые микропроцессорной системой с широкими функциями встроенной (безразборной) диагностики компонентов.
В зависимости от рода тока используется соответствующая конфигурация тяговой системы. Такие компоненты как ГВ и тяговый трансформатор используют при работе на переменном токе, БВ — на участках постоянного тока. Алгоритмы управления тяговыми и вспомогательными преобразователями на разных родах тока отличаются.
Перечислим основные функции тяговой системы электровоза ЭП20:
- управление сетевым преобразователем (4QS) для регулирования потока электроэнергии между контактной сетью и звеном постоянного напряжения;
- управление выходным трехфазным инвертором для регулирования потока электроэнергии между звеном постоянного напряжения и тяговым двигателем;
- согласование характеристик входного и выходного преобразователей, устранение автоколебаний, стабилизация регулируемых величин;
- обеспечение противобоксовочной защиты. В случае боксования одной или нескольких колесных пар реализуется противобоксовочный алгоритм управления электровоза применительно к АТД боксую-щих осей.
Использование бесколлекторного тягового привода на локомотиве ЭП20 открыло новые возможности в конкурентной борьбе железных дорог с другими видами пассажирского транспорта.
Отличия пятого поколения электровозов
Можно отметить ряд выгодных отличий от применения асинхронного тягового привода на электровозе пятого поколения:
- благодаря большой жесткости характеристик АТД, формируемых тяговым преобразователем, более полно (на 5 — 10% выше, чем на электровозах с коллекторным приводом) и практически на пределе по сцеплению реализуется тяговое усилие, развиваемое электровозом;
- номинальная мощность АТД использована во всем диапазоне скоростей вплоть до конструкционной. Вследствие этого локомотив становится универсальной подвижной единицей, которая может иметь различные передаточные числа тягового редуктора.
Таким образом, можно разрабатывать локомотивы на различные максимальные скорости. Сейчас существуют два исполнения электровозов ЭП20 — на скорости 200 км/ч (основное исполнение) и 160 км/ч;
- по сравнению с двигателями постоянного тока серийных пассажирских электровозов мощность двигателя ДТА-1200А в тех же габаритах увеличена в 1,5 раза;
- в конструкции АТД использовали меньше дорогостоящих и экологически вредных материалов: меди — в 2 раза, изоляционных материалов — на 20 %; полностью исключено применение асбеста;
- существенно уменьшилась трудоемкость обслуживания и ремонта АТД (главным образом, из-за отсутствия коллекторно-щеточного узла и изолированной обмотки на роторе).
В силовых цепях электровоза органично сочетаются две схемы питания оборудования от систем тягового электроснабжения постоянного и переменного тока. При разработке силовой части проектировщикам удалось более универсально использовать основное оборудование, чтобы оптимизировать массогабаритные показатели и стоимость комплекта необходимых электрических аппаратов. Тяговая система электровоза ЭП20 разработана на основе принципа трансиверности, т.е. использования большинства одних и тех же компонентов как на переменном, так и на постоянном токе.
Конфигурация на переменном токе
В работе находится токоприемник ХА1. Через включенный ГВ напряжение контактной сети прикладывается к первичной обмотке тягового трансформатора Т1. При этом во входной цепи в положительный полупериод образуется следующая цепь протекания тока в режиме тяги: токоприемник ХА1, ГВ, первичная (сетевая) обмотка тягового трансформатора Т1, токосъемное устройство XT, рельс. Напряжение, приложенное к первичной обмотке трансформатора Т1, понижается на шести вторичных (тяговых) обмотках до значения, соответствующего нормальной работе входных преобразователей, конструктивно входящих в состав тяговых преобразователей ТП1 — ТПЗ. Седьмой вторичной обмоткой трансформатора является обмотка энергообеспечения вагонов (ООт) с номинальным напряжением 3000 В переменного тока. Данное значение определено стандартом напряжения цепей энергоснабжения пассажирских вагонов на железных дорогах РФ.
К каждой тяговой обмотке подключен входной преобразователь ТП, обеспечивающий индивидуальное энергоснабжение цепей питания двигателей М1 — Мб посредством независимо управляемых тяговых преобразователей. Каждый из трех блоков преобразователей ТП1 — ТПЗ содержит в своем составе (конструктиве) два преобразователя, каждый из которых индивидуально питает АТД. Входные преобразователи тягового блока (рис. 3, модуль А1) выполнены по схеме так называемого четырехквадрантного преобразователя (4QS). Они преобразуют переменное напряжение в напряжение постоянного тока 3000 В, значение которого выбрано для унификации с напряжением на входе трехфазных инверторов напряжения. При этом входные преобразователи обеспечивают коррекцию фазы сетевого тока с коэффициентом мощности электровоза, близким к единице. Такое значение является одним из показателей высокой энергоэффективности электровоза. Входной преобразователь через звено постоянного напряжения подключен к трехфазному автономному инвертору напряжения (модули А2, АЗ).
Конфигурация на постоянном токе
При работе на постоянном токе процесс преобразования напряжения сводится к его регулированию на АТД посредством выходного преобразователя АИН. При этом тяговый трансформатор находится вне цепи преобразования энергии. Вспомогательный преобразователь через коммутационные аппараты подключен непосредственно к контактной сети. Его рабочее напряжение находится в диапазоне 2200... 4000 В при номинальном значении 3000 В. На постоянном токе инверторы получают питание непосредственно от входных высоковольтных цепей электровоза через входной фильтр. Ток поступает в звено постоянного напряжения из контактной сети (см. рис. 2) через токоприемник постоянного тока ХА2, быстродействующий выключатель БВ, дроссель L1 и далее — на тяговые преобразователи. По условиям устойчивого электропитания вспомогательных нагрузок применены четыре канала питания (два — с фиксированной частотой питания и два — с регулируемой частотой и тремя ступенями напряжения и частоты регулирования: 25, 40 и 50 Гц). Данные четыре канала одного вспомогательного преобразователя подключены к звеньям постоянного напряжения тяговых преобразователей 2 — 5.
Рассмотрим работу тяговых преобразователей на примере одного канала питания тягового двигателя. Сеть переменного тока 19... 29 кВ. Напряжение вторичной обмотки тягового трансформатора при номинальном значении 25 кВ составляет 1659 В. Оно прикладывается к входным цепям тягового преобразователя и преобразуется в звене постоянного напряжения до стабилизированного значения 3000 В. Работа вспомогательного преобразователя и АИН сопровождается облегченными условиями эксплуатации, поскольку данные преобразователи гальванически развязаны с контактной сетью через тяговый трансформатор и питаются от звена постоянного напряжения стабилизированным напряжением 3000 В, не зависящим от колебаний напряжения в контактной сети.
В один из полупериодов питающего напряжения ток протекает по цепи: зажим вторичной обмотки ТТ (участок 1), линейный контактор К2 (участок 2), соответствующие силовые полупроводниковые приборы IGBT (участок 3), контакт разъединителя (переключателя рода тока) Q1 (участок 4), контур звена постоянного напряжения, зажим с положительным потенциалом напряжения, дроссель L2 (участок 5), контур звена постоянного напряжения (участок 6), второй контакт разъединителя Q1, конденсатор С2 фильтра (участок 7), зажим с отрицательным потенциалом подключения АИН (участок 8).
Регулирование фазы сетевого тока и стабилизация напряжения звена постоянного напряжения обеспечиваются коммутацией силовых транзисторов входного преобразователя по соответствующим законам регулирования под контролем системы управления тягового преобразователя. Последовательно соединенные дроссель L2 и конденсатор С2 образуют так называемый режекторный фильтр второй гармоники выпрямленного тока, исключающий проникновение пульсаций с частотой 100 Гц в цепь питания АТД. Подавление этой гармоники позволяет избежать пульсаций момента тягового двигателя при дальнейшем преобразовании энергии (инвертировании). Трехфазный АИН регулирует величину электромагнитного момента и частоту вращения АТД, исходя из задаваемой машинистом силы тяги и скорости электровоза. Регулирование мощности АТД осуществляется модуляцией напряжения путем коммутации транзисторов АИН.
Сеть постоянного тока. В последнее время на подвижном составе с АТД, в том числе на электровозах ЭП10, 2ЭС10 и ЭП20, широко применяют схемы питания инверторов (см. рис. 4), где роль входного фильтра выполняет сглаживающий реактор L1 совместно с конденсаторами звена постоянного напряжения. Они предполагают простоту преобразователя с минимально возможным числом силовых полупроводниковых приборов и реактивных компонентов, а также меньшие потери энергии в преобразователе. Упрощенно такую схему питания инвертора называют прямым включением. Особенность работы от сети постоянного тока заключается в том, что ток протекает в звено постоянного напряжения каждого преобразователя через диоды IGBT модулей входного преобразователя. При этом входной преобразователь на постоянном токе не работает. Предварительный заряд емкостей силовых фильтровых конденсаторов (при начальном запуске преобразователей) на обоих родах тока обеспечивается контакторами и резисторами (в данном случае— R12 и КЗ).
Ток протекает по цепи: входные высоковольтные цепи электровоза, дроссель L1 (участок 1), линейный контактор К4 (после предварительного заряда, участок 2), дроссель L2 (участок 3), замкнутый контакт разъединителя Q2 (участок 4), входные цепи преобразователя (участок 5), диод модуля IGBT (участок 6), звено постоянного напряжения (участок 7). В режиме электрического торможения АИН переводит двигатель в генераторный режим в соответствии с алгоритмом системы управления ТП. В режиме рекуперативного торможения энергия направляется в контактную сеть, а в режиме реостатного торможения — гасится в тормозном резисторе. Ток, протекающий через тормозной резистор, регулируется транзистором VT.
Остановимся подробнее на основных характеристиках каждого компонента тяговой системы.
Тяговый преобразователь ТП
Преобразует постоянный или переменный ток частотой 50 Гц в трехфазный ток в режиме тяги для питания АТД, а также преобразует трехфазный ток в постоянный или переменный ток в режиме рекуперации. Конструктивно ТП состоит из двух силовых блоков и одного блока теплообменника. В электровозе установлены три ТП: один — на каждую тележку. Охлаждение силовых полупроводниковых приборов ТП — жидкостное. В качестве охлаждающей жидкости используется смесь дистиллированной воды и антифриза. Преимуществом преобразователей такого типа является высокая энергоэффективность, значительно меньшее искажение сетевого тока при работе на переменном токе по сравнению с выпрямительно-инверторными преобразователями с зонно-фазовым управлением, возможность регулировать потребление реактивной мощности.
Вспомогательный блок
Предназначен для преобразования постоянного напряжения в регулируемое по частоте и амплитуде трехфазное напряжение, используемое для питания вспомогательных машин и устройств собственных нужд. В качестве нагрузок применены, главным образом, индивидуальные вспомогательные двигатели для обеспечения нормальной работы электровоза. Мощность, потребляемая на собственные нужды, незначительно возрастает в режиме тяги на участках переменного тока и в режиме реостатного торможения — на участках постоянного тока.