1.ОБЗОР ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
Как известно любое тело не может перемещаться в пространстве без приложения к нему усилия, например, от внешнего воздействия. Применительно к транспортным средствам само усилие независимо от его источника называется тяговым. Тяговое усилие может быть реализовано и внутри самого тела, если оно оснащено устройством для создания такого усилия. В том случае, когда для питания подобного устройства используется электрическая энергия, преобразуемая в нем в механическую, устройство называется тяговым электрическим двигателем. При этом тяговый электродвигатель может создавать как крутящий момент на своем валу, так и непосредственно тяговое усилие (линейный тяговый электродвигатель). Создаваемый на валу тягового электродвигателя крутящий момент необходимо преобразовать в тяговое усилие на колесе, для чего используется механическая передача. Совокупность перечисленных элементов образует электрический привод, а поскольку он предназначен для создания тягового усилия подвижного состава, его называют тяговый электрический привод.
Таким образом, под тяговым электроприводом подразумевается совокупность элементов электрического и механического оборудования транспортного средства, предназначенная для управляемого преобразования энергии источника питания в энергию поступательного движения транспортного средства.
В отличие от других видов электроприводов, например общепромышленного назначения, неотъемлемой частью тяговых стал источник питания, поскольку на некоторых видах подвижного состава он размещается непосредственно на его борту. Так как транспортное средство осуществляет не только разгон, но и торможение, то привод должен обеспечивать и этот режим движения.
Наличие в составе тягового электропривода электрической машины, которая, как известно, обладает свойством обратимости (т. с. может работать как двигатель, так и в качестве генератора), позволяет реализовать все режимы движения подвижного состава: пуск, движение с заданной скоростью, выбег, подтормаживание и торможение почти до полной остановки.
В состав тягового электропривода входят (рис. 1.1): блок ИЭ - источник энергии; Пр - преобразователь; ЭМНр - электромеханический преобразователь (тяговый электродвигатель); МП - механическая передача; Дв - движитель (пневматическое колесо, колесная пара и т. д.); СУ - система управления.
Рис. 1. Структурная схема тягового электрического привода
При исследовании происходящих в электроприводах (как общепромышленного назначения, так и тяговых) переходных процессов выясняется, что существует два рода таких процессов: электромагнитные и механические. Первые из них протекают в источнике энергии, преобразователе и электродвигателе. Вторые - в таких его элементах, как механическая передача и движитель, а также электродвигатель. При этом, учитывая, что постоянная времени электромагнитных процессов на порядки меньше, чем механических, можно чисто условно разделить привод на две части: электрическую и механическую.
К настоящему времени известно довольно большое количество схемных решений тяговых приводов, которые можно классифицировать в соответствии со структурной схемой, приведенной на рис. 1.1, по следующим признакам:
1) по виду источника питания, используемого в качестве источника энергии для движения;
2) схемотехническому решению преобразователя;
3) типу электромеханического преобразователя энергии (тяговому двигателю);
4) схеме исполнения механической передачи транспортного средства;
5) конструкции движителя транспортного средства;
6) структуре системы управления.
Остановимся более подробно на каждом из перечисленных классификационных признаков с целью их детализации.
Для обеспечения питанием тягового электропривода в настоящее время используются различные источники, которые можно объединить в две группы:
• размещаемые непосредственно на подвижном составе;
• размещаемые вне подвижного состава.
Первые из них независимо от типа источника энергии получили название автономных, вторые - централизованных источников питания. Отличительная особенность последних — это наличие тяговых сетей, через которые осуществляется питание электрооборудования подвижного состава от тяговых подстанций. Кроме того, эксплуатируется подвижной состав с комбинированным питанием электродвигателей энергией как от контактной сети, так и от собственных источников тока: электрохимических (контактные электробусы) или двигатель-генераторных установок (контактные теплоэлектробусы).
Достаточно длительный период развития тягового привода, а также успехи в таких областях, как силовая электроника и микропроцессорная техника, позволили разработать и реализовать тяговые электроприводы с различными по структуре и схемотехническому решению преобразователями. Вместе с тем по принципу передачи энергии от источника к потребителю они могут быть объединены в две группы: непрерывного и дискретного действия. Первые из них появились на ранней стадии развития привода и выполнялись на базе пассивных элементов электрических цепей, таких как резисторы и т. д. Вторые - с появлением активных элементов электрических цепей, таких как тиристор, транзистор и пр.
Тяговый электрический двигатель — это основное звено в структуре привода, так как от него зависят динамические показатели подвижного состава. Недостаточная мощность двигателя приводит к неудовлетворительной динамике транспортного средства, увеличению затрат времени на движение и как результат - снижает его конкурентную способность по сравнению с другими видами транспорта. При всем многообразии существующих конструкций электрических двигателей для классификации приводов используют такой показатель, как род тока. Различают приводы на постоянном и переменном токе.
Механическая передача как элемент механической части тягового привода является промежуточным звеном для передачи крутящего момента с вала тягового электродвигателя на движитель (например, колесо). Как и остальные элементы привода, за время его развития механическая передача постоянно совершенствовалась, приобретала различные структурные, кинематические и конструктивные особенности в зависимости от назначения транспортного средства. Вместе с тем имеется общий классификационный признак, согласно которому привод любого подвижного состава относят к индивидуальному, групповому либо к дифференциальному.
Движитель транспортного средства представляет собой элемент механической части тягового привода, непосредственно реализующий его перемещение по путевой структуре. Характер взаимодействия движителя с путевой структурой и служит классификационным признаком для привода. В соответствии с этим различают привод колесный и бесколесный.
Управление приводом в широком смысле подразумевает изменение параметров привода посредством регулирования характеристик источника питания (например, величины питающего напряжения), преобразователя (например, частоты и уровня подводимого к двигателю напряжения), тягового двигателя (например, ослабления поля), механической передачи (например, изменения передаточного числа редуктора).
Независимо от элементной базы и структуры системы управления тяговыми электроприводами образуют две большие группы, в основу функционирования которых положены два способа:
• непосредственный, когда переключения в цепях питания привода осуществляются в результате использования мускульной силы;
• косвенный (автоматизированное либо автоматическое управление).
?
1.2. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.
К настоящему времени разработано достаточно большое количество различных по назначению и конструктивному исполнению электрических машин. Однако не все из них могут быть использованы для нужд электрической тяги. Поэтому остановимся на наиболее распространенных и приемлемых из них.
Анализ используемых для тяги электрических машин показывает, что независимо от конструктивных особенностей их исполнения по такому классификационному показателю, как род тока, они объединяются в две большие группы: машины постоянного и переменного тока. В свою очередь в пределах групп электрические машины могут классифицироваться по способу создания магнитного поля. В частности, в машинах постоянного тока магнитное поле может создаваться посредством:
• обмотки возбуждения, обтекаемой током якоря (так называемое последовательное возбуждение);
• обмотки возбуждения, подключенной параллельно цепи якоря электрической машины (так называемое параллельное возбуждение);
• обмотки возбуждения, запитываемой от независимого источника электрической энергии постоянного тока (независимое возбуждение);
• комбинации обмоток возбуждения (по способу подключения), обеспечивающих формирование общего магнитного поля путем его суммирования (смешанное возбуждение).
Из машин переменного тока наибольшее применение нашли асинхронные и синхронные с постоянными магнитами. Все эти машины - трехфазные.
Так как мощность тяговых электрических машин составляет, как правило, от нескольких десятков до нескольких сотен киловатт, то пуск и торможение их невозможны без применения регуляторов, ограничивающих величину потребляемой или отдаваемой ими энергии в соответствии с требованиями, оговоренными выше. Поскольку питание тяговых машин может осуществляться от источника, отличающегося от них по роду тока, в ряде случаев регулятор должен выполнять функции и преобразователя рода тока. Так, в частности, при питании привода с асинхронными тяговыми двигателями от контактной сети постоянного тока регулятор должен не только изменять величину подводимого к ним питающего напряжения, но и преобразовывать постоянный ток в переменный.
В зависимости от сочетания рода тока, используемого в источнике питания (постоянный или переменный) и в двигателе, различают тяговые электрические приводы:
• постоянного тока;
• переменного тока;
Большинство городского электрического транспорта в России оснащено двигателями постоянного тока. Но, несмотря на это, они имеют больше отрицательных характеристик, чем положительных:
• наличие щёточно-коллекторного узла (далее ЩКУ) подразумевает относительно частое обслуживание, а также более бережное отношение к двигателю в целом. Около 50% [5] всех неисправностей ДПТ в транспорте основано на частых отказах ЩКУ. При этом, срок службы узла в среднем составляет около 15000 часов;
• в вопросе цены ДПТ перестал быть намного более дешёвым вариантом, чем АД с короткозамкнутым ротором, так как основной проблемой двигателей переменного тока являлась сложность в управлении электрической машиной. Однако с появлением и развитием импульсных систем управления привод постоянного тока (ТЭД и ЭПр) на данный момент не имеет такого преимущества. Более сложный и дорогой тяговый электрический преобразователь для привода переменного тока, но более дешёвый тяговый электродвигатель для него же;
• более низкие перегрузочные показатели. В то время как ДПТ позволяет двукратные перегрузки, двигатели переменного тока могут выдержать трёх- и более кратные;
• в технологическом исполнении тяговый электрический двигатель постоянного тока имеет более сложную конструкцию, а, соответственно, и более технологически сложный процесс производства;
• ДПТ имеет более низкий КПД, средняя величина которого примерно равна 85…90 % (для машин средних мощностей).
Однако двигатель постоянного тока имеет так же достоинства. Двигатель регулируется относительно проще, вследствие более простого исполнения силовой и управляющих электрических схем. ДПТ, в большинстве своём, имеют более низкий момент инерции, из-за чего транспорт лучше себя показывает в высокодинамичном исполнении. Данный ТЭД хуже, чем АД, нагревается, в результате чего вполне достаточна для двигателя естественная вентиляция. Расчёты двигателя производить проще, так как работы производятся при постоянном токе.
По сравнению с ДПТ и синхронными двигателями, асинхронные двигатели имеют ряд значительных преимуществ:
• отсутствие узла коммутации ротора с питающей цепью (контактные кольца синхронной машины или щёточный узел ТЭД постоянного тока);
• меньшая стоимость асинхронного двигателя и в сравнении с СД, и в сравнении с ДПТ, обусловленная, прежде всего, устройством ротора (для АД с короткозамкнутым ротором);
• более простая технология производства двигателя;
• более высокий КПД, в сравнении с ДПТ (равный примерно 90…94 %).
Но также асинхронный двигатель имеет и несколько немаловажных отрицательных характеристик, к которым, в основном, относятся:
• большее выделение теплоты в двигателях малых и средних мощностей, что может привести к использованию дополнительной охлаждающей системы;
• работа с переменным трёхфазным током, из-за которого усложняется возможность регулирования, т. е. усложнение силового преобразователя и системы управления;
• расчётные задачи из-за переменного тока производятся сложнее.
Данные особенности были выделены для АД с короткозамкнутым ротором, так как использование с фазным ротором создаст больше минусов, чем принесёт плюсов. Асинхронный ТЭД с фазным ротором изначально задумывался для возможности относительно плавной регулировки скорости в широких пределах. Но данную работу в импульсной системе управления (далее ИСУ) выполняет инвертор, а дополнительно выходят: большие массогабаритные показатели (далее МГП); меньшие значения cos?? и КПД; наличие щёточного узла. Исходя из этого, лучшим вариантом является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.
