Диплом. Сацицкий. 1 анализ силовых схем российских электровозов с асинхронным тяговым приводом
 Скачать 6.03 Mb.
|
|
ВВЕДЕНИЕ. С учетом тяжелых эксплуатационных условий на железных дорогах сибирского и дальневосточного регионов и продолжающегося ежегодного увеличения грузопотока наиболее перспективным видом локомотивов для этих условий могут стать электровозы с асинхронным тяговым приводом. В мировом опыте железнодорожного машиностроения развитию электровозов с асинхронными тяговыми двигателями (АТД) давно придается приоритетное значение. Благодаря малому удельному расходу активных материалов АТД, по сравнению с коллекторными двигателями, имеют лучшие массогабаритные показатели, требуют меньших затрат на их обслуживание, а высокая жесткость электромеханических характеристик позволяет реализовать большие значения коэффициента сцепления. Совокупность этих факторов позволяет повысить осевую мощность электровоза, обеспечивает лучшие тяговые характеристики, дает возможность снизить затраты на обслуживание и получить ряд других важнейших эксплуатационных преимуществ. Дипломный проект посвящен изучению электровозов переменного тока с асинхронным тяговым приводом. А также подробно подлежит изучению силовая схема и система управления тяговыми двигателями электровоза 2ЭС5, схемы которого должны быть разработаны и промоделированы в программе Matlab. В качестве экспериментов будут рассмотрены процессы разгона и торможения. 1 АНАЛИЗ СИЛОВЫХ СХЕМ РОССИЙСКИХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ С АСИНХРОННЫМ ТЯГОВЫМ ПРИВОДОМ 1.1 Анализ силовых цепей электровоза 2ЭС7 Магистральный 8-осный грузовой электровоз 2ЭС7 спроектирован и создан для эксплуатации на железных дорогах Российской Федерации, странах Балтии и СНГ с шириной колеи 1520 мм, электрифицированных на однофазном переменном токе промышленной частоты с номинальным напряжением 25 кВ. Электровоз рассчитан на эксплуатацию на существующих и подлежащих реконструкции железнодорожных магистралях с установленными на них скоростями движения [1]. Электровоз рассчитан на работу при напряжении на токоприемнике в пределах от 19 кВ до 29 кВ. Электровоз 2ЭС7 обладает следующими технико-экономические преимуществами: увеличен уровень безопасности движения за счет использования современных систем улучшения условий работы локомотивной бригады (машиниста и помощника машиниста); снижены эксплуатационные расходы за счет улучшения тяговых свойств локомотива, а также за счет снижения простоев на всех видах обслуживания и ремонта; повышена общая надежность локомотива за счет применения микропроцессорной системы управления, безопасности и диагностики, а также за счет использования управляемых статических преобразователей (снижение количества контактных элементов) и асинхронных тяговых двигателей. Конструкция электровоза предусматривает монтаж и демонтаж оборудования и приборов, свободный доступ к ним, удобство при обслуживании в эксплуатации и при ремонте, а также безопасность. Обеспечена взаимозаменяемость оборудования, аппаратов, приборов отдельных деталей для электровозов без подстройки и регулировки на линии. Смена отдельного оборудования, приборов, аппаратов не вызывает необходимости демонтажа соседних агрегатов. Электровоз 2ЭС7 производится в двухсекционном исполнении, представляет собой 8-осный локомотив с четырьмя тележками и двумя кабинами управления. Все оси электровоза снабжены опорно-осевыми асинхронными тяговыми двигателями, оборудованными моторно-осевыми подшипниками качения. Осевая формула электровоза 2(2о-2о). Электровоз 2ЭС7 оборудован системой рекуперативного торможения. На локомотиве 2ЭС7 предусмотрена возможность сцепления и соединения по цепям управления двух электровозов (2ЭС7 + 2ЭС7) или одного 8-осного электровоза 2ЭС7 и одной 4-осной секции электровоза 2ЭС7 по системе многих единиц с синхронным управлением сцепа из любой кабины машиниста. Максимальная конструкционная скорость электровоза 2ЭС7 120 км/ч. Конструкция электровоза предусматривает возможность движения в одиночном следовании при испытаниях на неизношенных колесах со скоростью на 10 % превышающей конструкционную. Служебная масса электровоза с запасом песка 0,67 от полной загрузки составляет 200 ± 2 т. Статическая нагрузка от оси колесной пары на рельс полностью экипированного электровоза составляет 249 кН. Электрические цепи электровоза 2ЭС7 обеспечивают синхронную работу оборудования всех секций, а также автономную работу каждой секции и резервирование тягового и вспомогательного оборудования при неисправностях. Электрическая принципиальная схема силовых цепей одной секции электровоза 2ЭС7 показана на рисунке 1.1.
Каждая секция электровоза получает питание от высоковольтной сети напряжением 25 кВ раздельно с помощью одного токоприемника, установленного на крыше. Эксплуатация 2-х секционного электровоза может осуществляться с одним поднятым токоприемником любой секции. Также предусмотрена работа с двумя поднятыми токоприемниками. Тяговый асинхронный электропривод электровоза обеспечивает на каждой колесной паре равномерное регулирование силы тяги и торможения, а также частоты вращения при юзе и боксовании. В каждой секции четыре трехфазных асинхронных тяговых двигателя получают высоковольтное раздельное питание от инверторов, которые объединены в двух тяговых преобразователях (А1 и А2). Вспомогательное оборудование получает питание по трехфазным цепям переменного напряжения 380 В, которые гальванически отделены от высоковольтного напряжения 25 кВ с помощью блока вспомогательных трансформаторов (A3). Первичные обмотки трансформаторов запитаны от модулей преобразователя собственных нужд, которые интегрированы в тяговые преобразователи. По секциям электровоза цепи вспомогательного оборудования разделены. Бортовая сеть постоянного тока напряжением 110 В каждой секции формируется после преобразователя питания цепей управления (А4), вход которого подключен к трехфазной цепи вспомогательного оборудования напряжением 380 В. Цепи выполнены по двухпроводной системе и изолированы от «корпуса» электровоза. Для бортовой сети постоянного тока напряжением 110 В существует электрическая связь между секциями через межсекционное соединение. 1.2 Анализ силовых цепей электровоза 2ЭС5 Магистральный грузовой двухсекционный электровоз пятого поколения 2ЭС5 (по согласованию с ОАО «Российские железные дороги» его назвали «Скиф») выпущен на Новочеркасском электровозостроительном заводе (НЭВЗ, входит в состав ЗАО «Трансмашхолдинг»), Локомотив предназначен для вождения грузовых поездов на железных дорогах колеи 1520 мм, электрифицированных на переменном токе напряжением 25 кВ промышленной частоты 50 Гц. Асинхронный тяговый привод с индивидуальными инверторами напряжения и поосным регулированием позволяет улучшить тяговые характеристики, снизить энергопотребление и затраты на техническое обслуживание. Электровоз 2ЭС5 разработан совместно ЗАО «Трансмашхолдинг» и французским машиностроительным концерном «Alstom» на базе совместного инжинирингового центра «ТРТранс», расположенного в России. Центр создан на паритетных началах Трансмашхолдингом и «Alstom Transport». Электровоз 2ЭС5 отличается высокими технико-экономическими показателями. Параметры, указанные в техническом задании на разработку локомотива, были сформулированы заказчиком электровоза ОАО «РЖД» на основании планов Компании по реализации грузоперевозок на ближайшую перспективу с учетом тенденций ежегодного роста грузооборота. По некоторым комплектующим, например, таким как система управления электровоза 2ЭС5, в техническое задание на локомотив включены требования по его оснащению новейшими устройствами с учетом последних мировых достижений в области электроники, машиностроения и других высокотехнологических отраслей. В конструкцию заложены существенно увеличенные по сравнению с локомотивами предыдущих поколений межремонтные пробеги. Это позволяет значительно сократить затраты на обслуживание локомотивов и существенно повысить эффективность управления парком. Механическая тяговая передача первого класса подвески обеспечивает снижение динамических воздействий на путь и все узлы и детали электровоза. Противогазная защита позволяет сократить тормозной путь при неблагоприятных погодных условиях и высокой скорости движения, снижает интенсивность износа колес. Безбандажные (цельнокатаные) колеса с ресурсом не менее 1 млн. км также дают возможность увеличить пробег электровоза между крупными видами ремонтов. Модульная кабина управления с автоматическим климат-контролем, соответствующая всем современным нормам, включая санитарные, эргономические и нормы безопасности, позволяет обеспечить локомотивной бригаде комфортные и безопасные условия труда и сократить цикл сборки электровоза. Используется новая, полностью интегрированная микропроцессорная система управления и диагностики [1]. Новая машина значительно превосходит по тягово-энергетическим характеристикам локомотивы более раннего производства, что позволяет на ряде полигонов эксплуатации использовать электровоз 2ЭС5 (две секции) вместо трехсекционных сцепов серийных электровозов. Особенности конструкции электровоза: - в качестве тяговых используются асинхронные трехфазные электродвигатели с короткозамкнутым ротором; - питание АТД осуществляется от регулируемых статических преобразователей напряжения и частоты, входящих в состав тяговой системы, разработанной компанией «Alstom» (рисунок 1.2); - вспомогательный привод реализован с возможностью регулирования производительности трехфазных нагрузок благодаря использованию вспомогательного преобразователя компании «Alstom»; - электровоз оборудован системой автоведения, управления распределенной тягой, системой управления поездом повышенного веса и длины, а также другими электронными системами.  Рисунок 1.2 – Силовая схема электровоза 2ЭС5 Тяговый трансформатор содержит сетевую обмотку (СО), четыре тяговые обмотки Т01–Т04 и обмотку фильтра (ФО), предназначенную для подавления радиопомех. К выходу каждой тяговой обмотки подключен входной преобразователь – стабилизатор напряжения. К выходу входного преобразователя (звену постоянного напряжения) подключен инвертор напряжения для питания тягового двигателя М. К звену постоянного напряжения каналов преобразователей для питания второго и третьего тяговых двигателей подключены вспомогательные преобразователи ВП1 и ВП2. Элементная база преобразователя – силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) с жидкостно-воздушной системой охлаждения. К выходным зажимам каждого инвертора АИН подключены статорные обмотки одного из тяговых двигателей М. При переходе из тягового режима в режим рекуперативного торможения и при обратных переходах никаких переключений в силовой схеме не производится. Тяговые двигатели переводятся в генераторный режим путем понижения основной частоты напряжения относительно синхронной частоты, соответствующей данной скорости движения. При этом инверторы переходят в режим трехфазного выпрямителя. При рекуперативном торможении сетевые преобразователи за счет изменения алгоритма управления переводятся в инверторный режим, и поток энергии из промежуточного контура направляется к тяговому трансформатору и далее в контактную сеть. Защита силовых цепей преобразователя и тяговых электродвигателей от коротких замыканий, токов перегрузки и от замыканий на «землю» выполнена с помощью аппаратно-программных средств преобразователя, подчиняющихся системе управления, при срабатывании которых отключается ГВ QF1. На электровозе применен тяговый асинхронный двигатель 6 FRA 4567 G. Он предназначен для преобразования электрической энергии, получаемой от статического преобразователя, в механическую, передаваемую с вала тягового двигателя на колесную пару электровоза. Тяговый двигатель выполнен для опорно-осевого подвешивания и представляет собой шестиполюсный двигатель переменного трехфазного тока с короткозамкнутым ротором и независимой системой вентиляции. Охлаждающий воздух подается в тяговый двигатель со стороны редуктора через вентиляционный люк и выходит из тягового двигателя со стороны, противоположной редуктору через вентиляционные отверстия, закрытые сеткой. Механическая сборка статора выполняется с помощью восьми продольных пластин, которые расположены вокруг магнитной цепи, приварены к концевым пластинам и также приварены снаружи вдоль всей магнитной цепи. Механическая прочность обеспечивается за счет снятия напряжений. Данное решение позволяет обеспечить жесткую конструкцию двигателя. Ротор состоит из листов магнитной стали толщиной 0,5 мм, изолированных друг от друга, с низким коэффициентом электрических потерь. Листы собраны на валу под действием высокой температуры и зажаты между двумя концевыми пластинами. Изоляция обеспечивается за счет фосфатирования после вырезки и снятия заусенцев или путем использования предварительно изолированных стальных листов. Характеристики тягового двигателя электровоза 2ЭС5 «Скиф» представлен в таблице 1.1. Таблица 1.1 – Основные параметры тягового двигателя электровоза 2ЭС5
Клетка ротора выполнена из медных стержней и колец, соединенных с помощью высокочастотной индукционной пайки твердым припоем. Конечная форма придается стержням непосредственно на последней стадии изготовления. Кольца штампуются необходимого размера и подвергаются тепловой обработке для обеспечения конечных механических характеристик. Двигатель динамически сбалансирован. 1.3 Анализ силовых цепей электровоза 2ЭС10 Электрические цепи электровоза 2ЭС10 (рисунок 1.3) обеспечивают синхронную работу оборудования всех секций, а также автономную работу каждой секции и резервирование тягового и вспомогательного оборудования при неисправностях [1]. Тяговый асинхронный электропривод электровоза обеспечивает на каждой колесной паре равномерное регулирование силы тяги и торможения, а также частоты вращения при юзе и боксовании. В каждой секции четыре трехфазных асинхронных тяговых двигателя получают высоковольтное раздельное питание от инверторов, которые объединены в двух тяговых преобразователях. Вспомогательное оборудование получает питание по трехфазным цепям переменного напряжения 380 В, которые гальванически отделены от высоковольтного напряжения 3 кВ с помощью блока вспомогательных трансформаторов. Первичные обмотки трансформаторов запитаны от модулей преобразователя собственных нужд, которые интегрированы в тяговые преобразователи. По секциям электровоза цепи вспомогательного оборудования разделены.
Бортовая сеть напряжением 110 В каждой секции формируется после преобразователя питания цепей управления, вход которого подключен к трехфазной цепи вспомогательного оборудования напряжением 380В. Цепи выполнены по двухпроводной системе, изолированы от «корпуса» электровоза. Для бортовой сети напряжением 110 В существует электрическая связь между секциями через межсекционное соединение. Для защиты от коммутационных и атмосферных перенапряжений в цепи токоприемника XA2 установлен ограничитель перенапряжений FV1. При работе электровоза с поднятым первым и третьим токоприемником по ходу движения защиту от коммутационных и атмосферных перенапряжений осуществляет ограничитель перенапряжений установленный на второй секции. В схеме силовых цепей электровоза 2ЭС10 можно выделить следующие основные цепи: - цепи тяговых электроприводов; - цепи вспомогательных машин и аппаратов. Цепи вспомогательных машин и аппаратов одной секции представляют собой цепи питания электродвигателей и устройств для обеспечения бесперебойной работы основных узлов и аппаратов, таких как: - тяговый преобразователь; - тяговый электродвигатель; - тормозной резистор; - дроссель сетевого фильтра; - тормозное оборудование. Цепи тяговых электроприводов одной секции представляют собой цепи питания четырех асинхронных тяговых электродвигателей от инверторов тяговых преобразователей. Дополнительно каждый тяговый преобразователь оснащен инвертором для питания вспомогательных машин и аппаратов. Тяговые преобразователи между собой соединены параллельно и подключены к контактной сети напряжением 3 кВ. Цепи питания тяговых преобразователей снабжены всеми необходимыми устройствами коммутации, защиты и измерения. К каждому тяговому преобразователю подключен тормозной резистор. Для осуществления электрического соединения между контактным проводом сети постоянного напряжения 3 кВ и электрическим оборудованием каждая секция электровоза оснащена двумя токоприемниками ХА1, XA2. После токоприемника в высоковольтную цепь включен входной LC-фильтр, предназначенный для снижения уровня радиопомех, создаваемых при токосъеме и при работе коммутационных аппаратов. Фильтр состоит из дросселя помехоподавления L1, L2, размещенного для каждой ветви токоприемника индивидуально и конденсаторов С1, С2. Для защиты от коммутационных и атмосферных перенапряжений в цепи токоприемника XA2 установлен ограничитель перенапряжений FV1. При работе электровоза с поднятым первым и третьим токоприемником по ходу движения защиту от коммутационных и атмосферных перенапряжений осуществляет ограничитель перенапряжений установленный на второй секции. Для отключения каждого токоприемника от силовых цепей электровоза в обесточенном состоянии служат дистанционные разъединители QS1, QS2. Для заземления высоковольтной цепи при опущенных токоприемниках предназначен дистанционный заземлитель QS3. Обе секции электровоза объединены гибким шунтом (003). Соединение осуществляется со стороны задней торцевой части. Делители напряжения R11, R12, а также преобразователь напряжения код UZ1 являются устройствами контроля напряжения в контактной сети и предназначены для измерения напряжения контактной сети и передачи значений напряжения в микропроцессорную систему управления и диагностики (МПСУ и Д). Для разрыва силовых цепей одной секции электровоза при возникновении токов короткого замыкания служит быстродействующий выключатель QF1. Ток уставки быстродействующего выключателя составляет 2900+100-200А. Тяговый преобразователь (А1, А2) служит для преобразования электрической энергии 3 кВ постоянного тока в трехфазное переменное напряжение регулируемой амплитуды и частоты. Количество тяговых преобразователей на одной секции электровоза – два, по одному преобразователю на два двигателя тележки. Каждый тяговый преобразователь включает два импульсных инвертора (APRWA, APRWB) для питания двух тяговых электродвигателей, дополнительный инвертор для питания вспомогательного оборудования AHBU и тормозной прерыватель ABST. Импульсный инвертор состоит из однофазных модулей. Инвертор обеспечивает трехфазное напряжение с регулируемой частотой и напряжением на выходных клеммах U, V, W. При электрическом торможении энергия тягового электродвигателя преобразовывается в тепловую энергию, которая выделяется на тормозном резисторе R1, R2. Тормозной резистор является отдельным устройством. Для соединения тягового преобразователя с контактной сетью используется контактор (размыкатель) линии питания Q4. Благодаря контактору линии питания преобразователь может быть изолирован от контактной сети. Таким образом, в случае неполадки неисправная система преобразователя может быть выведена из эксплуатации, не затрагивая другие рабочие узлы, например, другие тяговые преобразователи. Данный контактор линии питания может быть открыт только при нулевом токе; его нельзя открывать при замкнутом быстродействующем выключателе. Устройство предварительного заряда подключено параллельно с контактором. Блок предварительного заряда включает контактор предварительного заряда К6 и резистор R31. При подключении преобразователя сначала через блок предварительной зарядки заряжается конденсатор цепи постоянного тока преобразователя СDC, затем контактор линии питания замыкается. Благодаря этому сводится к минимуму пусковой ток, который возникает, если входное напряжение резко переключается на батарею разряженных конденсаторов. Контактор линии питания замыкается, как только напряжение звена постоянного тока превышает 95 % теоретической конечной величины Конденсаторы звена постоянного тока СDC служат в качестве энергетического накопителя, сглаживающего и буферизующего напряжение цепи звена постоянного тока. Их необходимость обусловлена тем, что значения энергии на входе и на выходе различаются на малых временных масштабах. Поэтому можно сказать, что конденсатор энергетически отделяет магистраль питания от нагрузки. Батарея конденсатора звена постоянного тока состоит из пяти конденсаторов по 1 мкФ на каждый отдельный инвертор. Шунтирующий вентиль CBH представляет собой короткозамкнутый тиристор с собственной управляющей электроникой и прерывателем - так обычно выглядит жесткий шунтирующий вентиль. Жесткий шунтирующий вентиль используется только в очень критических ситуациях для биполярных транзисторов с изолированным затвором. Его задача состоит в оперативном разряде цепи звена постоянного тока и поглощении в течение определенного периода времени энергии с линии питания и электродвигателей во избежание повреждений других узлов. Шунтирующий вентиль закрывается по сигналу программного обеспечения тягового преобразователя. Условия срабатывания защиты включают следующие: - сигнал об ошибке с генераторов стробирующих импульсов на биполярных транзисторах с изолированным затвором, (контроль над процессом установки тягового преобразователя); - потеря питания 24 В на шунтирующий вентиль; - отношение dv/dt в звене постоянного тока слишком высоко; - избыточный ток на фазах электродвигателя. В цепи каждого тягового преобразователя установлен сетевой фильтр, который создает помехоподавляющий контур для защиты от гармоник тока тягового преобразователя. Сетевой фильтр состоит из дросселя сетевого фильтра L3 (L4) и конденсатора СNF. Каждый дроссель сетевого фильтра состоит двух реакторов 39 мГн и 3,15 мГн, соединенных последовательно со средней точкой и представляет собой отдельное устройство. Конденсатор СNF емкостью 7.56 мФ включен в среднюю ветвь сетевого фильтра и расположен внутри соответствующего тягового преобразователя. Для защиты от коммутационных перенапряжений в тяговых преобразователях служит ограничитель перенапряжений FV2. Тормозной резистор R1, R2 служит для рассеивания электрической энергии в режиме реостатного торможения тягового электродвигателя, а также для снижения напряжения на входе ТП выше заданного уровня при рекуперативном торможении. Значение сопротивления каждого тормозного резистора составляет 5 Ом. Тормозные резисторы располагаются в съемных модулях крышевого оборудования секции. Преобразователи постоянного напряжения в код (ПНКВ) UZ5, UZ6 предназначены для измерения значений тока в цепи каждого тягового преобразователя. Значения тока контролируются микропроцессорной системой управления и диагностики. Каждый преобразователь подключен к измерительному шунту RS1, RS2. Тяговый электродвигатель М1…М4 является трехфазным асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором, с принудительной вентиляцией и рассчитан на использование в тяговом приводе с опорно-рамным подвешиванием. Тяговые электродвигатели служат для преобразования электрической энергии, получаемой с контактной сети, в механическую. Для подготовки электровоза к работе необходимо включить аккумуляторные батареи всех секций, закрыть двери шкафов высоковольтных аппаратов, шкафов быстродействующего выключателя, тяговых преобразователей и крышевые люки. При отсутствии воздуха в питающей системе электровоза, необходимо включить вспомогательные компрессоры. После достижения необходимого давления сжатого воздуха поднимают токоприемники. После поднятия токоприемников включают быстродействующие выключатели QF1 на всех секциях и запускают вспомогательные машины. После включения быстродействующего выключателя QF1 при поднятых токоприемниках кратковременно замыкается контактор К6. Создается цепь зарядки конденсаторов постоянного тока преобразователя СDC. По завершению зарядки конденсаторов цепи постоянного тока замыкается контактор линии питания Q4. По команде контроллера машиниста инверторы тяговых преобразователей (APRWA, APRWB) начинают работать в режиме, который обеспечивает необходимую частоту и напряжение для вращения тяговых электродвигателей. На электровозе 2ЭС10 применяется рекуперативное и реостатное торможение. Переход в режим электрического торможения осуществляется по команде с контроллера машиниста. В режиме рекуперативного торможения тяговые электродвигатели переходят в генераторный режим, а тяговые преобразователи преобразуют переменный ток в постоянный. При этом начинается рекуперация электроэнергии в контактную сеть. Переход из режима рекуперативного торможения в режим реостатного торможения производится системой МПСУ и Д без разбора силовой схемы. При увеличении напряжения в контактной сети свыше 3,8 кВ путем управления тормозным прерывателем ABST в тяговых преобразователях в цепь тяговых электродвигателей М1…М4 вводятся тормозные резисторы R1…R4. При снижении напряжения контактной сети до 3,4 кВ тормозные резисторы выводятся из цепи тяговых электродвигателей. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
