«ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ АСИНХРОННЫХ МАШИН НА ОСНОВЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ...»

тепловые реле мало чувствительны к несимметричным режимам.

Анализ надёжности тяговых электродвигателей ТЭД [78] Восточного региона показал, что на долю их отказов приходится более одной пятой отказов. Особое внимание при рассмотрении полученных данных направлено на учёт повреждений изоляционных конструкций, выплавления элементов тяговой машины, ввиду непосредственной взаимосвязи данных явлений с адекватностью выполнения технологического процесса системой вентиляции и устойчивой работы моторвентиляторов электровоза.

Пробои изоляции и межвитковые замыкания якорных обмоток (В табл. 1.1 частность mi = Ni/N·100, где Ni – количество отказов и повреждений одного вида оборудования; N – общее количество отказов и повреждений).

Из анализа потока отказов электрических машин тягового и вспомогательного оборудования электровозов по данным отчётов и статистических данных депо сети железных дорог Восточного региона России следует, что общее количество отказов машин современного тягового подвижного состава составляет 49% от числа отказов всего оборудования, из которых приходится на повреждения электрической части тяговых машин 68,79%, вспомогательных машин 56%. Отказы электрооборудования обусловлены работой асинхронного двигателя с повышенным скольжением и снижением электромеханической устойчивости исполнительного элемента САУ электроприводом.

1.1. Отклонение действующего напряжения в электрической цепи Одним из показателей качества электрической энергии является отклонение напряжения U, под которым понимают разность между фактически действующим напряжением в электрической сети U и номинальным действующим напряжением Uном Последствия от отклонения напряжения зависят не только от величины, но и от продолжительности отклонения напряжения, так как эффективность и ресурс электродвигателей, спроектированных на номинальное напряжение, снижаются.

При отклонении напряжения может повреждаться изоляция электрооборудования [3].

В электрических сетях трёхфазного тока действующее значение напряжения прямой последовательности основной частоты U1(1) вычисляется по формуле:

где UAB(1),UBC(1),UCA(1) – действующие значения междуфазных напряжений основной частоты.

К основным факторам, влияющим на отклонение напряжения в цепи трёхфазного тока вспомогательных машин электровоза можно отнести отклонение напряжения на токоприёмнике и падение напряжения на элементах электрической цепи при прохождении тока нагрузки. Для ЭПС переменного тока влияние уровня напряжения усугубляется процессами, происходящими в силовых и вспомогательных цепях электровозов. Поэтому пределы отклонений напряжения на обмотке трансформатора, от которой питаются АВМ, оказываются шире, чем на токоприёмнике. Отклонения напряжения на токоприемнике ограничены правилами технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации [106]:

уровень напряжения на токоприемнике электроподвижного состава должен быть не менее 21 кВ на переменном токе и 2.7 кВ на постоянном токе, не более кВ на переменном токе и 4 кВ на постоянном токе. На отдельных участках допускается уровень напряжения 19 кВ на переменном токе и 2.4 кВ на постоянном токе.

Высшие гармоники при этом в условиях ЭПС оказывают некоторое влияние на потери энергии, нагревание машин и изменяют вращающий момент. На устойчивость АВМ решающее влияние оказывает действующее значение основной гармоники напряжения. Важнейшим фактором, определяющим надёжность в эксплуатации АВМ, является действующее напряжение на обмотках статора. Так как проектирование электрооборудования вспомогательных машин и оценка их соответствия условиям эксплуатации на ЭПС выполняется по первой гармонике напряжения, то большое значение имеет соотношение действующего значения несинусоидального напряжения с действующим значением первой гармонической составляющей этого напряжения.

С помощью коэффициента первой гармоники KU1 принято выражать сложную связь действующего значения несинусоидального напряжения с действующим значением напряжения первой гармонической составляющей U1. Установлено, что при напряжении на токоприёмнике 22 кВ коэффициент первой гармоники напряжения KU1 = 0,97 (исследования доктора технических наук Р.И. Мирошниченко), а при 19 кВ KU1 = 0,94 (исследования доктора технических наук Р.И. Карякина). Максимальное напряжение на токоприемнике на дорогах переменного тока составляет 29 кВ. Оно возникает в случае ненагруженной тяговой подстанции и повышенного напряжения линии электропередачи, когда форму кривой напряжения можно практически считать синусоидальной и KU1 = 1. По трем указанным точкам построена зависимость KU1 (Uэ) (рис. 1.4).

При допустимых отклонениях напряжения на токоприёмнике электровоза, отклонения напряжения на обмотках статора трёхфазных асинхронных электродвигателей вспомогательных машин электровозов составляет +22%... -39% [117], т.е. превышает в 1,4…1,6 раза допустимое отклонение действующего значения переменного напряжения в контактной сети. Значительное отклонение напряжения объясняется изменением величины сопротивления тяговой сети по мере удаления электровоза от подстанции [24, 75].

Более широкий диапазон отклонения напряжения в трёхфазной системе напряжений вспомогательных машин обусловлен несколькими причинами. Одной из них является снижение ЭДС вспомогательной обмотки трансформатора изза активного и реактивного сопротивлений первичной обмотки при нагрузке обмоток трансформатора, питающих выпрямительно-инверторные преобразователи (ВИП) тяговых машин. Из-за снижения ЭДС трансформатора действующее напряжение обмотки может меняться от 3,5% до 5,7% номинального значения [66, 67].

Второй причиной отклонения напряжения является падение напряжения в контурах первичной и вспомогательной обмоток трансформатора от тока электродвигателей вспомогательных машин и симметрирующих конденсаторов. По этой причине напряжение на вспомогательной обмотке может меняться до 7% от номинального значения [65].

Третьей причиной расширения диапазона отклонения напряжения в трехфазной системе напряжений вспомогательных машин является изменение гармонических составляющих несинусоидального переменного напряжения на токоприемнике в ходе управления тяговым и скоростным режимом электровоза, что вызывает изменение действующего значения напряжения первой гармоники. По этой причине отклонение напряжения на вспомогательной обмотке трансформатора может увеличиваться до 8% [93].

основной частоты U1(1) (1.2) в трёхфазной системе напряжений от действующего однофазного напряжения на вспомогательной обмотке тягового трансформатора электровоза из-за погрешности работы симметрирующих устройств.

Рис. 1.4. Зависимость коэффициента действующего значения несинусоидействующего напряжения на вспомогадального переменного напряжения Uэ тельной обмотке тягового трансформатора посвящено большое количество научно-исследовательских работ Анисимова А.В., Балабанова В.Н., Водяника Г.М., Кондрашева В.Л., Курбасова А.С., Лисицина А.Л., Мирошниченко Р.И., Мугинштейна Л.А., Некрасова О.А., Нестерова А.М., Рахманинова В.И., Ребрика Б.Н., Рутштейна А.М., Феоктистова В.П. и др.

Длительное отклонение напряжения на обмотках статора трёхфазных асинхронных двигателей неблагоприятно отражается на работе электродвигателей в установившихся и динамических режимах, вызывая повышение тока в обмотках, дополнительный нагрев активных частей, ухудшение их энергетических показателей и сокращение срока службы. Наряду с этим у мотор-вентиляторов электровозов переменного тока при пониженном напряжении снижается частота вращения и расход охлаждающего воздуха уменьшается. Повышенное напряжение приводит к увеличению частоты вращения мотор-вентиляторов, повышению мощности на валу и тока, следовательно, к увеличению нагревания их обмоток. Закономерности изменения параметров, характеризующих работу вспомогательных машин различных электровозов переменного тока, в зависимости от действующего напряжения на вторичной обмотке тягового трансформатора, различаются незначительно. Активная мощность однофазной сети Рс определяется активными мощностями Р1, потребляемыми электродвигателями вспомогательных машин. Из-за достаточно большой жесткости рабочей ветви механической характеристики электродвигателей суммарная активная мощность Рс, потребляемая электродвигателями, изменяется в среднем на 17% [93] при повышении напряжения на обмотке вспомогательных машин от 260 В до 470 В (рис. 1.6). Причем около 50% изменяющейся переменной составляющей активной мощности Рс обусловлено потерями мощности в стали сердечников статора и ротора асинхронных машин за счет изменения намагничивающего тока.

Рис. 1.5. Зависимости электрических параметров вспомогательных машин от действующего напряжения вторичной обмотки тягового При увеличении напряжения возрастает намагничивающий ток асинхронных машин, поэтому, несмотря на увеличение тока симметрирующих конденсаторов, коэффициент мощности снижается (рис. 1.6). Действующее значение тока прямой последовательности основной частоты I1(1) уменьшается с понижением напряжения (рис. 1.5). Но интенсивность нарастания действующего тока обратной последовательности основной частоты I2(1) в несколько раз превосходит интенсивность снижения тока I1(1) с уменьшением напряжения, поэтому зависимость действующего однофазного тока Iс, потребляемого вспомогательными машинами, от изменения напряжения имеет U-образный характер (рис. 1.6) с минимумом в номинальном режиме работы машин. Увеличение действующего тока обратной последовательности основной частоты I2(1) при отклонениях напряжения от номинального значения, как в сторону уменьшения, так и сторону повышения иллюстрируется зависимостью коэффициента обратной последовательности токов от однофазного напряжения K21(U) на рис. 1.5. Симметрирующие устройства трёхфазной системы напряжений настроены на оптимальный режим работы асинхронных двигателей вспомогательных машин в номинальном режиме.

Рис. 1.6. Зависимость параметров системы питания трёхфазной цепи вспомогательных машин от действующего напряжения Отклонение однофазного напряжения от номинального значения вызывает увеличение действующего напряжения обратной последовательности основной частоты U2(1) трёхфазной системы, поэтому возрастает действующий ток обратной последовательности основной частоты I2(1).

Известно, что вращающий момент трёхфазных асинхронных электродвигателей пропорционален квадрату действующего напряжения прямой последовательности трёхфазной системы, поэтому отклонения напряжения, возникающие в трехфазной цепи вспомогательных машин, оказывают решающее значение на их режим работы.

На практике имеют место случаи отклонения напряжений выше допустимых значений. Результатом таких отклонений являются аварийные режимы и, зачастую, выход из строя электродвигателей с такими неисправностями, как пробой изоляции обмоток статора, витковые замыкания, выплавление стержней обмотки ротора. В случае снижения напряжения на клеммах электродвигателя уменьшается реактивная мощность намагничивания, при той же потребляемой (активной) мощности увеличивается ток двигателя, что вызывает перегрев изоляции обмоток.

Повышенная нагрузка на изоляцию приводит к сокращению срока службы двигателя. При значительном снижении напряжения на зажимах асинхронного двигателя, возможно, его опрокидывание, то есть резкое падение вращающегося момента на его валу и значительный рост тока в обмотках статора, что может привести к его возгоранию. Снижение напряжения ухудшает и условия пуска двигателя, так как при этом уменьшается его пусковой момент. Из-за снижения напряжения выше допустимого значения трёхфазные асинхронные двигатели переходят с рабочей ветви на неустойчивую ветвь механической характеристики и оказываются в режиме короткого замыкания. Повышение напряжения на выводах двигателя, сверх нормы, приводит к увеличению потребляемой им реактивной мощности, которую необходимо компенсировать [47].

Для оценки устойчивости трёхфазных асинхронных двигателей привода вспомогательных машин электровозов введено понятие критического напряжения, при котором ещё не происходит превышение допустимой температуры изоляции из-за повышенного скольжения, с целью обоснования уставки датчика напряжения в САУ.

Анализ результатов известных научно-исследовательских работ по изучению отклонений напряжения позволяет обосновать требования к микропроцессорной системе управления асинхронными вспомогательными машинами. При допустимом критическом напряжении на токоприёмнике микропроцессорная система должна обеспечивать такой же режим работы трёхфазных электродвигателей, как при минимальном напряжении в процессе эксплуатации электровозов. А при максимальном напряжении на токоприёмнике в процессе эксплуатации электровозов целесообразно, чтобы система управления обеспечивала работу трёхфазных асинхронных машин такую же, как и при длительном наибольшем напряжении на токоприёмнике электровозов. Первые два требования направлены на повышение устойчивости вспомогательных машин и на снижение случаев аварийного выхода из строя асинхронных электродвигателей.

Зависимость отклонения напряжения на обмотках вспомогательных машин электровоза от тока нагрузки является сложной многофакторной функцией. Отклонение напряжения на вторичной обмотке тягового трансформатора при изменении тока нагрузки зависит от мощности тяговой подстанции, а также от места расположения электровоза в фидерной зоне.

Условия работы асинхронного двигателя в режиме пуска значительно отличаются от условий работы в нормальном режиме. В режиме пуска в обмотках ротора и статора проходят токи, значительно превышающие токи, протекающие в этих обмотках в номинальном режиме. Длительный ток приводит к перегреву обмоток двигателя и может вызвать сгорание обмоток и аварию двигателя.

Для того чтобы исключить такие явления, необходимо, с одной стороны, обеспечить ограничение пускового тока двигателя, с другой стороны, по возможности уменьшить время его разгона. Время разгона двигателя от момента его включения до момента, когда ротор достигает номинальной скорости вращения, определяется ускорением ротора во время пуска, которое зависит от разности вращающего момента машины и момента сопротивления на его валу при постоянстве момента инерции:

где Мвр – вращающий момент двигателя, Н*м;

Мс – статический момент сопротивления на валу двигателя, Н*м;

J – момент инерции всех вращающихся частей, кг*м 2 ;

– угловое ускорение ротора, с 2.

Пуск может быть успешно проведен, если в течение всего времени разгона Mвр > Мс. При заданной величине момента сопротивления ускорение будет тем больше, чем больше величина вращающего момента двигателя. Соответственно при увеличении вращающего момента двигателя в режиме пуска сократится время его разгона. Таким образом, уменьшение времени разгона двигателя, которое должно выполняться при пуске асинхронного двигателя, заключается в создании достаточно большого вращающего момента в этом режиме.

В тяжёлых условиях пуска при недостаточно большом вращающем моменте разгон двигателя вообще невозможно осуществить. Это произойдет в том случае, если момент сопротивления на валу окажется большим, чем вращающий момент двигателя.

При пуске двигателя должны удовлетворяться основные требования:

процесс пуска должен быть простым и осуществляться без сложных пусковых устройств;

пусковой момент должен обеспечивать надёжный пуск электропривода;

с помощью пусковых устройств целесообразно снижать пусковые токи.

Характеристики асинхронных двигателей в режиме пуска в значительной мере зависят от конструкции двигателя. На отечественных электровозах переменного тока вспомогательные машины приводятся в действие трёхфазными короткозамкнутыми асинхронными двигателями, так как они наиболее просты по конструкции, дешевы и надёжны в эксплуатации. Однако, двигатели с короткозамкнутым ротором не позволяют осуществлять регулирование величины пускового тока и пускового момента введением сопротивления в цепь ротора двигателя, что делает их пусковые характеристики хуже, чем у двигателей с фазным ротором.

Пусковой ток двигателя вызывает добавочное падение напряжения в обмотках расщепителя фаз и трансформатора, снижая напряжение питания двигателя и его устойчивость. Изменение характеристики вращающего момента зависит от кратности пускового тока двигателя, сопротивления обмоток расщепителя фаз и обмотки собственных нужд трансформатора. При недостаточном запасе устойчивости приводные двигатели могут «опрокидываться» во время пуска одного из двигателей.

В настоящее время на электроподвижном составе пуск асинхронных вспомогательных машин привода мотор-вентиляторов осуществляется прямым способом. Прямое включение асинхронного двигателя в сеть является наиболее простым способом пуска двигателя. В то же время в этом случае обмотки статора и ротора двигателя обтекаются большим пусковым током (током короткого замыкания), равным 4 – 7 - кратному значению номинального тока. Поэтому очень важно, чтобы время пуска двигателя было при этом как можно меньшим. Большой пусковой ток не представляет опасности, так как время протекания пускового процесса составляет от малых долей секунды до нескольких секунд. За такой малый промежуток времени большой пусковой ток не может вызвать значительного повышения температуры обмоток. Следует иметь в виду, что большой ток, потребляемый двигателем, проходит не только по его обмоткам, но и проводам сети и трансформатору. Поэтому в питающей сети создается падение напряжения (провал напряжения), которое в случае пуска мощного двигателя может оказаться весьма значительным. В результате напряжение, подводимое к двигателю в этом режиме, сильно снизится и это вызовет дополнительное снижение вращающего момента двигателя [8].

Глубина провала напряжения UП есть разность между номинальным и минимальным действующим значением напряжения в течение провала напряжения:

Исследуя провал напряжения во время пуска вспомогательных машин на вторичной обмотке тягового трансформатора электровоза ВЛ85, установлено, что минимальная глубина провала напряжения достигается при пуске, когда работает наибольшее количество вспомогательных машин. Глубина провала напряжения зависит от места расположения электровоза в фидерной зоне и от наличия в этой зоне других локомотивов. Длительность провала напряжения соизмерима со временем пуска вспомогательных машин и зависит от условий пуска.

Следует иметь в виду, что в системе вентиляции локомотива применяется до пяти асинхронных вспомогательных машин, причем номинальная мощность каждого двигателя составляет 55 кВт, что может отразиться на напряжении в электрической цепи вспомогательных машин, поэтому провал напряжения в цепи собственных нужд электровоза, вызванный пуском двигателя, может стать недопустимым. Из анализа статических данных по выходу из строя вспомогательных машин электровозов переменного тока ВСЖД, следует необходимость разработки технических средств, позволяющих повышать пусковой вращающий момент трехфазных асинхронных электродвигателей и снижать пусковой ток. Электровозы 2ЭС5К и 3ЭС5К вначале выпускались без фазорасщепителей, вследствие чего пуск асинхронных вспомогательных машин НВА-55 осуществляется на частоте 50 Гц с пусковыми токами 760 А, в то время как номинальный рабочий ток составляет 113 А.

Предусмотренный схемой электровозов 2ЭС5К и 3ЭС5К последовательный пуск мотор-вентиляторов НВА-55 сопровождается переходными процессами, вызывающими кратковременные двукратные повышения фазного тока у ранее запущенного электродвигателя с последующим его снижением до установившегося значения.

В настоящее время существуют множество устройств плавного пуска электродвигателей, преимущества применения которых перед прямым пуском очевидны благодаря функциональным возможностям. Электронные устройства плавного пуска по своему принципу действия в основном делятся на четыре основных категории:

1. Регуляторы пускового момента контролируют только одну фазу трёхфазного двигателя. Управление одной фазой может обеспечить контроль пускового момента двигателя, но пусковой ток снижается при этом незначительно. Ток, проходящий по обмоткам двигателя, почти равен току при прямом пуске и не контролируется пускателем. Такой ток протекает по обмоткам двигателя в течение более длительного времени, чем при прямом пуске, поэтому может вызвать перегрев двигателя.

2. Регуляторы напряжения без обратной связи по току автоматически изменяют выходное напряжение в соответствии с заданным пользователем временем пуска и не имеют сигнала обратной связи от двигателя. Они отвечают стандартным требованиям по электрическим и механическим характеристикам и могут управлять напряжением как в двух, так и во всех трех фазах двигателя. Процесс пуска определяется пользователем путем задания начального напряжения и времени нарастания напряжения до номинального значения. Многие из таких приборов обеспечивают также ограничение пускового тока, но обычно такое ограничение основано на снижении напряжения в процессе пуска. Обычно такие регуляторы обеспечивают и управление замедлением, плавно снижая напряжение при остановке и, увеличивая, таким образом, его продолжительность. Двухфазные регуляторы напряжения без обратной связи снижают пусковой ток во всех трех фазах, но ток при этом оказывается несбалансированным. Регуляторы, изменяющие напряжение в одной фазе, также имеют ограниченные возможности регулирования времени пуска, однако из-за перегрева двигателя могут использоваться только при легких нагрузках.

3. Регуляторы напряжения с обратной связью являются развитием устройств, описанных выше. Они получают информацию о токе двигателя и используют ее для ограничения напряжения в процессе пуска при достижении током предельного значения, заданного пользователем. Информация о токе используется также для организации различных защит, например, от перегрузки, дисбаланса фаз, электронного теплового реле и т.д. Регуляторы напряжения с обратной связью могут использоваться как комплексные системы пуска двигателя.

4. Регуляторы тока с обратной связью являются наиболее прогрессивными устройствами плавного пуска. Эти приборы в первую очередь регулируют ток, а не напряжение. Прямое управление током обеспечивает более точное управление пуском, а также более простую настройку. Большинство параметров, требующих установки при программировании регуляторов напряжения, в регуляторах тока устанавливаются автоматически.

Первая категория мягкого пуска ввиду её низкой технической состоятельности не может найти применения в цепях вспомогательных машин электровозов.

Вторая категория плавного пуска – компактные софт-стартеры (плавные пускатели), обеспечивающие плавный пуск и остановку трёхфазных асинхронных двигателей мощностью до 110 кВт и напряжением питания от 200 до 575 В переменного тока. Третья категория конструктивно аналогична второй, но помимо плавного пуска и остановки двигателя плавные пускатели имеют расширенный пакет защит, таких как защита двигателя от перегрузки и перегрева, защита от затяжного пуска, защита от перекоса и неправильного чередования фаз. Наиболее продвинутые устройства мягкого пуска, обеспечивающие комплексное управление с широким набором режимов разгона, торможения и защиты асинхронных двигателей относятся к четвертой категории.

Рассмотренные устройства являются достаточно дорогими и не обеспечивают устойчивую работу АВМ на электровозах.

1.2. Несимметрия напряжений в трехфазной цепи вспомогательных машин Если линейные напряжения, подводимые к обмотке статора, не равны ( U АВ U BC U CA ), то, следовательно, и не равны между собой и фазные напряжения ( U А U B U C ) и система напряжений становится несимметричной. В этом случае при анализе работы асинхронного двигателя несимметричную систему напряжений можно разложить на составляющие прямой U1(1) и обратной U 2(1) последовательностей.

Каждая из составляющих вызывает в обмотке статора токи, которые создают в машине свои круговые вращающиеся магнитные поля в противоположных направлениях. Так как U1(1) U 2(1), то амплитуда поля прямой последовательности будет больше амплитуды поля обратной последовательности, поэтому ротор будет вращаться в сторону вращения поля прямой последовательности.

Скольжение ротора по отношению к магнитному полю прямой последовательности:

тогда скольжение ротора по отношению к магнитному полю обратной последовательности:

Поле прямой последовательности индуцирует в обмотке ротора ток I 2(1) с частотой f 2 f S, а поле обратной последовательности – ток I 2(2) с частотой f 2 f 2 - S. Ток I 2(1), взаимодействуя с магнитным полем прямой последовательности, создает вращающий момент прямой последовательности М (1). Ток I 2(2) и магнитное поле обратной последовательности создают вращающий момент обратной последовательности М (2), который направлен навстречу моменту М (1) и является тормозным. Результирующий электромагнитный момент двигателя равен алгебраической сумме моментов М М (1) М (2). При несимметричном питании из-за влияния обратной последовательности снижается максимальный и пусковой моменты двигателя и возрастает скольжение при неизменном нагрузочном моменте [140]. С помощью коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности К 2U принято оценивать несимметрию междуфазных напряжений [49]:

где U 2(1) - действующее значение напряжения обратной последовательности основной частоты трехфазной системы напряжений, которое рассчитывается по формуле 1.3;

U НОМ - номинальное значение междуфазного напряжения, В.

Вторым показателем степени несимметрии многофазной системы напряжений является коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности. Так как электрическая сеть вспомогательных машин является трехпроводной, а обмотки статора асинхронных двигателей соединены по схеме «звезда», то в такой электрической цепи напряжение нулевой последовательности не образуется, а коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности равен нулю [135].

Формирование междуфазных напряжений в цепи трёхфазного тока вспомогательных машин при питании от однофазной цепи электровозов отечественного производства выполняется расщепителями фаз различной конструкции, симметрирующими конденсаторами и ранее пущенными электродвигателями. В последнее время в системах преобразования числа фаз получили применение схемы включения конденсаторов на зажимах каждого электродвигателя, а также несимметричные и симметричные расщепители фаз [156].

Расщепители фаз имеют конструкцию, подобную обычному асинхронному двигателю с короткозамкнутым ротором. Для эффективного ослабления обратного поля беличья клетка ротора выполняется из меди и имеет минимальное активное сопротивление. Чтобы снизить падения напряжения в обмотках ротора и уменьшить таким путём несимметрию трёхфазных напряжений при изменении нагрузки и напряжения питающей сети, двигательная и генераторная обмотки должны иметь малое реактивное сопротивление. Для этого их выполняют с небольшим числом витков и уменьшенными потоками рассеяния. Это обеспечивают рациональным выбором конфигурации пазов и увеличением воздушного зазора между ротором и статором [57].

Параметры элементов системы преобразования числа фаз подобраны таким образом, чтобы в номинальном режиме работы вспомогательных машин коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности К 2U достигал минимального значения. В этом случае токи обратной последовательности и суммарные токи трехфазных асинхронных двигателей минимальны, поэтому электромагнитный момент, противодействующий вращающему моменту электродвигателя, имеет наименьшее значение, электродвигатель работает с пониженными потерями в обмотках и в стали ротора, статора, с допустимым нагревом активных частей. На степень симметрии междуфазных напряжений, токов влияет: отклонение однофазного напряжения на обмотке собственных нужд тягового трансформатора от номинального значения, количество работающих электродвигателей, величина момента сопротивления на валу электродвигателей, состояние симметрирующих устройств.

При снижении величины однофазного напряжения от номинального значения напряжение прямой последовательности U1(1) монотонно уменьшается. Реактивная мощность симметрирующих конденсаторов снижается, так как ток конденсаторов уменьшается пропорционально питающему напряжению. Мощность расщепителей фаз возрастает с понижением питающего напряжения, но её величина недостаточна для компенсации несимметрии междуфазных напряжений, поэтому напряжения обратной последовательности увеличиваются. Снижение напряжений прямой последовательности и повышение напряжений обратной последовательности обуславливают увеличение коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности К 2U. Коэффициент несимметрии токов по обратной последовательности электродвигателей вспомогательных машин более интенсивно повышается с уменьшением однофазного напряжения. Токи обмоток статора и ротора электродвигателей увеличиваются не только из-за повышения скольжения ротора, вызванного уменьшением питающего напряжения, но и из-за уменьшения полного сопротивления обмоток электродвигателя, вызванного насыщением зубцов сердечника статора и ротора магнитными потоками рассеяния. Причём характер изменения полных сопротивлений фаз обмоток статора электродвигателей для прямой и обратной последовательностей токов существенно отличается по модулю и по аргументу.

Напряжение прямой последовательности U1(1) монотонно возрастает с повышением однофазного напряжения относительно номинального значения. Рост намагничивающего тока электродвигателей вспомогательных машин не компенсируется возрастающим током симметрирующих конденсаторов, поэтому действующее значение напряжений обратной последовательности междуфазных напряжений увеличивается более интенсивно, нежели возрастает действующее значение прямой последовательности напряжений. Явления, возникающие в системе преобразования числа фаз и электродвигателей привода рабочих машин, обуславливают U-образную зависимость коэффициента обратной последовательности напряжений от отклонения однофазного напряжения.

Токи обмоток статора и ротора электродвигателей увеличиваются из-за повышения частоты вращения ротора, возрастания момента сопротивления рабочих машин, а также из-за роста намагничивающего тока электродвигателей. Несмотря на увеличение токов прямой последовательности, наблюдается быстрый рост токов обратной последовательности электрических машин, поэтому коэффициент обратной последовательности токов в трёхфазной цепи вспомогательных машин достигает глобального минимума при номинальном питающем напряжении.

Таким образом, действующие токи, коэффициент несимметрии токов по обратной последовательности электродвигателей увеличиваются с отклонением действующего однофазного напряжения от номинального значения из-за несимметрии междуфазных напряжений, из-за изменения эквивалентных электрических сопротивлений обмоток электродвигателей токам прямой и обратной последовательности по модулю и фазе, из-за изменения скольжения ротора и момента сопротивления на валу. В существующих системах преобразования числа фаз при пониженном и повышенном однофазном напряжении коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности К 2U может достигать 3,0…8,0%, а коэффициент несимметрии фазных токов по обратной последовательности К электродвигателей при этом составляет 50,0…60% [68].

где К - кратность пускового тока трехфазных асинхронных электрических двигателей.

При номинальном однофазном напряжении на вторичных обмотках тяговых трансформаторов коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности не превышает 1%, а коэффициент несимметрии токов по обратной последовательности при этом составляет 8,0…14%.

Большая, по продолжительности, часть работ выполняется электровозами при таких действующих напряжениях на токоприёмнике, при которых коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности в трёхфазной цепи вспомогательных машин составляет 1,0…3,0%, а коэффициент несимметрии токов по обратной последовательности достигает 19,0… 24,0% [118].

1.3. Несинусоидальность напряжения во вторичной обмотке собственных Нелинейные искажения кривой мгновенных значений напряжения принято оценивать с помощью коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения ( К U ), который вычисляется в процентах по формуле:

где U (n) - действующее значение n-й гармонической составляющей напряжения;

n - порядок гармонической составляющей напряжения.

Гармонические составляющие порядка n > 40 и те, значения которых менее 0,3% обычно не учитываются в расчётах.

К основным показателям качества электрической энергии относится коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения К U(n), который можно определить в процентах по формуле:

С помощью коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения можно количественно оценить нелинейные искажения кривой мгновенных значений напряжения, вызванные наличием конкретной гармонической составляющей в спектральном составе напряжения [54].

Условия успешного пуска трёхфазных асинхронных двигателей, их работа на устойчивой части ветви механической характеристики, нагрев машин определяется действующим значением основной гармонической составляющей напряжения. Поэтому коэффициент первой гармонической составляющей напряжения необходим для выбора электродвигателей, для расчёта их характеристик, для оценки соответствия электрических машин эксплуатационным требованиям [138].

Исследованиями установлено, что коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения зависит от коэффициента искажения синусоидальности кривой однофазного напряжения на вторичной обмотке тягового трансформатора, от характера нагрузки на валу трёхфазной асинхронной машины, от количества работающих машин и от порядка чередования фаз в трехфазной системе напряжений.

Коэффициент искажения синусоидальности кривой однофазного напряжения на обмотке собственных нужд тягового трансформатора определяется режимом работы выпрямительно-инверторного преобразователя электровоза и других локомотивов, находящихся в фидерной зоне. Коэффициент искажения синусоидальности кривой однофазного напряжения зависит от мощности трансформаторных подстанций контактных электрических сетей и от места расположения локомотивов в фидерной зоне.

Нелинейные искажения формы кривой мгновенных значений напряжения оказывают заметное влияние на отклонение напряжения прямой последовательности основной частоты при коэффициенте искажения синусоидальности кривой напряжения К U 5%. Приращение отклонения прямой последовательности основной частоты U1(1) из-за нелинейных искажений формы кривой мгновенных значений напряжения, оцениваемых коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения, не зависит от направления отклонения напряжения относительно номинального значения и не превышает 3,0% при коэффициенте искажения синусоидальности кривой напряжений К U 30%.

С увеличением отклонения однофазного напряжения U12 в сторону выше от номинального значения и с уменьшением коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения К U повышается отклонение напряжения прямой последовательности основной частоты U1(1) в цепи вспомогательных машин электровозов. Отклонения напряжения прямой последовательности основной частоты U1(1) уменьшается с увеличением коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения К U при одном и том же отклонении однофазного напряжения U12 в сторону выше от номинального значения.

Из-за искажения синусоидальности фазных напряжений магнитное поле в воздушном зазоре асинхронной машины несинусоидальное. В нём, кроме основной гармонической, содержатся высшие гармонические составляющие поля, которые принято разделять на пространственные и временные.

Пространственные гармоники появляются вследствие несинусоидальности распределения магнитодвижущей силы в воздушном зазоре, обусловленной дискретным расположением проводников обмотки в пазах, и неравномерности воздушного зазора, вызванного наличием зубцов на статоре и роторе и рядом технологических факторов. От основной гармоники поля высшие пространственные гармоники отличаются тем, что они имеют значительно меньшую амплитуду, другое число периодов и другие частоты вращения. Высшие пространственные гармоники создают ряд добавочных моментов, действующих на ротор и оказывающих влияние на механическую характеристику двигателя.

Временные гармоники поля появляются при питании двигателя несинусоидальным напряжением [111]. При анализе работы двигателя несинусоидальное напряжение разлагают в гармонический ряд и рассматривают работу двигателя от каждой гармоники отдельно.

Высшие временные гармоники напряжения отличаются друг от друга по амплитуде, порядку следования фаз и частоте f k, пропорциональной их номеру k (f k k f1 ). С повышением номера гармоники ее амплитуда уменьшается в k раз. В зависимости от номера высшие гармоники будут иметь прямой или обратный порядок чередования фаз. Гармоники порядка 6 n - 1 (n 1,2,3...) имеют обратный по отношению к 1-й порядок чередования фаз, т.е. вращаются в противоположную сторону и создают тормозные моменты. Гармоники порядка 6 n 1имеют прямой порядок чередования фаз, вращаются в ту же сторону, что и первая гармоника. Для 3-й гармоники и гармоник, кратных трём, напряжения различных фаз не имеют сдвига между собой, то есть они совпадают по фазе. Каждая гармоника напряжения порядка 6 n - 1 или 6 n 1 создаёт в обмотках токи, которые образуют вращающие магнитные поля [140].

Токи, созданные напряжением 3-й гармоники, во всех трёх обмотках статора будут совпадать во времени. Так как обмотки фаз сдвинуты в пространстве на электрический угол, равный 120°, то результирующие МДС всех трёх фаз и магнитный поток от этих токов будут равны нулю. Вследствие этого 3-я и кратные трём гармоники вращающего момента создавать не будут.

В результате взаимодействия тока ротора с магнитным полем той же гармоники образуются моменты. В зависимости от порядка гармоники их моменты будут направлены по движению ротора ( 6 n 1) или иметь встречное с ним направление ( 6 n - 1 ). Так как в воздушном зазоре машины существуют только нечётные гармоники (кроме гармоник, кратных трём), то результирующий асинхронный момент M РЕЗ [111] будет равен:

Из-за малого магнитного потока моменты от высших гармоник незначительны и составляют доли процента номинального момента машины. Таким образом, для повышения устойчивости АВМ на электровозах переменного тока отношение минимального момента в процессе пуска к номинальному M min M НОМ для двигателей мощностью 0,6-100 кВт должно быть не менее 0,8.

1.4. Конструктивные особенности АВМ электровоза При создании первых серийных электровозов переменного тока для привода вентиляторов и главных компрессоров были использованы электродвигатели общепромышленного и специального назначения типа А, АО, АС и АП. Электродвигатели типа АС и АП имели улучшенные пусковые характеристики и их использовали для привода главных компрессоров (типа АС) и вентиляторов (типа АП) на электровозах ВЛ60. Высокая надежность этих машин определялась запасом прочности.

Первой трёхфазной асинхронной машиной, разработанной в тяговом исполнении, то есть специально для привода вспомогательных механизмов на электровозах переменного тока, был электродвигатель типа АЭ92-4О2.

При разработке этого типа электродвигателя были учтены условия эксплуатации его на ЭПС. Это, в первую очередь, широкий диапазон изменения величины и несимметрии питающего трехфазного напряжения при работе в фидерной зоне контактной сети и в системе с преобразованием числа фаз, наличие вибраций и ударов, периодичность включения.

В течение ряда лет этот электродвигатель многократно подвергался конструктивной доработке, совершенствовалась технология его изготовления.

Наиболее существенные конструктивные изменения были внесены в 1979 году:

для усиления обмотки ротора и исключения случаев её выплавления в сложных эксплуатационных условиях, изменена форма пазов ротора, снижено их число с 50 до 40, устранён скос, несколько уменьшен воздушный зазор. Эти мероприятия несколько снизили пусковые качества, устойчивость электродвигателя, которые не сказались на режимах его эксплуатации, однако существенно упростилась технология изготовления электродвигателей. Однако, число случаев выплавления ротора электродвигателя АЭ92-4О2 при эксплуатации электровозов в самых различных климатических зонах осталась высокой.

Электродвигатели АЭ92-4О2 допускают протекание тока короткого замыкания или затяжной пуск в течение не более 15 с. (с холодного состояния) при номинальном напряжении 380 В. Нормальная работа электродвигателя осуществляется от однофазной сети в системе с расщепителем фаз и постоянно включенными симметрирующими конденсаторами при колебании питающего напряжения сети в интервале 280 – 470 В.

В начале 80-х годов был разработан и создан специально для эксплуатации в условиях электрической тяги трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором типа АНЭ225L4УХЛ2. При создании этой машины были резко повышены технические требования по сравнению с электродвигателями АЭ92О2. В частности, был увеличен нижний предел допустимой температуры окружающего воздуха (с - 50°С до - 60°С), снижена мощность на единицу массы (стало – 55кВт /380 кг, было – 40кВт/400кг).

Допустимый диапазон изменения напряжения прямой последовательности этого электродвигателя находится в пределах от 250 до 490 В. Максимально допустимое напряжение обратной последовательности при работе с несимметричной системой питания равно 25 В, причём независимо от значения напряжения прямой последовательности. При работе электродвигателя с напряжением питания, отличным от номинального, и наличии несимметрии трехфазной системы допустимая мощность нагрузки снижается. При минимальном питающем напряжении с предельно допустимой несимметрией допустимая мощность нагрузки на валу составляет 39 кВт.

Так же как и электродвигатель АЭ92-4О2, этот электродвигатель допускает повторно-кратковременный режим работы с числом включений в час до 20, продолжительностью включенного состояния до 50 %. Допустимая длительность стоянки электродвигателя под током короткого замыкания при максимальном питающем напряжении, в том числе и при однофазном включении после продолжительного режима с номинальной нагрузкой, равна 15 с. При питании машины номинальным трёхфазным напряжением 380 В допустимая длительность стоянки под током увеличивается до 23 с. Столь большое усиление обмотки ротора для предотвращения выплавления вызвано требованием повышения надёжности электродвигателя.

До начала 1985 года были выпущены опытные партии электродвигателя АНЭ225L4УХЛ2, установленные на электровозах ВЛ85-001 и 002. Однако в дальнейшем спинка зубца сердечника статора электродвигателя была увеличена на 2,5 мм. Модернизация электродвигателя была выполнена с целью повышения его пусковых качеств.

В конце 90-х годов на Владимирском электромоторном заводе приступили к изготовлению двигателей типа АНЭ225L4 с улучшенными по сравнению с ранее выпускаемыми машинами этого же типа технико-экономическими и технологическими показателями. Кратность пускового тока с 7,7 была снижена до 7,5; кратность максимального момента повышена с 4,0 до 4,8. Последняя модернизация электродвигателей типа АНЭ225 была проведена в соответствии с пожеланиями эксплуатационников по повышению конструкционной и эксплуатационной надежности машины [92]. По сравнению с электродвигателем АЭ92-4О2 электродвигатель АНЭ 225L4УХЛ2 имеет более низкие потери на самовентиляцию, однако общие потери холостого хода у этой машины значительно выше. Последнее вызвано в основном высокой степенью использования активных материалов электродвигателя, в первую очередь магнитопровода. Электродвигатель АНЭ L4УХЛ2 имеет практически ту же массу, что и электродвигатель АЭ92-4О2, однако его мощность выше на 37%.

Использование машины АНЭ225L4УХЛ2 в системе вспомогательного электропривода электровозов взамен электродвигателя АЭ92-4О2 имеет как преимущества, так и недостатки. Основным недостатком является сложность обеспечения пусковых режимов. С другой стороны, пониженное полное сопротивление электродвигателя повышает эффективность его использования в качестве расщепителя фаз. Использование электродвигателя АНЭ225 L4УХЛ2 в качестве расщепителя фаз, так же как и электродвигателя АЭ92-4О2, имеет ряд преимуществ по сравнению с расщепителем фаз НБ-455Б. такими преимуществами являются:

унификация машин, исключение пускового резистора, пусковой контактной аппаратуры и автоматики пуска, значительное повышение энергетических параметров системы привода в целом. Недостатком является лишь некоторое увеличение ёмкости батареи симметрирующих конденсаторов, компенсирующих разницу в выходных параметрах этих расщепителей фаз.

Основные технические данные электродвигателя НВА- Класс нагревостойкости изоляции обмотки статора F Электродвигатель НВА-55 является аналогом электродвигателя АНЭ L4УХЛ2, но его выпуск, а также выпуск электродвигателя НВА-22 организован на НЭВЗе на рубеже ХХ века в связи с освоением новых типов пассажирских и грузовых электровозов (ЭП, 2ЭС5К «ЕРМАК», 2ЭС4К «ДОНЧАК»). У электродвигателя НВА-55 по сравнению с электродвигателем АНЭ225 снижен индекс нагревостойкости изоляции с класса Н до класса F. Однако незначительно повышены такие энергетические показатели как КПД и сos, в результате чего при одинаковой номинальной мощности снизился номинальный ток со 119 А до А. Сомнение вызывает показатель IP 20 технического паспорта двигателя НВАа точнее вторая цифра (0) международной буквенно-цифровой классификации по степени защиты электрооборудования от попадания внутрь воды. Цифра 0 указывает на отсутствие защиты от попадания воды внутрь статора.

В электродвигателях НВА-55 отсутствуют осевые вентиляционные каналы в листах ротора, нет специального вентилятора и лопастей на роторе, которые обычно отливают одновременно с его обмоткой для охлаждения статора и ротора, что способствует перегреву обмоток и их выплавлению при аномальных режимах работы электродвигателей.

Таким образом, конструктивные особенности трёхфазных асинхронных электродвигателей вспомогательных машин электровозов влияют на устойчивую работу в процессе эксплуатации. Задача повышения устойчивости асинхронных вспомогательных машин с помощью микропроцессорной системы автоматического управления может быть решена путём разработки математической модели САУ. Анализом условий работы вспомогательных машин установлено, что основными выходными величинами в однофазно-трехфазной системе электровоза, являются действующее напряжение прямой и обратной последовательностей основной частоты трёхфазной цепи. Уровни напряжения прямой и обратной последовательностей основной частоты в трёхфазной цепи определяют электромеханическую устойчивость привода, ресурс электродвигателей, надёжность, безопасность, энергоэкономию электровозов в процессе эксплуатации.

1.5. Автоматические системы управления электроприводом мотор-вентиляторов В России и за рубежом различные системы автоматического регулирования производительностью вентиляторов разработаны, изготовлены и успешно эксплуатируются на электровозах переменного и постоянного тока. Экономическая целесообразность применения таких систем на отечественных магистральных электровозах доказана и неоднократно подтверждалась результатами теоретических и экспериментальных исследований, проведённых во ВНИИЖТе, ВЭлНИИ, ИрГУПСе, ОмГУПСе, ЗабИИЖТе и других организациях.

Исследованию частотного управления трёхфазных асинхронных электродвигателей посвящены работы Вейнгера А.М., Глазенко Т.А., Кривицкого С.О., Сандлера А.С., Сарбатова Р.С., Сарварова А.С., Хрисакова В.И., Эпштейна И.И..

Разработаны математические модели и методы исследования свойств асинхронных машин, ориентированные на задачи автоматического управления с целью повышения устойчивости двигателей и оптимизации их режимов работы [26, 36, 42, 44, 56, 88, 89, 105].

Первая система частотно-управляемого привода мотор-вентиляторов отечественного производства разработана применительно к электровозу ВЛ80 с. Для увеличения пускового момента электродвигателя, включаемого первым, в первую очередь мотор-компрессора, введено переключение симметрирующих конденсаторов с мотор-вентиляторов 3 и 4 на сборные шины системы на период пуска первой машины.

Разработаны и исследованы системы датчиков для управления переключением частоты вращения по тепловому состоянию и току тяговых двигателей.

Один из вариантов – использование датчика теплового состояния тяговых двигателей, представляющего собой аналоговую или цифро-аналоговую модель тягового двигателя с релейным выходом. Входными сигналами для такой модели являются ток якоря тяговых двигателей, интенсивность и температура потока охлаждающего воздуха. Уставка по температуре обмоток тяговых двигателей принята с запасом на возможный разброс характеристик тяговых двигателей и погрешность модели, а также с учётом возможности реализации тяговыми двигателями необходимой мощности на расчётном подъёме.

Исследовались системы непосредственного измерения температуры обмоток добавочных полюсов тяговых двигателей. Разработанные в Ростовском инженерно-строительном институте такие устройства прошли всесторонние испытания, в том числе и на магистральных электровозах. Их основным недостатком является наличие высоковольтного вывода из тягового двигателя.

Наиболее простой является система управления мотор-вентиляторами по току тяговых двигателей, аналогичная применяемой на электровозах Sr1. При экспериментальных исследованиях уставка по току тяговых двигателей НБ-418к принималась 500 – 550 А, это значение соответствует превышению температуры в продолжительном режиме около 80°С.

Включение мотор-вентиляторов возможно лишь при отсутствии тяговой нагрузки. В этой связи их пуск при автоматическом управлении осуществляется на пониженную частоту. Ток электродвигателей носит импульсный характер, напряжение на их фазах сохраняет импульсный характер лишь при пуске первой машины. Далее благодаря наличию ЭДС напряжение на сборных шинах системы становится близким к синусоидальному с искажением формы в период действия импульса тока.

Пуск мотор-вентиляторов на пониженную частоту вращения осуществляется по очереди с целью обеспечения максимального пускового момента электродвигателя, включаемого первым. Процессу пуска последующих машин содействует предварительно включенные машины так же, как и при процессах пуска на нормальную частоту вращения. В данной системе привода стабилизация напряжения обеспечивается в диапазоне от 60 до 80 В эффективного значения. Мощность, потребляемая электродвигателем привода вентиляторов, в этом случае равна около 2,2 кВт. Однако, устойчивая работа приводных электродвигателей при частоте питающего тока 16 Гц и мощности нагрузки на валу 1 кВт обеспечивается при напряжении питания 60 - 70 В. Таким образом, КПД электродвигателя при таком режиме питания не превышает 50%.

Система автоматизированного управления вентиляторами [86] регулирует расход охлаждающего воздуха изменением частоты вращения приводных двигателей вентиляторов в зависимости от теплового состояния силового оборудования электровоза и расхода охлаждающего воздуха. Асинхронные трёхфазные двигатели привода вентиляторов подключены через блоки контакторов к обмотке собственных нужд силового трансформатора электровоза или к выводу тиристорного преобразователя частоты в зависимости от режима работы. Данная система содержит датчики тока тяговых двигателей, включенные в их якорные цепи; датчики вентиляции, расположенные в канале системы вентиляции и подключенные своими выводами на входы микропроцессора управления, который подключен одним из входов к задатчику уставки переключения на номинальную или низкую частоту вращения вентиляторов, а выводами – к блокам контакторов и к преобразователю частоты. Микропроцессор управления сравнивает выходные значения датчиков тока якоря и вентиляции с заданными уставками и обеспечивает переключение режимов работы вентиляторов с номинальной частоты вращения на пониженную и наоборот. В процессе эксплуатации данной системы на сети железных дорог выявлен недостаток, заключающийся в том, что регулирование частоты вращения вентиляторов происходит без учёта теплового состояния сглаживающих реакторов в цепях тяговых двигателей, которые в отдельных режимах работы электровоза являются лимитирующими по нагреву. Это снижает эффективность системы автоматизированного управления вентиляторами и надёжность силового оборудования электровоза. Для устранения данного недостатка в систему введен дополнительный канал регулирования частоты вращения вентиляторов в зависимости от теплового состояния сглаживающего реактора [102].

В ходе дальнейшего совершенствования САУВ разработчиками на шине сглаживающего реактора установлен датчик температуры, вход которого соединен через устройство гальванической развязки с входом микропроцессора управления. Таким образом, в систему введён дополнительный канал регулирования частоты вращения вентиляторов в зависимости от теплового состояния сглаживающего реактора. Этот канал обеспечивает перевод вентиляторов в номинальный режим работы в тех случаях, когда лимитирующим по нагреву силовым оборудованием является сглаживающий реактор.

В зимний период времени при проследовании тоннелей или постановке холодных электровозов в ремонтные цехи депо на их оборудовании конденсируется, а при больших перепадах температур сублимируются пары воды, содержащиеся в воздухе.

Изменение температуры окружающего воздуха влияет на нагрев изоляционных материалов силового электрооборудования и обмоток электрических машин электровоза. Наиболее перспективными методами управления температурными процессами технических систем следует считать такие, которые будут адаптироваться к климатическим условиям эксплуатации, режимам нагрузки и конструктивным особенностям электрооборудования [14].

Актуальность исследования обусловлена статистикой отказов, которые возникают при проследовании подвижного состава через Северо-Муйский тоннель в зимнее время, блокировкой движения по данному участку. Неадекватность выполнения технологического процесса современными системами управления вентиляторами приводят к образованию конденсата на изоляции электрооборудования электровоза, что непосредственно оказывает влияние на долговечность изоляционных материалов, снижения их срока службы. Задымление кабины машиниста и короткие замыкания в тяговом электрооборудовании, охлаждение которого осуществляется 100% влажным воздухом, обусловлены тем, что современные системы управления мотор-вентиляторами неадаптивны к температуре окружающего воздуха и его влажности.

Известно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013616853 «Управление системой по обеспечению допустимой влажности вентилируемого воздуха», направленное на устранение образование конденсата на токоведущем оборудовании электровоза и учёте влажности окружающего воздуха. Данное техническое решение подразумевает установку кассет с селикогелем на воздуховоды электровоза. Количество охлаждающего воздуха на максимальной производительности мотор-вентилятора составляет 95м3/мин., учитывая инерционность, невозможно обеспечить устранение образования конденсата на изоляции электрооборудования электровоза.

Известен патент на изобретение № 2291544 «Устройство для автоматического регулирования температурно-влажностных режимов обмоток тяговой электрической машины постоянного тока». Данное техническое решение при изменении степени увлажнения изоляции обмоток ТЭД от некоторого заданного значения, пропорционально изменяет сигнал на выходе из канала охлаждающенагревающей среды. При увеличении степени увлажнения изоляции обмоток ТЭД увеличивается сигнал обратной связи от датчика влажности и наоборот. При этом на выходе преобразователя электросушителя будет изменяться среднее напряжение, происходит увеличение подводимой мощности в случае увеличения степени увлажнения и уменьшение подводимой мощности в случае уменьшения степени увлажнения изоляции обмоток ТЭД. Безусловно, данное изобретение количественно уменьшит образование конденсата на изоляции тягового электрооборудования при 100 % влажности окружающего воздуха, однако в конструктивном исполнении имеет достаточно большое количество звеньев, что уменьшает его надёжность и усложняет конструкцию электровоза.

Известны способы подогрева и сушки изоляции продувкой подогретого воздуха через тяговые двигатели от специальных калориферов, пропусканием электрического тока от постороннего источника и др. Указанные способы сушки требуют обязательной постановки электроподвижного состава в цех локомотивного депо со специальными устройствами для сушки, достаточно энергоёмки и связаны с большой затратой времени.

Известен патент на изобретение № 2014710 «Способ профилактики тяговых электродвигателей электровоза», целью которого является сушка изоляции тягового электрооборудования электровоза. Предлагаемый способ прошёл испытания в условиях низких температур окружающего воздуха (до -40°С) на магистральных двухсекционных двенадцатиосных электровозах серии ВЛ85 и восьмиосных электровозах серии ВЛ80. Данный способ сушки изоляции осуществляется при питании от контактной сети за счёт пропускания тока по обмоткам ТЭМ. Данное техническое решение используется для поддержания необходимой температуры изоляции ТЭМ перед постановкой в отапливаемый цех в зимнее время с целью исключения образования конденсата.

Известен патент на полезную модель № 113893 «Шкаф питания вспомогательных машин», который предназначен для преобразования однофазного переменного напряжения обмотки собственных нужд тягового трансформатора электровозов 2ЭС5К и 3ЭС5К в симметричные трехфазные напряжения для питания асинхронных вспомогательных машин. Основными преимуществами применения ШПВМ-250-У2 вместо преобразователя числа фаз с дополнительными симметрирующими конденсаторами являются: повышение надёжности вспомогательных машин за счёт нормализации их питания от однофазной тяговой сети; исключение сложных переходных процессов; резкое повышение качества напряжения питания вспомогательных машин и реализация частотного пуска; снижение затрат электроэнергии на вспомогательный электропривод. Данное техническое решение является наиболее близким с позиции повышения электромеханической устойчивости асинхронных вспомогательных машин на основании учёта качества питающего напряжения. Руководствуясь выходными параметрами ШПВМ, следует отметить выходную мощность устройства равную 250 кВА, которая больше номинальной мощности оборудования, которым управляет данное устройство. Масса и габаритные размеры ШПВМ, входного дросселя и наличие фильтра du/dt усложняют конструкцию электровоза.

Вышерассмотренные САУ вспомогательными машинами электровозов разработаны с целью снижения потребляемой энергии приводными электродвигателями вентиляторов, однако, не учитывают факторы, влияющие на устойчивость асинхронных машин.

Анализ конструктивных особенностей АВМ и автоматических систем управления электроприводом мотор-вентиляторов электровозов подтвердил целесообразность разработки микропроцессорной системы управления, исключающей недостатки известных САУ [9].

2. Математическая модель исполнительного элемента микропроцессорной системы автоматического управления вспомогательными машинами электровоза В теории и практике частотного электропривода существует ряд нерешенных вопросов, к которым можно отнести разработку и исследование методов математического описания процессов и свойств АД с короткозамкнутым ротором, создание уточнённой математической модели двигателя как элемента системы автоматического частотного управления с учётом ряда факторов и особенностей, оказывающих влияние на технико-экономические показатели привода в целом.

Актуальными остаются задачи получения удобной математической модели динамических режимов преобразователя частоты электропривода с разработкой методов и средств контроля текущих координат АД [31, 34, 38, 69].

Разработка САУ вспомогательными машинами электровозов переменного тока с адаптацией к условиям эксплуатации направлено на повышение устойчивости, энергетических показателей и электромагнитной совместимости электропривода.

Работа АД в регулируемом электроприводе на электровозе характеризуется существенными особенностями, которые и определяют предъявляемые к ним специфические требования. Эти особенности связаны с изменяющимися значениями действующего напряжения и потребляемого тока двигателем. В силу этого специфическими являются математические модели электромагнитных, электромеханических, энергетических процессов в установившихся и переходных режимах работы двигателей. Применение микропроцессорной САУ моторвентиляторами, разработанной с учётом специфики их работы даст возможность повысить устойчивость асинхронных машин, улучшить функциональные и энергетические показатели.

Техническими предпосылками разработки микропроцессорной САУ производительностью асинхронных машин с адаптацией к условиям эксплуатации на подвижном составе, являются:

пуск мотор-вентиляторов на пониженной частоте вращения;

регулирование производительности мотор-вентиляторов в зависимости от температуры нагрева изоляции тягового электрооборудования электровоза;

переключение частоты напряжения на обмотках статора асинхронного двигателя с понижением напряжения в обмотке собственных нужд тягового трансформатора [13].

Основные принципы и методология проектирования микропроцессорной САУ асинхронными двигателями привода мотор-вентиляторов должны базироваться на системном подходе и определяться с учётом специфики их работы в составе электропривода как в установившихся, так и в динамических режимах, должны учитывать положительные стороны разработанных систем, исключать их недостатки. Системный подход предусматривает анализ работы асинхронного двигателя во взаимодействии с другими элементами электропривода: силовой частью полупроводникового преобразователя, микропроцессорной системой управления и вентилятором системы охлаждения. Эффективность системного подхода при проектировании САУ основывается на учёте особенностей отдельных элементов электропривода, характера отношений и связей между этими элементами.

Благодаря этому значительно повышается адекватность математической модели автоматической системы реальным физическим процессам и, соответственно, качество проектного синтеза регулируемого асинхронного двигателя [29, 70, 82, 122, 125].

На вход современных систем преобразования числа фаз (СПЧФ) поступает несколько случайных величин (рис. 2.1): уровень напряжения на обмотке собственных нужд тягового трансформатора электровоза - U12 ; коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения - К U ; количество одновременно работающих машин - n ; степень загрузки электродвигателей привода компрессора и вентиляторов - Р Н.

Размах изменений каждого из случайных факторов на входе СПЧФ современных электровозов определяет количественное изменение действующих значений напряжения прямой и обратной последовательностей в трёхфазной электрической цепи вспомогательных машин. Для определения пределов изменения каждого из случайных факторов на входе СПЧФ современных электровозов переменного тока в работе [1] были выполнены испытания электровоза ВЛ85 на различных участках ВСЖД.

их функции в системах преобразования изменения степени загрузки электродвигателей привода вентиляторов Р Н на электровозе изменялись положения заслонок и дверок окон форкамер на воздуховодах системы вентиляции в пределах от полностью закрытого до полностью открытого состояния. Устанавливалась и снималась снегозащита. Измерялась мощность нагрузки Р Н мотор-вентиляторов, когда заслонки и дверки окон форкамер находились в положении, необходимом для работы системы вентиляции электровозов во время их зимней эксплуатации. Когда заслонки и дверки окон форкамер на воздуховодах были закрыты полностью, установлена снегозащита, активная мощность четырёх работающих мотор-вентиляторов составила в среднем по опытам Р Н4 150 кВт. При полностью открытых заслонках, дверцах форкамер и снятой снегозащите Р Н4 162 кВт. Такие же эксперименты выполнены при пяти одновременно работающих мотор-вентиляторов. Активная мощность пяти моторвентиляторов составила Р Н5 182 кВт, когда заслонки и дверцы форкамер закрыты полностью, установлена снегозащита. Если заслонки и дверцы окон форкамер открыты полностью, активная мощность пяти мотор-вентиляторов увеличивалась до Р Н5 197,1 кВт.

Изменение мощности четырёх и пяти мотор-вентиляторов из-за изменения положения заслонок и дверок окон форкамер на воздуховодах от одного крайнего состояния до другого, из-за установки снегозащиты составило в среднем Р Н кВт на один мотор-вентилятор.

Случайная величина n является дискретной и в условиях эксплуатации электровозов может принимать значения 2, 5, 6, 7. Установлено, что от количества одновременно работающих вспомогательных машин зависит уровень напряжения на обмотке собственных нужд тягового трансформатора электровоза. Причина данного явления заключается в том, что падение напряжения на активных и индуктивных сопротивлениях обмоток трансформатора и на других элементах электрической цепи обусловлено током, который определяется, в основном, количеством одновременно работающих вспомогательных машин. Так, действующий ток во вторичной обмотке трансформатора составляет 90…180А при n 2 и увеличивается до 600…760А при n 7 в зависимости от уровня напряжения на токоприёмнике электровоза и от режима работы тяговых и вспомогательных машин.

Анализ и исследование отдельных случайных величин позволили установить, что изменение количества одновременно работающих вспомогательных машин вызывает изменение уровня однофазного напряжения на обмотках собственных нужд тяговых трансформаторов. Поэтому, с достаточной для практики точностью, воздействие на СПЧФ случайной величины n можно учесть с помощью уровня напряжения U12.

Уровень напряжения U12 и коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения К U связаны вероятностной зависимостью. Эта зависимость обусловлена сопротивлением контактной сети, количеством, тяговыми и скоростными режимами электроподвижного состава [112]. Электрическое сопротивление контактной сети изменяется в зависимости от места нахождения электроподвижного состава в фидерной зоне. Чем ближе находится ЭПС к тяговой подстанции при отсутствии других ЭПС в фидерной зоне, когда тяговые машины электровоза находятся в режиме, близком к холостому ходу, уровень напряжения U12 увеличивается до максимального значения, а коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения имеет тенденцию к снижению до минимального значения.

По мере удаления ЭПС от тяговых подстанций электрическое сопротивление контактной сети увеличивается. Если в фидерной зоне работают несколько ЭПС с нагрузкой, близкой к максимальной, и скоростными режимами, близкими к середине зон регулирования, то на электровозе, максимально удалённом от тяговых подстанций, с максимальной нагрузкой тягового электрооборудования и работающего с углом регулирования, близким к 90 градусам, из-за падения напряжения и повышения нелинейных искажений тока уровень напряжения U12 снижается, до минимального значения, а коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения увеличивается до максимального значения.

Вероятностная зависимость между случайными величинами U12 и К U является «отрицательной», так как при увеличении одной случайной величины, другая уменьшается.

Статистические характеристики однофазного напряжения на входе преобразователя частоты целесообразно учитывать при обосновании передаточной функции частотно-управляемого электропривода мотор-вентиляторов электровоза.

2.1. Обоснование технических решений для повышения устойчивости трёхфазных На современном этапе развития общества электрическая энергия является наиболее совершенным и дорогим энергоносителем. Без предварительного преобразования электрической энергии промышленной частоты в электрическую энергию с другими параметрами зачастую невозможно или нельзя эффективно ее использовать для выполнения работы в технологических процессах.

Технологические процессы обеспечиваются энергоносителем, например, электрической энергией Э, материалами М и трудовыми ресурсами Т (рис. 2.2).

Преобразователями Пр выполняется изменение параметров энергоносителя и регулируется поток энергии, поступающий на технологическую установку ТУ, а такие преобразователи принято называть силовыми преобразователями.

технологических процессов информационных преобразователей, образующих блок системы датчиков СД, выполняется регистрация, идентификация, хронометраж и данные о параметрах материальных, трудовых ресурсов и энергоносителя. Формируются данные о ходе, качестве выполнения отдельных технологических операций, которые составляют технологический процесс, а также данные о конечном продукте П. Информация с СД в виде цифровых кодов поступает на микроконтроллеры, микропроцессоры и компьютеры МП, где выполняется ее обработка и математические расчеты управляющих сигналов, которые поступают на преобразователь Пр, на исполнительные элементы отдельных участков технологической установки ТУ [18, 20].

В связи с интенсивным развитием силовой полупроводниковой техники регулирование частоты вращения асинхронных электродвигателей осуществляется с помощью известных полупроводниковых преобразователей частоты, напряжения.

Для этого на электровозах переменного тока применяют следующие конструктивные решения электропривода:

преобразователь с промежуточным контуром постоянного тока;

электропривод с непосредственным преобразователем частоты.

Преобразователи частоты с промежуточным контуром постоянного тока получили широкое применение на практике из-за более простой технической реализации управления при широких функциональных возможностях, а также из-за высоких энергетических характеристик и возможности решения проблем электромагнитной совместимости. В состав преобразователей частоты с промежуточным контуром постоянного тока входят выпрямители и рекуператоры электрической энергии, контур постоянного тока с дросселем и конденсатором сглаживающего фильтра, инверторы с обратным диодным мостом [137].

Управление силовыми полупроводниковыми приборами обычно выполняется импульсно-фазовым способом [149]. Коэффициент мощности технологических установок, оснащенных данными преобразователями частоты, снижается до нуля с увеличением глубины регулирования, так же как у всех управляемых выпрямителей [3, 16, 22]. Остается нерешенной проблема их электромагнитной совместимости, то есть проблема отрицательного воздействия преобразователей на показатели качества электрической энергии в питающей сети и на работу других потребителей электрической энергии [20].