|
Одним из путей повышения надежности работы электровозов является применение на них тяговых электродвигателей синхронного или асинхронного типа. Частота вращения роторов таких электродвигателей регулируется изменением частоты питающего тока. Так как в контактном проводе однофазный ток имеет постоянную частоту 50 Гц, то на электровозах необходимо устанавливать преобразователи частоты и числа фаз. С появлением тиристоров стало возможным создание таких преобразователей в достаточно компактном виде. Отсутствие коллектора позволяет повысить вращающий момент и мощность электродвигателя, а следовательно, и осевую силу тяги при данных габаритах электродвигателя. Исключаются коммутационные ограничения, что позволяет увеличить мощность и за счет повышения частоты вращения.
У электродвигателей синхронного и асинхронного типов возможно поддерживать постоянный вращающий момент во всем диапазоне скоростей. В результате при конструкционной скорости электровоз может реализовать максимальную мощность, значительно превосходящую мощность коллекторных тяговых электродвигателей. Поэтому для решения вопроса по дальнейшему повышению скоростей движения поездов применение бесколлекторных электродвигателей на электровозах рассматривалось как одно из перспективных направлений и научно-исследовательские и проектно-конструкторские организации с начала 60-х годов приступили к работам по созданию электровозов с такими электродвигателями.
Само существование бесколлекторных машин двух типов определило развертывание работ по новым электровозам переменного тока с тиристорами в двух направлениях: создание электровоза с синхронными электродвигателями, получившего наименование вентильных, и создание электровоза с асинхронными электродвигателями.
В 1967 г. Новочеркасский электровозостроительный завод по проекту НЭлНИИ изготовил опытный электровоз ВЛ80Б-216, у которого одна секция имела вентильные тяговые электродвигатели, а вторая представляла собой обычную секцию серийного электровоза ВЛ80К. Секция с вентильными электродвигателями рассматривалась как макетная и предназначалась для экспериментальной проверки и отработки всей системы оборудования электровоза с таким приводом. Индекс "Б" у серии обозначал, что это электровоз с бесколлекторными электродвигателями (обозначение ВЛ80В в то время использовалось для электровозов ВЛ80 с высоковольтным регулированием напряжения). Тележки макетной секции такие же, как у электровоза ВЛ80К. Конструкция кузова претерпела небольшие изменения, связанные с применением другого электрооборудования. Передаточное отношение зубчатой передачи 21:88=1:4,19.
На секции установлен силовой трансформатор ОДЦЭ-7500/25 несколько измененной по сравнению с трансформатором электровоза ВЛ80К конструкции. Его мощность повышена до 7500 кВ·А при весе 9600 кгс. Повышено напряжение регулируемой и нерегулируемой частей обмотки до 2х208 и 1020 В, поставлена обмотка для питания цепей возбуждения на 100 В. Остальные обмотки такие же, как и трансформатора ОЦР-5000/25В. В схеме отсутствует встречное включение регулируемой и нерегулируемой частей (ранее это применялось на электровозе ВЛ60-317). Напряжение, подаваемое от вторичной обмотки к преобразователям, регулируется с помощью главного контроллера ЭКГ-14, имеющего 36 позиций, из которых 18 ходовых.
На секции установлены четыре тяговых электродвигателя НБ-600, конструктивно аналогичных синхронным машинам. Электродвигатель выполнен в корпусе электродвигателя НБ-418К, в остов которого запрессованы пакеты статора из листов электротехнической стали с трехфазными обмотками, соединенными в звезду и рассчитанными на напряжение фазы 1280 В при частоте 80 Гц и ток фазы при продолжительном режиме 360 А. Индуктор (ротор) электродвигателя имеет шесть явно выраженных полюсов. Мощность электродвигателя в часовом режиме 1200 кВт, номинальная частота вращения 1600 об/мин, наибольшая частота 2250 oб/мин. Вес электродвигателя 4200 кгс.
Обмотка статора каждого электродвигателя получает питание от вторичной обмотки трансформатора индивидуально, через тиристорный преобразователь ПЧФ-1, вентили которого выполняют функции выпрямителя однофазного тока и коммутации его в фазах обмотки статора при вращении ротора. Такое выполнение преобразователя обеспечивает коммутацию тока в машине также при трогании с места. Совмещение функций выпрямления и коммутации тока позволяет уменьшить число вентилей в преобразователе.
В каждом преобразователе имеется 12 плеч; в плече по 18-ти последовательно включенных тиристоров типа ВКДУ-150-7. Два преобразователя объединены в один блок. Общее количество вентилей в преобразователе 216, т. е. всего 864 на секцию электровоза. Между преобразователями и вторичной обмоткой трансформатора включены дроссели.
- Расчетная сила тяги часового режима 22 тс при скорости 85 км/ч;
- Максимальная скорость секции 110 км/ч;
- Вес макетной секции с 2/3 запаса песка составил 96 тс (24 тс на ось).
Первое самостоятельное движение макетная секция выполнила 4 ноября 1967 г. Затем начались наладка и устранение недостатков. Так, в системе управления преобразователями устранялись колебания величины тока электродвигателей. В ходе наладки электровоз водил (по кольцу завода) поезда весом до 6000 тс, разгоняясь до 70 км/ч; наибольшая реализованная электродвигателями мощность составила 1700 кВт.
В 1969 г. макетная секция прошла испытания на кольце ЦНИИ МПС. При испытаниях была реализована сила тяги 22,8 тс, получена наибольшая скорость с составом 86 км/ч. Одновременно были выявлены отдельные недостатки в системе управления преобразователями.
В дальнейшем (1973 г.) макетная секция № 216 была использована ЦНИИ МПС для решения вопросов, связанных с применением рекуперативного торможения на электровозах с вентильными электродвигателями, на которых этот вид торможения в отличие, например, от электровозов ВЛ80К не требует никаких изменений и добавлений в силовом оборудовании в схеме по сравнению с тяговым режимом.
С учетом результатов испытаний макетной секции №216 ВЭлНИИ спроектировал, а Новочеркасский завод построил в 1970 г. опытный образец восьмиосного электровоза переменного тока 25 кВ с вентильными электродвигателями ВЛ80В-661.
Для электровоза, ВЛ80В-661 использована механическая часть и тормозное оборудование электровоза ВЛ80Т. Трехфазные асинхронные электродвигатели компрессоров и вентиляторов питаются от обмотки собственных нужд трансформатора без расщепителя фаз по схеме с конденсаторным смещением фазы. Редукторы опытного электровоза имеют передаточное отношение 20:88=1:4,4. Тяговые электродвигатели, трансформатор, преобразователь частоты и фаз и аппаратура управления спроектированы для электровоза заново.
Тяговые трансформаторы ОДЦЭ-7500/25А изготовлены Таллинским электротехническим заводом им. М. И. Калинина. Вторичная тяговая обмотка трансформатора состоит из нерегулируемой части с напряжением холостого хода 1000 В и трех секций регулирования по 250 В (общее номинальное напряжение тяговых обмоток 1750 В). Номинальный ток 2850 А. Кроме того, трансформатор имеет обмотку возбуждения (напряжение холостого хода 250 В, номинальный ток 900 А) и обмотку собственных нужд (напряжение холостого хода 625 В и у отпаек - 400 и 295 В; номинальный ток 550 А). Вес трансформатора 8500 кгс.
Преобразователь частоты и фаз типа ПЧФ-1У для одного тягового электродвигателя состоит из 168 тиристоров ТЛ2-200 с напряжением лавинообразования не ниже 1000 В. Количество тиристоров выбрано с расчетом использования преобразователей для рекуперативного торможения. Преобразователь рассчитан на номинальный ток 780 А и на 15-минутный ток при частоте более 2 Гц 1125 А. Номинальное выходное напряжение преобразователя 1360 В, частота до 140 Гц.
Установленные на электровозе восемь тяговых электродвигателей НБ-601 рассчитаны на номинальную мощность при часовом режиме 1025 кВт; при этом фазное напряжение 650 В, фазный ток 628 А, ток возбуждения 205 А, частота вращения 1350 об/мин и к. п. д. 93,5%. Вес электродвигателя 4100 кгс. Тяговые электродвигатели имеют по восемь полюсов, ротор с неявными полюсами и демпферную обмотку. Статорная обмотка трехфазнай. Для обмоток применена изоляция класса F. Электродвигатели выполнены с независимым возбуждением; обмотки возбуждения получают питание от индивидуальных, тиристорных возбудителей.
Сила тяги электровоза регулируется плавным изменением выпрямленного напряжения. Ступенчатое изменение напряжения осуществляется переключением обмоток трансформатора с помощью главных контроллеров (ЭКГ), плавное межступенчатое регулирование - изменением угла открытия тиристоров. На 1 - 3-й зонах регулирования используются три секции регулируемой части вторичной обмотки трансформатора; на 4-й зоне - нерегулируемая часть; на 5-7-й зонах - в работе находятся последовательно соединенные нерегулируемая и регулируемая части. Фазовое регулирование напряжения возбудителей независимо от тока нагрузки придает тяговым, электродвигателям, характеристику, близкую к сериесной. Вес электровоза 192 тс.
После эксплуатационного пробега (свыше 6000 км) на участках Батайск-Лихая и Батайск-Иловайское Северо-Кавказской дороги электровоз был направлен на НЭВЗ для проведения некоторых усовершенствований и затем в 1971 г. прошел тягово-энергетические испытания. На основании этих испытаний ЦНИИ МПС установлены следующие основные показатели часового режима работы электровоза:
| Мощность на валах тяговых двигателей |
7480 кВт |
| Сила тяги |
46400 кгс |
| Скорость |
58 км/ч |
| К. п. д, без учета собственных нужд |
84% |
| Коэффициент мощности |
0,85% |
Мощность и скорость электровоза при часовом режиме оказались ниже расчетных из-за повышенных потерь в сглаживающем реакторе и понижения внешних характеристик преобразователя частоты и фаз против расчетных. Общий коэффициент полезного действия электровоза при учете собственных нужд по данным испытаний составляет 81% против 84% у электровозов серии ВЛ80К.
После тягово-энергетических испытаний электровоз ВЛ80В-661 был направлен для дальнейшей доводки на завод, с сентября 1972 г. вновь поступил в депо Батайск для работы с поездами. Одновременно (1973 г.) с приспособлением макетной секции №216 для рекуперативного торможения это же было сделано на электровозе ВЛ80В-661. Испытания электровоза в режиме электрического торможения на участке Батайск - Лихая дали положительные результаты.
В конце 1975 г. Новочеркасский завод построил еще два электровоза ВЛ80В (№1129 и 1130) с вентильными тяговыми электродвигателями НБ-601. Преобразовательные установки этих электровозов ПЧФ-1УМ имеют по 60 тиристоров Т-500-15 и по 16 диодов ВЛ-200-12. Тяговые параметры электровоза: сила тяги электровоза при часовом режиме и скорости 64 км/ч 46 500 кгс; при продолжительном режиме и скорости 69 км/ч - 39 500 кгс, а при максимальной скорости 110 км/ч - 20000 кгс. Расчетный вес электровоза при 2/3 запаса песка 192 тс.
Регулирование частоты вращения роторов вентильных тяговых двигателей
Вентильный двигатель является синхронной электрической машиной и может быть выполнен с различными системами возбуждения. В качестве примера рассмотрим регулирование частоты вращения роторов вентильных двигателей с независимым возбуждением на опытном электровозе ВЛ80В. Каждый вентильный двигатель должен иметь самостоятельный преобразователь, управляемый синфазно с вращением своего ротора. На электровозе ВЛ80В регулирование частоты вращения роторов вентильных двигателей при пуске и во время движения осуществляют изменением питающего напряжения и путем ослабления возбуждения. Каждый вентильный двигатель представляет собой отдельный блок, содержащий двухполюсный разъединитель-отключатель Р (показано на рисунке) для отключения блока при его неисправности, сглаживающий реактор СД, уменьшающий пульсацию выпрямленного тока, преобразователь частоты и числа фаз ПЧФ с тиристорами 7ВЗ выпрямительного звена и Тт инверторного. В блок входят также линейные контакторы ЛК1 и ЛК2 для оперативных отключений двигателя и разрыва цепи статорных обмоток при движении резервом и короткозамыкатель с четырьмя контактами К.1—К4, защищающий ПЧФ в аварийных режимах. После замыкания контактов К1—К4 при к.з. во вторичной обмотке трансформатора Тр отключается главный выключатель ГВ, а при к.з. статорной обмотки двигателя цепь разрывается контакторами ЛК1, ЛК2 после отключения тока возбуждения.
Преобразователь ПЧФ с неявно выраженным звеном постоянного тока позволяет осуществлять поочередное питание фаз статорной обмотки. В нем одни и те же тиристоры выполняют функции выпрямления переменного тока на входе в статорную обмотку (сетевая коммутация) и коммутации тока в статорной обмотке в соответствии с изменениями положения ротора (машинная коммутация). Это обеспечивает более высокий к.п.д. преобразователя по сравнению с к.п.д. преобразователя, имеющего явно выраженное звено постоянного тока, где в любой момент времени цепь тока замыкается последовательно через два комплекта вентилей — выпрямляющие и коммутирующие.
Система автоматического управления вентильными двигателями (САУ) состоит из пяти устройств. Устройство I выполнено в виде контроллера машиниста КМ, с помощью которого машинист управляет главным контроллером ГК и ступенями изменяет напряжение, подводимое к ПЧФ
Устройство II управляет вентилями выпрямительного звена. Путем сравнения истинного и заданного значений токов якоря и задержки сигналов относительно времени перехода питающего напряжения через нуль оно автоматически ограничивает ток в обмотке статора (якоря). Это устройство позволяет осуществить плавный пуск электровоза. Основное же назначение его — обеспечение устойчивой работы инверторного звена ПЧФ.
Устройство III служит для управления двигателем в режиме трогания. Оно автоматически включает в работу вентили инверторного звена ПЧФ так, что между магнитным потоком двигателя и током в катушках обмотки статора поддерживается угол, близкий к 90°. Этим обеспечивается максимальный пусковой момент.
Устройство IV осуществляет управление вентилями инверторного звена ПЧФ при частотах вращения, больших 5% номинальной. Оно выдает сигнал на открытие вентилей инверторного звена таким образом, что импульсы несколько опережают э.д.с. вращения двигателя. Устройства III и IV действуют автоматически.
Упрощенная схема силовой цепи четырехосной секции опытного электровоза ВЛ80В
С помощью автоматического устройства V регулируется возбуждение двигателя. Пока частота вращения ротора увеличивается вследствие возрастания подводимого к нему напряжения, устройство V совместно с управляемым выпрямителем-возбудителем поддерживает магнитный поток двигателя неизменным.
После достижения номинального напряжения дальнейшее увеличение частоты вращения происходит в результате ослабления возбуждения. Это же устройство служит и для выравнивания нагрузок параллельно работающих вентильных двигателей
Реверсирование вентильных двигателей осуществляют, переключая цепи управления бесконтактными реле, которые изменяют очередность подачи импульсов на фазы инверторов.
Дополнительные файлы находятся в разделе Литература, ВЛ80В,Б
Чертежи, схемы в фото галереи (Добавлено очень много материала)
Фотографии ВЛ80В,Б;
Форум по ВЛ80В,Б: посетить форум
Если Вам понравилась данная статья, Вы можете дать ссылку на нее Вашим друзьям!
Публикация данной статьи возможна ТОЛЬКО с разрешения автора.
|
Гостей: 1
