Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обоснование использования вентильно-индукторного электропривода на подвижном составе 11
1.1. Условия работы и требования, предъявляемые к эксплуатационным характеристикам тягового электропривода ЭПС 11
1.2. Требования к тяговым характеристикам электровоза в момент трогания ив период разгона 13
1.3. Обоснование использования вентильно-индукторного электропривода на ЭПС 23
Выводы по главе 1 27
Глава 2. Математическое описание процессов в системе тягового электропривода при формировании тяговых характеристик подвижного состава 29
2.1. Математическая модель вентильно-индукторного электропривода 29
2.2. Условия постоянства электромагнитного момента тягового вентильно-индукторного двигателя ЭПС 44
Выводы по главе 2 48
Глава 3. Расчет параметров и характеристик тягового вентильно-индукторного электропривода эпс в режиме равномерного электромагнитного момента 50
3.1. Формирование равномерного электромагнитного момента ВИМ с фазовым перекрытием в 90 электрических градусов 50
3.2. Четырехфазный тяговый электропривод с электромагнитным моментом без пульсаций 55
3.3. Расчет электромагнитного момента двигателя без пульсаций с использованием теории оптимального управления 63
3.4 Расчет предельных тяговых характеристик ВИП 70
Выводы по главе 3 74
Глава 4. Силовая часть и система управления вентильно-индукторного тягового электропривода эпс в режиме равномерного электромагнитного момента 77
4.1 Силовые полупроводниковые приборы и элементная база систем управления 77
4.2. Схемотехнические решения для управления тяговым двигателем ЭПС в режиме равномерного без пульсаций электромагнитного момента 81
4.3. Компьютерное моделирование и экспериментальное подтверждение полученных теоретических результатов 89
4.4. Экономическая эффективность предлагаемых технических решений...96
Выводы по главе 4 97
Заключение 99
Литература 101
Приложения по
Приложение 1. Программа расчета оптимальных
Режимов работы тягового вентильно-
Индукторного электропривода 111
Приложение 2. Методика испытаний вентильно-индукторного электропривода в режиме постоянного электромагнитного момента 125
АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ 130
- Требования к тяговым характеристикам электровоза в момент трогания ив период разгона
- Условия постоянства электромагнитного момента тягового вентильно-индукторного двигателя ЭПС
- Четырехфазный тяговый электропривод с электромагнитным моментом без пульсаций
- Схемотехнические решения для управления тяговым двигателем ЭПС в режиме равномерного без пульсаций электромагнитного момента
Введение к работе
В России железнодорожные перевозки занимают ведущее место среди других видов транспорта. Около 80% грузооборота и 40% пассажирооборота осуществляется железнодорожным транспортом.
Успехи современной науки и техники в области создания новых силовых полупроводниковых приборов, быстродействующих микропроцессоров, новых конструкционных и изоляционных материалов предопределяют интенсивный рост технического уровня, улучшения характеристик и удельных технико-экономических параметров магистральных электровозов постоянного и переменного тока. Наряду с этим в парке пассажирских и грузовых локомотивов имеется значительное количество техники, эксплуатируемой с превышением установленного срока службы.
По данным совещания ОАО «РЖД» от 23 декабря 2003 года «О состоянии дел и ходе разработки и освоения производства новых локомотивов» с просроченным сроком службы в эксплуатации находится 57,3% пассажирских электровозов постоянного тока, 25,7% пассажирских электровозов переменного тока, 21,7% пассажирских тепловозов. Подвижной состав железных дорог во многом устарел не только физически, но и морально. Возрастают расходы на содержание и ремонт эксплуатируемого парка.
Пути решения проблем локомотивного хозяйства отражены в Федеральной программе развития транспортной системы России, утвержденной Постановлением Правительства Российской Федерации, Комплексной программе реорганизации и развития отечественного локомотиво- и вагоностроения на период 2001-2010 г.г., утвержденной Постановлением расширенного заседания апрельской Коллегии МПС России 2001г.
В электровозостроении намечен целый ряд мер по совершенствованию технико-экономических показателей электровозов. Научно-исследователь-
7 ские работы в области тяговых свойств электровозов, системы управления и энергетики сосредоточены по следующим основным направлениям
[1]:
исследование предельных тяговых возможностей по сцеплению;
разработка критерий и оценки использования тяговой области;
исследование возможностей и реализация в разработках найденных решений рационального применения в системах управления электровозов современной компьютерной технологии;
разработка конструктивного исполнения и исследование устройств компьютерной оптимизации функционирования внутрилокомотив-ных управляемых систем;
исследование систем компьютерного управления режимами движения электровоза;
исследования, направленные не уменьшение потребления электроэнергии на тягу путем повышения КПД основного оборудования, снижения энергозатрат на вспомогательные нужды, оптимизации режимов работы электровоза как локомотива;
совершенствование системы рекуперации;
исследование систем повышения коэффициента мощности.
Достаточно долго электропривод, на базе коллекторной машины постоянного тока, обладал наилучшими показателями и регулировочными свойствами, как преобразователь энергии, занимая ведущее место среди тяговых электроприводов [1,37]. Стремление исключить коллектор, привело к использованию в электрической тяге синхронных и асинхронных электрических машин, что позволило поднять на значительно более высокую ступень технико-экономические показатели электропривода. Специалистами института электровозостроения (ныне ОАО «Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт электровозостроения» (ОАО «ВЭлНИИ»)) и Новочеркасского электровозостроительного заво-
8 да (ныне ОАО «Научно-производственное объединение Новочеркасский электровозостроительный завод» (ОАО «НПО НЭВЗ»)), еще в 1967 году, были разработаны опытные, четырехосные, секции электровозов, переменного тока, с вентильными тяговыми двигателями ВЛ80В-216 и с асинхронными тяговыми двигателями ВЛ80А-238 [2].
Локомотивы нового поколения должны соответствовать типажу на подвижной состав, утвержденному распоряжением МПС № 747р от 27 ноября 2002 года и Техническим требованиям к новым локомотивам, утвержденным МПС 9 декабря 2002 года.
Технические требования к электровозам нового поколения предусматривают:
повышение производительности локомотива не менее чем на 5%;
снижение расхода топлива не менее чем на 10%;
увеличение пробегов между ТО и ТР не менее чем на 50%;
снижение эксплуатационных расходов на техническое обслуживание и ремонт не менее чем на 25%;
использование комплектующего оборудования российского производства;
требования к экологии в соответствии с действующими стандартами.
Основой для формирования комплекса технических решений по электровозам должны стать:
бесколлекторный тяговый электропривод с современными полупроводниковыми преобразователями;
комплексные бортовые микропроцессорные системы управления с подсистемой диагностики основного оборудования;
новые конструкции тяговых передач;
реализация концепции блочно-модульного построения ряда
локомотивов на основе унифицированных модулей, систем локомотива и их компонентов.
В типаже предусматривается создание пассажирских электровозов постоянного и переменного тока, на скорость 120-200 км/ч и электропоездов на скорость 130 км/ч.
Локомотивный парк по электровозам за счет поставки новых локомотивов к 2010 году может быть обновлен на 15% . Все это свидетельствует о необходимости принятия срочных мер по созданию и выпуску локомотивов нового поколения.
В настоящее время также ведутся работы по внедрению на подвижном составе железных дорог ВИП [3, 4, 5, 6]. ВИП вышли на рынок регулируемых приводов в качестве сильного конкурента электроприводам на базе электрических машин традиционного исполнения (синхронных и асинхронных с ко-роткозамкнутым ротором) [4].
Значительный вклад в разработку и исследование перспективных систем тяговых электроприводов в пуско-тормозных режимах внесли ученые России: В.Д. Авилов, Ю.А. Бахвалов, А.И. Беляев, Д.М. Беленький, Е.П. Бло-хин, В.И. Бочаров, Ю.Г. Быков, В.А. Винокуров, И.С. Ефремов, Д.Д. Захар-ченко, И.П. Исаев, В.Г. Иноземцев, Ю.М. Юньков, В.К. Калинин, Л.Ф. Коломейцев, А.С. Курбасов, Д.К. Минов, В.И. Некрасов, А.В. Плакс, М.Г. Потапов, Б.Д. Никифоров, В.Е. Розенфельд, Н.А. Ротанов, А.Н. Савоськин, Н.Н. Сидоров, В.Е. Скобелев, В.В. Стрекопытов, Э.Д. Тартаковский, Б.Н. Тихме-нев, Л.М. Трахтман, Т.А. Тибилов, В.П. Феоктистов, В.В. Шаповалов, В.Г. Щербаков, В.П. Янов и др.
В мировой практике наблюдается интенсивное развитие тяговых бесколлекторных электроприводов электроподвижного состава с высокими технико-экономическими показателями. Современный электропривод обладает регулировочными возможностями, позволяющими существенно повысить
10 равномерность электромагнитного момента, увеличить степень использования тягового привода по мощности, снизить вероятность боксова-ния, уменьшить шум и вибрацию.
Для более полного использования возможностей современного электропривода важной задачей является разработка высокоэффективных законов управления на базе оптимизационных алгоритмов.
Требования к тяговым характеристикам электровоза в момент трогания ив период разгона
При эксплуатации электроподвижного состава колесная пара локомотива, при определенных условиях, может сорваться в боксование, это увеличивает износ бандажей и рельсов. Кроме того, в большинстве случаев боксование сопровождается развитием крутильных колебаний, вредно влияющих на работу тягового привода. В связи с этим очевидна необходимость немедленного прекращения боксования, а также снижения вероятности его появления.
Возникает такое явление независимо от типа используемого тягового привода в случае, когда сила тяги превышает ограничение по сцеплению, или если по каким-либо причинам, произошло снижение сцепления колеса с рельсом. Поэтому для предотвращения боксования необходимо регулировать силу тяги так, чтобы она не превышала ограничения по сцеплению. Реализовать большую силу тяги можно, если увеличить коэффициент сцепления с рельсом Ч к.
Процессы во фрикционном контакте колесо-рельс определяют реализуемую силу тяги по сцеплению, а, следовательно, провозную и пропускную способность участков, износ колесных пар и рельсов, надежность подвижного состава и пути.
Проблема сцепления, несмотря на ее кажущуюся простоту, является одной из наиболее давних и сложных проблем железнодорожного транспорта. Важную роль в теории и практике играют характеристики сцепления.
Десятки лет практические вопросы использования сцепления колесных пар локомотива решали на базе характеристик сцепления K(U), установленных Н.Н. Меншутиным и Y(U), установленных М.Р. Барским и И.И. Серди-новой. В соответствии с этими характеристиками с ростом скорости скольжения коэффициент сцепления уменьшается от потенциального значения до значений меньше 0,5Y0. После глубоких процессов боксования потенциальный коэффициент сцепления получает меньшее значение по сравнению с Y0 до боксования.
Известно [7, 8], что помимо конструкции механической части и электрического оборудования электровозов, скорости движения и т.д. на коэффициент сцепления электровоза влияет ряд других факторов: техническое состояние локомотива; изменение давления колес на рельсы; контакт между колесом и рельсом, зависящий от формы бандажа, поверхности рабочей части головки рельса и их взаимного расположения; скольжение, связанное с разницей диаметров колес по кругу катания; состояние поверхности рельсов; качество песка и т.д. Все эти факторы и их сочетания в эксплуатации случайны, а значит предвидеть их появление можно только с большей или меньшей степенью вероятности, основываясь на статистических данных, полученных в ходе эксплуатации конкретного участка железной дороги. Поэтому во внимание берутся только те факторы, которые изначально закладываются в конструкцию локомотива. Для увеличения коэффициента сцепления на электроподвижном составе применяются различные средства, как механические, так и электрические. К механическим средствам относятся: подача песка в место контакта колесо - рельс; применение мономоторных тележек; усовершенствованная механическая часть; увеличение давления колеса на рельс и т.д. К электрическим средствам относятся: независимое возбуждение тяговых двигателей постоянного тока (формирование жесткой характеристики); неравномерное ослабление возбуждения по тележкам. Применение механических противобоксовочных систем, в отличие от электрических возможно на электровозах с различными типами тягового электропривода.
Первыми в России получили распространение электровозы с тяговыми электродвигателями (ТЭД) постоянного тока последовательного возбуждения, регулирование напряжения на которых осуществлялось ступенчато. Электровоз с таким приводом обладает плохими противобоксовочными свойствами, т.к. ТЭД последовательного возбуждения имеет мягкую тяговую характеристику. Это объясняется тем, что при увеличении скорости вращения колеса сила тяги уменьшается незначительно. Возникшее боксование колес будет развиваться и стремиться перейти в разносное боксование. По мере увеличения скорости скольжения колеса в процессе боксования возрастает разница между силой тяги, развиваемой тяговым двигателем, и силой сцепления. В таком случае для прекращения боксования необходимо принимать меры для повышения сцепления колес с рельсом или уменьшения силы тяги. Если же тяговая характеристика ТЭД постоянного тока жесткая, т.е. сила тяги резко уменьшается при увеличении скорости, то при срыве колеса в боксование частота вращения его вращения увеличивается, а сила сцепления будет снижаться.
На дальнейший характер процесса боксования будет влиять степень жесткости характеристики. Сила сцепления будет уменьшаться, пока не окажется равной силе тяги. Скольжение колеса по рельсу прекратится, и наступит новое положение равновесия. Жесткую тяговую характеристику имеет ТЭД постоянного тока с независимым возбуждением. Жесткость тяговой характеристики такого двигателя 0,6-1 с/м .
Кроме жёсткости тяговой характеристики противобоксовочные свойства локомотива определяет уровень пульсаций электромагнитного момента ТЭД. Поскольку ТЭД постоянного тока питается пульсирующим током, электромагнитный момент, создаваемый таким электроприводом, будет пульсирующим. Для того, чтобы пульсации электромагнитного момента не привели к боксованию колёсной пары, расчётный коэффициент сцепления, используемый при расчете кривой ограничения по сцеплению, определяют с учётом особенностей ТЭД и способа регулирования частоты вращения вала электропривода, тем самым, снижая максимальное тяговое усилие по условиям сцепления. Определить расчетным путём влияние пульсаций электромагнитного момента на коэффициент сцепления, с достаточной точностью, трудно, поэтому наибольшая сила тяги электровоза, по условиям сцепления, определяется в условиях эксплуатации.
Далее, рассмотрим, как происходит процесс боксования на электроподвижном составе (ЭПС) с асинхронными тяговыми двигателями (АТД). Частота тока статора fi АТД автоматически регулируется в зависимости от частоты вращения ротора fBp. Противобоксовочные свойства АТД существенно зависят от способа измерения fBp. Одним из наиболее приемлемых способов является измерение на основе поступательной скорости, используя при этом датчик установленный на бегунковой оси (электропоезд), либо оборудовать датчиками все двигатели локомотива, выбирая минимальное значение f„p min-Преимуществом этих способов является то, что система регулирования fBp не реагирует на увеличение частоты вращения ротора двигателя, связанного с боксующей колесной парой.
Условия постоянства электромагнитного момента тягового вентильно-индукторного двигателя ЭПС
При вращении вала ВИМ изменяется взаимное расположение зубцов статора и ротора. Если обмотка находится под постоянным напряжением, то происходит чередование двигательного и генераторного режима работы (рис. 2.6). В системе электропривода для организации двигательного режима работы питание подается в моменты времени, соответствующие двигательному режиму.
При питании обмотки импульсами постоянного тока, согласно физической природе возникающих в ВИМ электромагнитных взаимосвязей, на валу образуется пульсирующий вращающий момент. Количество и величина пульсаций в симметричной ВИМ с равномерным воздушным зазором зависят от параметров импульса питания, количества зубцов статора и ротора, а также числа фаз, работающих в разные моменты времени и слабо связанных между собой в магнитном отношении.
Для получения плавного, без пульсаций вращающего момента ВИМ нужно выполнить следующие условия: электрическая машина должна быть симметричной с равномерным воздушным зазором, количество фаз должно быть три и более (для получения временных интервалов, когда в работе находятся две и более фаз), параметры импульса питания должны быть рассчитаны по специальному алгоритму и подчинены ряду условий, которые рассматриваются во второй главе данной работы. W - ярмо статора, 2 - зубец статора, 3 - зубец ротора, 4 - ярмо ротора.
Участок зубцовой зоны ВИМ 46 Пульсации момента не позволяют реализовать максимальное тяговое усилие при ограничении по сцеплению, так как расчет тяговой характеристики ведется исходя из среднего момента на валу. Неравномерность момента негативно влияет на противобоксовочные свойства локомотива, особенно на низких скоростях движения.
Максимальная мощность, развиваемая тяговым двигателем, определяется наибольшей силой тяги по условиям сцепления и наибольшей допустимой нагрузкой, ограниченной механической прочностью и условиями работы ТЭД.
Следует различать четыре зоны ограничения мощности и сил тяги двигателя, как это показано на рис. 2.7. При малых скоростях (зона I) наибольшая сила тяги определяется либо максимально допустимым током /тах, либо условиями сцепления в зависимости от того, какое из этих условий даёт меньшее значение силы тяги. Ограничение по сцеплению показано на рис. 2.6. линией 2.
На участке от Р==0 до V=V\ сила тяги ограничена максимальным током двигателя, а затем до скорости V2 условиями сцепления. В зоне II наибольшая сила тяги ограничивается максимальной мощностью преобразователя (кривая 3). В зоне III наибольшая сила тяги определяется допустимым значением реактивной ЭДС (кривая 4). В зоне IV скорость ограничена наибольшим допустимым ослаблением возбуждения (ТЭД постоянного тока), а сила тяги должна уменьшаться обратно пропорционально скорости в степени, несколько большей двух (кривая 5). Линия 6 соответствует наибольшей допустимой так называемой конструкционной скорости VK0HCTp, которая ограничивается прочностью элементов тягового двигателя и подвижного состава.
Предельная тяговая характеристика F(V) тягового двигателя при максимальном использовании его мощности во всём диапазоне скоростей На рис. 2.7 жирная ломаная кривая представляет собой предельную тяговую характеристику F(v), которой обладал бы тяговый двигатель при максимальном использовании его мощности во всем диапазоне скоростей. Такая характеристика обеспечила бы наибольшее использование мощности двигателей и ЭПС, на котором они установлены.
Для современных мощных тяговых двигателей предельная сила тяги определяется в большинстве случаев условиями сцепления, особенно в грузовом движении, при котором масса поезда зависит от наибольшей, возможной силы тяги электровоза. Для электропоездов и подвижного состава городского электротранспорта увеличение коэффициента сцепления позволяет повысить ускорения, а тем самым и средние скорости движения [7].
ВИП в настоящее время проходит период своего становления. Ему посвящено большое количество публикаций в отечественной и зарубежной литературе. Расширяется область его применения. ВИП становится сильным конкурентом асинхронным и синхронным вентильным электроприводам в электрической тяге. Для электроподвижного состава сильными сторонами ВИП являются - простота конструкции, надежность, высокие энергетические и удельные силовые показатели.
Однако для полного использования возможностей ВИП в качестве тягового привода ЭПС необходимо совершенствовать законы управления для создания плавно изменяющегося, без пульсаций электромагнитного момента. Это позволит лучше использовать силовые характеристики привода в пусковых режимах при трогании с места, не создавая боксования и негативных последствий, связанных с этим явлением. В силу своих конструктивных и физических особенностей ВИП при традиционном питании импульсами постоянного тока создает на валу значительные пульсации момента выше среднего значения. Мгновенное значение момента на валу может превысить ограничение по сцеплению, и колесная пара локомотива может сорваться в боксование. При этом происходит сильный износ бандажей и рельсов.
В главе проанализированы причины пульсаций электромагнитного момента ВИП и намечены пути их снижения или практически полного их исключения.
Осуществлен выбор математической модели ВИП, основу которой составляют уравнения для электрических контуров электрической машины. Учтены параметры источника питания и конденсатора фильтра. Осуществлен учет насыщения стали магнитопровода. Магнитная цепь рассчитывалась методом конечных элементов.
Четырехфазный тяговый электропривод с электромагнитным моментом без пульсаций
Значительные пульсации электромагнитного момента на валу тягового привода недопустимы. Неравномерный момент не позволяет реализовать максимальное тяговое усилие при ограничении по сцеплению, т.к. это ведет к возможности боксования, особенно на низких скоростях движения локомотива. Пульсации момента можно существенно снизить с помощью формирования специального алгоритма управления, ориентированного на согласованную работу фаз двигателя. В качестве объекта исследования был взят четырехфазный ВИЛ. Графики распределения токов и суммарного электромагнитного момента для такого типа электродвигателей приведены на рис. 3.3 и 3.4. Учитывая симметричность работы фаз, выберем интервал повторяемости и рассмотрим работу двух соседних фаз в интервале от 0 до жІі. Первой фазой в данной работе считается фаза с нарастающим током, а второй - с убывающим. Для составления математической модели приняты следующие допущения: потери в стали сердечников статора и ротора отсутствуют; электромагнитный момент равен моменту на валу двигателя (не учитываются потери на трение в подшипниках и вентиляционные потери); момент сопротивления постоянный; в коммутации обмоток участвуют идеальные ключи. Время коммутации и внутреннее сопротивление ключей равны нулю, частота переключений не ограничена.
Для определения индуктивностей обмоток использовалась программа расчета магнитных полей методом конечных элементов. На рис. 3.5 приведен график зависимости индуктивности от тока в обмотке (учет насыщения) и угла поворота ротора.
Математическая модель двигателя представлена в виде двух уравнений для токов. Уравнение движения не использовано, так как заранее полагалось, что частота вращения двигателя на расчетном интервале постоянна.
На основании этой зависимости задача была решена следующим образом. К первой фазе было приложено постоянное напряжение. При этом напряжение второй фазы изменяется в соответствии с (3.11). Как только оно достигнет значения, по амплитуде равного напряжению первой фазы, то далее будет поддерживаться постоянным, а напряжение первой фазы будет определяться по (3.11). Результаты расчетов показаны на рис. 3.6 и 3.7.
Для развития подхода, изложенного в параграфе 3.2, более общий случай получения равномерного вращающего момента может быть получен при использовании возможностей теории оптимального управления. В этом случае выбор управляющих воздействий в период одновременной работы двух фаз определяется двумя условиями, полученными из математической модели ВИЛ и заданного критерия оптимизации. Ограничение на максимальное значение подводимого напряжения накладывается только исходя из электрической прочности изоляции обмотки и возможностей источника питания.
Для четырёхфазной ВИМ при критерии оптимизации - минимум квадрата интегральной характеристики величины напряжения питающего импульса задача оптимизации, решаемая с помощью принципа максимума, может быть представлена в виде двух дифференциальных уравнений для токов работающих фаз, двух дифференциальных уравнений для вспомогательных функций и двух уравнений для напряжений фаз.
На основании предложенного алгоритма задача была решена вначале без оптимизации с использованием уравнений (3.22), (3.23), (3.26). Напряжение на второй фазе в начале процесса поддерживалось постоянным и максимально возможным по условиям работы источника питания.
В случае использования алгоритма оптимизации, когда уравнения (3.22) -(3.27) решались совместно, электрические потери в обмотке в номинальном режиме получились ниже на 5 %, чем без оптимизации.
ВИП должен продолжительно работать в любой точке тяговой характеристики, а его система управления должна обеспечивать плавное регулирование с учетом ограничений по сцеплению и конструкционной скорости. Тяговый привод на базе ВИМ удовлетворяет этим требованиям. Сила тяги электровоза не должна превышать ограничение по сцеплению, чтобы колёсная пара не сорвалась в боксование. Так как электроприводы разных типов имеют разные тяговые характеристики, то коэффициент сцепления, используемый при расчете максимально возможного значения силы тяги электровоза по условиям сцепления колёс, для электровозов с разными типами тягового электропривода, будет разный.
Схемотехнические решения для управления тяговым двигателем ЭПС в режиме равномерного без пульсаций электромагнитного момента
Для реализации предложенного способа исключения пульсаций электромагнитного момента ВИМ силовая схема питания фазы останется без изменения. Необходимо только модернизировать систему управления с целью реализации алгоритма управления силовыми ключами согласно полученным в главе 3 зависимостям.
Формирование специальной формы питающего импульса возможно посредством ШИМ. До появления цифровой техники широтно-импульсная модуляция для управления инверторами электроприводов реализовывалась средствами аналоговой техники. Современные системы управления электроприводами строятся исключительно на основе цифровой управляющей техники. Поскольку параметры ШИМ жёстко не определены, а изменяются согласно заранее заданной зависимости от одного или нескольких контролируемых параметров, то целесообразно текущие атрибуты ШИМ вычислять специализирован 84 ным процессором. Контролируемыми параметрами в данном случае являются: ток фазы и частота вращения ротора ВИМ. Для четырёхфазных систем необходимы четыре независимых канала ШИМ: по одному на каждую фазу.
Силовая схема преобразователя (инвертора) для одного четырёхфазного ВИТЭП электроподвижного состава с улучшенными тяговыми свойствами изображена на рис. 4.2 и содержит: VT1, VT2, VD1, VD2 - полумостовой ключ коммутирующий обмотку W1 первой фазы. W2, W3, W4 - соответственно; I - датчик обратной связи формирующий напряжение пропорциональное току в обмотке; БФПИ - блок формирования питающего импульса вычисляющий параметры ШИМ согласно входным сигналам; ЦПП - центральная процессорная плата определяющая логику работы преобразователя и временные параметры импульса питания; ДПР - датчик положения ротора ВИТЭП.
Центральный процессор по данным датчика положения ротора, вычисляет длительность импульса питания, зависящую от частоты вращения якоря ТЭД. После того как ЦПП подаёт «разрешающую» команду, БФПИ формирует в обмотке фазы ВИМ импульс тока требуемой формы и заданной длительности. Точное определение положения ротора относительно статора необходимо лишь на низких частотах вращения, примерно до 100 об/мин, что возможно осуществить с помощью индуктивного датчика, уверенно работающего в этом диапазоне частот вращения. Далее длительность питающего импульса определяется измерением времени между сигналами ДПР за предыдущие несколько оборотов вала ВИТЭД.
Электровоз с ВИП состоит из тех же функциональных блоков, что и электровоз с асинхронным тяговым приводом. На рис. 4.3 изображена функциональная схема электровоза переменного тока с вентильно-индукторным тяговым электроприводом, на которой обозначены цепи переменного тока высокого напряжения, цепи постоянного тока и цепи импульсного напряжения.
Данная схема подразумевает использование ВИМ в составе всех вспомогательных электроприводов электровоза. Отличие электровоза с АТЭД от электровоза с ВИТЭП заключается лишь в схемной реализации отдельных функциональных блоков. Силовая схема электровоза переменного тока с ВИП содержит: токоприёмник; главный выключатель; тяговый трансформатор; управляемый выпрямитель; инвертор; тяговый вентильно-индукторный привод.
Пониженное переменное напряжение с вторичной обмотки тягового трансформатора поступает в управляемый выпрямитель, где преобразуется в постоянное регулируемое напряжение. Инвертор в соответствии с сигналами датчика положения ротора подключает фазы ВИМ на постоянное выпрямленное напряжение. Напряжение, на которое рассчитывается тяговый элек 88 тропривод, зависит от силовой элементной базы управляемого выпрямителя и инвертора, а также возможности последовательно-параллельного их включения. В связи с тем, что не целесообразно применять последовательное включение силовых полупроводниковых ключей (IGBT и IGCT), т.к. при этом требуются более сложные демпферные цепи. Параллельное соединение дискретных компонентов связано с необходимостью равномерного распределения между ними потерь мощности, по возможности наиболее точного выравнивания значений температур полупроводниковых переходов соединяемых дискретных приборов. Различие электрических характеристик отдельных приборов требует создания для каждого из них определённого запаса по току нагрузки, составляющего примерно 20% максимально допустимого значения. Даже при создании такого запаса по току необходимо обеспечить хороший теплоотвод от каждого прибора, чтобы обеспечить равенство температур полупроводниковых переходов [93].
Учитывая изложенное в п. 4.1 и зная, что кпд электродвигателя выше с увеличением напряжения питания, максимальное напряжение питания (на выходе управляемого выпрямителя), в случае применения IGBT с Гсм=4500 В, может составлять 3000 В и 4500 В при IGCTc UDRM=6000 В.
Для создания сил тяги и торможения необходимо наличие продольного проскальзывания колеса относительно рельса. Здесь система регулирования силы сцепления должна реализовать адаптирующее управление проскальзыванием, обеспечивающее максимальное использование сил сцепления при минимальном нагружении механических компонентов и допустимых значениях сил, действующих в контакте колесо- рельс [94].
Чтобы электровоз оснащённый вентильно-индукторным тяговым приводом обладал высокими тяговыми свойствами, система управления должна обеспечить: отсутствие боксования и юза; движение с постоянной скоростью при максимальной силе тяги; высокую плавность хода и большую силу тяги при разгоне поезда до высокой скорости; передачу больших усилий при электрическом торможении на затяжных спусках.
Для выполнения всех перечисленных условий и возможности реализации дополнительных режимов ведения поезда, в целом система регулирования тягового электропривода может быть построена по схеме изображенной на рис. 4.4, где:
БУ - блок управления, представляющий собой контроллер машиниста с системой автоведения поезда;
УКС - устройство контроля сцепления, модуль обрабатывающий информацию о текущей скорости движения локомотива, угловой скорости вращения колеса, заданном значении электромагнитного момента, с целью корректировки создаваемого электроприводом тягового усилия, тем самым реализовать адаптирующее управление проскальзыванием ;
ЦПУ - центральное процессорное устройство обрабатывает всю поступающую информацию в соответствии с заданными алгоритмами, на основании чего осуществляет управление силовым преобразователем;
СП - силовой преобразователь питает непосредственно тяговый ВИД контролируя несколько параметров с целью недопущения, либо предотвращения аварийных режимов работы тягового двигателя.
