Асинхронный тяговый привод вагонов метрополитена

Размещено на http://www.allbest.ru/

УЧЕБНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ЦЕНТР МОСКОВСКОГО МЕТРОПОЛИТЕНА

Учебное пособие

Асинхронный тяговый привод вагонов метрополитена

Данилов Е.Б.

Москва 2014

Введение

От автора.

Пособие содержит общие сведения о конструкции асинхронных электрических машин, о назначении их составных частей, рассмотрено устройство конкретной модели тягового электродвигателя. Рассматривается состав комплекта силового электрооборудования, назначение составных частей, их работа и взаимодействие.

Для правильного восприятия изложенного материала необходимо иметь представление об общих принципах управления силовым оборудованием и управления поездом с помощью САУ «Витязь» и по резервному каналу управления (в данном учебном пособии не рассматриваются). Изучению материала будут способствовать знания основ электротехники, в т.ч. и переменного тока, а так же принципов построения электрических цепей в системе техфазного переменного тока. Для этого автор рекомендует изучить соответствующие разделы электротехники используя учебную литературу или материал, изложенный в приложениях.

При подготовке была использована литература и техническая документация, перечень которой приведен в конце пособия.

Автор выражает благодарность всем специалистам, так или иначе принявшим участие в подготовке материала. Особую благодарность выражаю Данилову Н.Н.- заместителю начальника технического отдела ЗАО ЗРЭПС, оказавшему неоценимую помощь при подготовке третьей главы.

Настоящее учебное пособие предназначено прежде всего для работников, обучающихся профессии машиниста в Учебно-производственном центре метрополитена, но может быть полезно для работников электродепо, желающих повысить уровень знаний в области тягового электропривода.

Автор будет благодарен за отзывы, выявленные неточности и замечания, которые можно направить на е-mail автора: camelsilver@rambler.ru

Автор готов ответить на вопросы, которые, по мнению читателя, могут быть изложены недостаточно подробно.

Преподаватель УПЦ московского метрополитена

Данилов Е.Б.

Оглавление

Введение

1. Общие сведения о работе асинхронной трехфазной электрической машины и ее конструкции

1.1 Конструкция и принцип действия асинхронных электрических машин

1.2 Образование вращающего электромагнитного момента в асинхронной электрической машине

2. Устройство асинхронного тягового двигателя. Технические данные

2.1 Основные параметры двигателя

2.2 Статор

2.2.1 Станина

2.2.2 Сердечник статора

2.2.3 Обмотка статора

2.3 Ротор

2.3.1 Вал ротора

2.3.2 Сердечник ротора

2.3.3 Обмотка ротора

2.3.4 Вентилятор

2.4 Подшипниковые щиты

2.5 Вентиляция

2.6 Датчик частоты вращения ротора

3. Тяговый привод

3.1 Контейнер тягового инвертора КТИ

3.2 Работа тягового привода

Приложения

Введение

Использование электрических машин переменного тока в качестве тяговых электродвигателей на железнодорожном транспорте длительное время задерживалось из-за сложностей снабжения электроподвижного состава трехфазным переменным током. Однако, развитие электротехнической промышленности, в частности совершенствования силовой полупроводниковой электроники привело к созданию преобразователей тока и напряжения мощностью достаточной, чтобы обеспечить питанием тяговые электродвигатели. Особую роль в этом сыграла разработка транзисторов большой мощности.

В сравнении с коллекторными двигателями постоянного тока асинхронные двигатели обладают рядом преимуществ.

Впервые в отечественном массовом производстве применение асинхронных двигателей в качестве тяговых было применено на вагонах метрополитена моделей 81-740/741 и на части вагонов модели 81-720/721, а в дальнейшем на вагонах модели 81-760/761. Отечественной промышленностью налажен выпуск асинхронных электродвигателей для вагонов метрополитена. В настоящее время вагоны могут комплектоваться двигателями:

- ТАД 280М 4У2 производства АЭК «Динамо»;

- ДАТЭ-170 4У2 производства «ООО Электротяжмаш-Привод» г. Лысьва;

- ТАДВМ-280 4У2 производства ОАО «НИПТИЭМ» г. Владимир;

- ДАТМ-2У2 производства «ОАО Псковский электромашинострои-

тельный завод»;

- ДТА 170 У2 АО «Рижский электромашиностроительный завод»;

- ТА 280 4МУ2 производства «ОАО ELDIN» (Ярославский электро-машиностроительный завод).

Питание электродвигатели получают от преобразователей в составе КАТП-1 или КАТП-2 производства «ОАО Метровагонмаш».

Первые комплекты асинхронного привода на вагонах метрополитена были иностранного производства «HITACHI» и «ALSTOM».

1. Общие сведения о работе трехфазной асинхронной электрической машины и ее конструкции

Любая электрическая машина является обратимой, т.е. работает как в режиме двигателя, так и в режиме генератора.

В первом случае двигатель потребляет электроэнергию и преобразует ее в механическую работу, развивая при этом вращающий момент. Во втором случае генератор преобразует механическую энергию в электрическую. В этом режиме возникает тормозной момент.

На железнодорожном транспорте вращающий момент электродвигателя преобразуется в поступательное движение поезда за счет сцепления колеса с рельсом. При электрическом торможении кинетическая энергия движущегося электропоезда за счет сцепления колеса с рельсом преобразуется во вращение ротора генератора.

Электрическое торможение может быть рекуперативным, когда электроэнергия возвращается в контактную сеть или реостатным, когда выработанная электроэнергия гасится на реостате или тормозном резисторе.

1.1 Конструкция и принцип действия асинхронных электрических машин

В общем случае асинхронная машина имеет статор и ротор, разделённые воздушным зазором. Её активными частями (участвующими в создании вращающего и тормозного момента) являются обмотки и магнитопровод (сердечники статора и ротора); все остальные части -- конструктивные, обеспечивающие необходимую прочность, жёсткость, охлаждение, возможность вращения, закрепления и т. п.

Асинхронные электрические машины бывают двух видов:

с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. На вагонах метрополитена используются асинхронные электрические машины с короткозамкнутым ротором, поэтому устройство машин с фазным ротором рассматриваться не будет.

Принцип работы асинхронного двигателя, как и любой другой электрической машины, заключается во взаимодействии двух магнитных полей, созданных током в обмотках статора и обмотках ротора.

Обмотка статора, питаемая трехфазным переменным током, создает вращающееся магнитное поле, которое индуктирует ток в обмотке ротора. Возникает магнитное поле ротора. В результате взаимодействия двух магнитных полей в двигателе возникает вращающий момент, направленный в сторону вращения поля статора.

Асинхронная машина состоит из статора, ротора и двух подшипниковых щитов, объединяющих ротор и статор в единую конструкцию.

Рис.1. Сердечник статора.

Статор - неподвижная часть машины - состоит из станины, сердечника и трехфазной обмотки. Ротор - подвижная часть машины - состоит из вала, сердечника и короткозамкнутой обмотки. Обмотка ротора выполнена бесконтактной (она не имеет электрического соединения с внешней цепью). Это определяет высокую надежность двигателя. Подшипниковые щиты крепятся болтами и служат опорой подшипников вала ротора.

Асинхронная машина в отличие от машины постоянного тока не имеет явно выраженных полюсов. Такая магнитная система называется неявнополюсной, при этом проводники обмотки статора равномерно распределены по окружности статора.

Все элементы магнитной системы пронизываются переменным магнитным потоком, поэтому сердечники ротора (рис. 3) и статора (рис.1) выполняют из листов электротехнической стали, электрически изолированных один от другого. В результате этого уменьшается вредное действие вихревых токов, возникающих в стали сердечников. Сердечники статора и ротора имеют пазы, в которых располагают проводники соответствующих обмоток. Сердечник статора устанавливают в станину, а сердечник ротора на вал, который вращается в подшипниках.

Воздушный зазор между статором и ротором имеет минимальный размер, допускаемый с точки зрения точности сборки и механической жесткости конструкции. Малый зазор обеспечивает уменьшение магнитного сопротивления магнитной цепи машины, а следовательно, и уменьшение намагничивающего тока, требуемого для создания в двигателе магнитного потока. Снижение намагничивающего тока позволяет повысить коэффициент мощности двигателя.

Элементом обмотки статора является секция, расположенная двумя сторонами в пазах, находящихся друг от друга на расстоянии «шага по пазам». Секции укладывают таким образом, что в каждом пазу размещается или одна или две стороны -- одна над другой. В соответствии с этим различают одно- и двухслойные обмотки. Наибольшее распространение получили двухслойные. Их секции 1 (рис. 2) укладывают в пазы 2 статора в два слоя. При этом одна пазовая сторона секции укладывается в нижнем слое (ближе ко дну паза), а вторая - в верхнем. Перед укладкой обмотки стенки паза покрывают листовым изоляционным материалом. Проводники обмотки укрепляют в пазах текстолитовыми клиньями. В зависимости от используемого материала различают мягкие и жесткие секции. В первом случае используется провод круглого сечения, во втором - шины прямоугольного сучения.

Рис. 2. Укладка секций в пазы сердечника.

Секции объединяются в катушки, разбитые на три группы по числу фаз. В каждой группе катушки электрически соединяются, образуя одну фазу обмотки, т. е. отдельную электрическую цепь. При больших значениях фазного тока обмотки могут иметь несколько параллельных ветвей.

Провода, соединяющие секции, и части секций вне паза называют лобовыми частями. Так как лобовые части не принимают участия в индуцировании э. д. с, их выполняют как можно короче.

В асинхронных двигателях используются два способа соединения фаз обмоток между собой: «звездой» или «треугольником». Эти соединения могут выполняться как внутри машины, образуя глухое подсоединение, так и вне двигателя -- с помощью сменных перемычек на специальном щитке, установленном на корпусе машины.

В первом случае к выводному щитку подводится три вывода. Во втором - шесть выводов - начала и концы фазных обмоток.

Рис. 3. Схема соединений обмоток статора и получение двухполюсного и четырехполюсного магнитного поля

Обмотка, состоящая из трех катушек, создает магнитное поле с двумя полюсами, которое за один период трехфазного тока сделает один оборот. При частоте 50 Гц это будет соответствовать скорости вращения магнитного поля 50 об/сек, или 3000 об/мин. Обмотка, состоящая из шести катушек, (фазные обмотки разделены на две) создает четырехполюсное магнитное поле. Скорость его вращения частоте 50 Гц составляет 1500 об/мин.

Рис. 4. Ротор.

Обмотка ротора выполнена в виде «беличьей клетки» (рис. 4) из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами. Стержни обмотки вставляют в пазы ротора без какой-либо изоляции, так как напряжение в короткозамкнутой обмотке ротора равно нулю. При этом обеспечиваются хорошее использование площади паза и хорошая теплоотдача от стержней к активной стали.

В медных короткозамыкающих кольцах профрезеровываются прорези (рис. 4) в соответствии с размерами прямоугольных стержней. Стержни и кольца припаиваются друг к другу тугоплавкими припоями.

В двигателях мощностью до 100 кВт стержни «беличьей клетки» могут изготавливаться путем заливки расплавленного алюминия под давлением в пазы сердечника ротора. Вместе со стержнями отливают соединяющие их торцевые короткозамыкающие кольца.

На валу ротора располагают вентилятор, который осуществляет принудительную вентиляцию нагретых частей машины (обмоток и сердечников статора и ротора), позволяя получить от двигателя большую мощность. В роторах с литой обмоткой лопасти вентилятора отливают совместно с торцевыми кольцами.

1.2 Образование вращающего электромагнитного момента в асинхронной электрической машине

Рис. 5. Образование вращающего момента.

Трехфазный переменный ток, питающий обмотки статора в режиме электродвигателя, создает вращающееся магнитное поле (подробнее см. приложение), магнитные силовые линии которого пересекают проводники обмотки неподвижного ротора. На рис. 5 принято вращение магнитного поля по часовой стрелке. По закону электромагнитной индукции в проводниках ротора возникает электродвижущая сила, направление которой определяется правилом правой руки. В короткозамкнутой обмотке начинает протекать электрический ток. На рис. 5 в левом проводнике направление тока обозначено «х», что означает протекание тока «от наблюдателя» (за плоскость рисунка), в правом проводнике ток протекает в противоположную сторону (обозначено «точкой»). По правилу левой руки определяется направление действия сил на проводники (обозначены F на рис. 5). Под действием пары сил F возникает вращающий момент, направленный в сторону вращения поля статора и ротор начинает вращение. Таким образом, статорный ток вызывает или индуктирует ток ротора, поэтому очень часто асинхронные машины называют индукционными.

Скорость вращения магнитного потока, называется синхронной скоростью двигателя и определяется как

n₁=60f/p об/мин,

где: f - частота сети переменного трехфазного тока;

р - число пар полюсов.

Скорость вращения ротора n₂ всегда будет отставать от синхронной скорости двигателя. Разность скоростей называется скольжением S и выражается в относительных единицах или в процентах:

S = (n₁ - n₂)/ n₁

Скольжение - одна из важных величин, характеризующих работу асинхронного двигателя.

Во время пуска при неподвижном роторе скольжение максимальное, вращающееся магнитное поле пересекает обмотку ротора с большой скоростью и индуктирует в ней значительную ЭДС, которая вызывает значительный пусковой ток ротора. Соответственно, и в обмотке статора также возникает значительный пусковой ток. Вращающий момент, развиваемый двигателем, покрывает собственные механические потери и момент внешней нагрузки. С ростом скорости ротора скольжение и токи уменьшаются. С ростом внешней нагрузки скольжение растет, что вызывает увеличение токов и вращающего момента.

Для регулирования мощности с целью получения необходимой тяговой характеристики на вагонах метрополитена применяется регулятор частоты и питающего напряжения.

Для изменения направления вращения ротора необходимо изменить направление вращения магнитного поля, создаваемого обмотками. Для этого достаточно изменить чередование фаз трехфазного тока.

2. Устройство асинхронного тягового двигателя. Технические данные

Асинхронные двигатели для вагонов метрополитена, выпускаемые разными заводами-изготовителями, конструктивно аналогичны, т.к. созданы на основе двигателя ТАД 280М 4У2 производства АЭК «Динамо». Двигатели имеют принципиально одинаковое устройство: габариты, конструкционные размеры, обмоточные данные и др.

Рис. 6. Тяговые электродвигатели. Общий вид.

Устройство асинхронного тягового двигателя рассмотрим на примере двигателя ДТА 170 У2 производства АО «Рижский электромашиностроительный завод» (принципиальные отличия будут отмечены как примечание).

Трехфазные асинхронные тяговые двигатели ДТА 170 У2 предназначены для установки на вагонах метрополитена для приведения вагона в движение и создания тормозной силы при электрическом торможении. Двигатель является составной частью асинхронного тягового электропривода и рассчитан для питания от инвертора напряжения.

Двигатель ДТА 170 У2 - самовентилируемый четырехполюсный двигатель с короткозамкнутым ротором.

В обозначении двигателя: ДТА - двигатель тяговый асинхронный; 170 -мощность в кВт; У2 - климатическое исполнение и категория размещения.

2.1 Основные параметры двигателя

Мощность часового режима - 170 кВт

Номинальный режим работы - повторно-кратковременный S2-60 мин.

(с длительностью рабочего периода неизменной нагрузки 60 мин.)

Номинальное линейное напряжение - 530 В

Номинальная частота тока - 43 Гц

Максимальная частота тока- 120 Гц

Номинальный линейный ток - 237 А

Номинальная частота вращения - 1290 об/мин.

Максимальная частота вращения - 3600 об/мин.

Номинальное скольжение - не менее 1,5 %

КПД - 0,92

Перегрузочная способность (M_max/М_ном) - 3,5

Шаг по пазам обмотки статора 1-12

Масса двигателя - 765 кг.

Двигатель состоит из статора, ротора и двух подшипниковых щитов. Разрез двигателя представлен на рис. 7.

Рис. 7. Двигатель ДТА 170У2. 1 - Станина. 2 - Сердечник. 3 - Обмотка статора. 4 - Стержень обмотки ротора. 5 - Сердечник ротора. 6 - Сегментная шпонка. 7 - Закорачивающее кольцо. 8,9 - Подшипниковый щит. 10 - Вентиляторное колесо. 11 - Вентиляционное отверстие. 12 - Защитная сетка. 13,14 - Подшипник. 15,16 - Крышка подшипника. 17 - Клемная коробка. 18 - Болт сливного отверстия. 19 - Болт заземления. 20 - Корпус установки ДЧВ. 21 - Шестерня ДЧВ. 22 - Вал ротора. 23 - Заглушка. 24 - Устройство добавления смазки.

2.2 Статор

Статор - неподвижная часть двигателя - состоит из станины 1, сердечника 2 и обмотки 3.

2.2.1 Станина

Станина 1 статора имеет цилиндрическую форму и отлита из конструкционной стали. Крепление двигателя к тележке вагона осуществляется с помощью кронштейнов, отлитых заодно со станиной. Станина так же имеет приливы, предохраняющие двигатель от падения в случае нарушения целостности крепления. Перемещение двигателя при монтаже осуществляется за транспортировочные отверстия в кронштейнах. Со стороны выходного вала станина имеет вентиляционные отверстия, закрытые сетками 12. Торцевые части станины имеют расточку и резьбовые отверстия для установки переднего 8 и заднего 9 подшипниковых щитов.

Рис. 8. Установка сердечника в станине.

К боковой поверхности станины приваривается коробка выводов 17 с тремя отверстиями для подвода кабелей от преобразователя. Для заземления двигателя предусмотрен заземляющий болт 19, который расположен на боковой грани станины со стороны коробки выводов и обозначен табличкой с указанием знака заземления. На внутренней поверхности станины имеются

продольные ребра, образующие аксиальные вентиляционные каналы (рис. 8). Для спуска влаги, появляющейся в процессе эксплуатации двигателя, в станине имеются два сливных отверстия, заглушенные болтами 18. Каждый двигатель, выпускаемый изготовителем, имеет на корпусе табличку с основными техническими данными: тип, заводской номер, масса и дата изготовления двигателя.

Рис. 9. Фрагмент листа сердечника статора

2.2.2 Сердечник статора

Сердечник статора 2 (рис. 7) набран из штампованных изоли-рованных листов электротехни-ческой стали толщиной 0,5 мм и установлен через усиливающие листы в станину между буртом и сегментными шпонками 6, предохраняющими сердечник от осевого смещения. Фрагмент листа сердечника представлен на рис. 9. На внутренней поверхности собранного сердечника образуются углубления (пазы), в которые укладываются секции обмотки 3 (рис. 7).

2.2.3 Обмотка статора

Рис.10. Секция обмотки статора.

Обмотка статора двухслойная петлевая, выполнена из 60-ти ромбовидных жестких секций (рис.10). Каждая секция состоит из восьми витков прямоугольного медного эмалированного провода сечением 1,8 х 6,3 мм. Витки изолированы лентой, пропитанной лаком.

Общая изоляция секции выполнена слюдянитовой лентой. Секции уложены шагом 1-12.

Рис.11. Расположение проводников обмотки статора в пазу

Активные части обмотки закреплены в пазах стекло-текстолитовыми изоляционными клиньями. Расположение секций в пазу представлено на рис.11.

Схема обмотки статора представлена на рис. 12. Пунктирной линией показана пазовая часть секции в нижнем слое паза.

Обмотка статора состоит из трех фазных обмоток, которые образованы из четырех катушечных групп (по пять секций в каждой), включенных параллельно.

Соединения секций выполнено пайкой со стороны заднего подшипникового щита. Паяные соединения изолирова-ны. Фазные обмотки глухим соединением включены по схеме «звезда». Выводные концы обмотки крепятся в коробке 17.

Обозначение выводов - U,V, W.

Рис. 12. Схема статорной обмотки.

2.3 Ротор

Подвижная часть двигателя - ротор - состоит из вала 22, сердечника 5 с короткозамкнутой обмоткой и вентиляторного колеса 10.

2.3.1 Вал ротора

Вал ротора изготовлен из высокопрочной стали и имеет конический рабочий выходной конец для соединения с тяговой передачей. На валу имеются участки разных диаметров для размещения на них составных частей ротора. В средней части вала имеются выступ (бурт), кольцевая выточка под стопорное кольцо, а так же осевая канавка под шпонку.

2.3.2 Сердечник ротора

Рис. 13. Фрагмент листа сердечника ротора.

Между буртом и стопорным кольцом посредством шпонки закреплен сердечник 5, представляющий собой пакет штампованных изолированных пластин электротехнической стали толщиной 0,5 мм. В пластинах выштампованы пазы под обмотку, отверстия для установки на вал и вентиляции. Фрагмент пластины и конфигурация паза представлены на рис. 13. Жесткость пакету придают крайние пластины толщиной 5 мм. В собранном виде у поверхности сердечника образуются полузакрытые пазы, а в теле сердечника вентиляционные каналы.

2.3.3 Обмотка ротора

В пазы сердечника вставляются медные стержни 4 сечением 5,6 х 22 мм, выступающие концы которых замкнуты накоротко медными кольцами 7. При этом образуется короткозамкнутая обмотка, равномерно распределенная по окружности ротора. Электрическое соединение выполнено методом газовой сварки с медным присадочным материалом. Более поздняя технология предусматривает метод индукционной пайки стержней к кольцам ротора с серебряной присадкой. Такое соединение обеспечивает повышенное качество электрического соединения и надежности машины.

2.3.4 Вентилятор

Для обеспечения движения воздуха внутри двигателя на валу ротора установлено вентиляторное колесо 10.

Примечание. Обмотка ротора двигателя ТАДВМ-280 Владимирского завода выполнена методом литья из алюминия, при этом заодно с короткозамыкающими кольцами отлиты вентиляционные лопатки, обеспечивающие движение охлаждающего воздуха.

2.4 Подшипниковые щиты

Подшипниковые щиты - передний 8 и задний 9 - являются опорой подшипников ротора и представляют собой фасонные стальные отливки. Они вставляются расточку станины и закрепляются болтами, ввернутыми в торцевую часть станины.

В подшипниковых щитах установлены однорядные подшипники качения открытого исполнения с токоизолирующим покрытием на наружной обойме. Оно обеспечивает исключение электрической связи вала ротора со статором. Со стороны приводного конца вала установлен роликовый подшипник, с противоположной стороны - упорный шариковый, фиксирующий положение ротора и поглощающий осевое давление от редуктора.

Подшипники закрыты внутренними и наружными крышками 15 и 16. Лабиринтные уплотнения, которыми снабжены крышки, удерживают смазку и защищают подшипники, что обеспечивают увеличение срока службы смазки. В подшипниках применена смазка Литол-24. Конструкция подшипниковых узлов предусматривает возможность пополнения смазки через выведенные наружу трубки.

Задний подшипниковый щит имеет вентиляционные окна 11, которые закрыты крышками с металлическими сетками.

2.5 Вентиляция

По конструкции двигатель является самовентилируемым. Под действием вращающегося вентиляторного колеса наружный воздух поступает через отверстия в подшипниковом щите, обтекает лобовые части обмотки статора как со стороны соединений, так и со стороны привода, а так же сердечники статора и ротора и выбрасывается наружу через вентиляционные отверстия станины со стороны привода. Внутри машины охлаждающий воздух проходит тремя путями:

- по каналам, образованным сердечником статора и внутренними ребрами станины;

- через воздушный зазор между статором и ротором;

- по аксиальным каналам сердечника ротора.

Примечание: Движение охлаждающего воздуха в двигателе ТАДВМ-280 Владимирского завода обеспечивается лопатками на короткозамыкающих кольцах обмотки ротора.

2.6 Датчик частоты вращения ротора

Рис. 14. Датчик частоты вращения.

Для формирования управляющего воздействия на инвертор тягового тока, его блок управления (БУТП) получает информацию о частоте вращения роторов тяговых электродвигателей. Для этого на валу каждого двигателя установлено зубчатое колесо 21, закрепленное болтами в торец вала. В металлическом корпусе 20, прикрепленном к заднему подшипниковому щиту, с зазором 0,6 мм устанавливается датчик частоты вращения ДЧВ 25, подключенный к блоку управления тяговым приводом. При вращении зубчатого колеса в датчике вырабатываются импульсы с частотой, пропорциональной скорости вращения ротора.

3. Тяговый привод

Тяговым приводом вагона являются 4 тяговых электродвигателя, а также комплект электрооборудования для питания двигателей КАТП-1 и КАПТ-2 (комплект асинхронного тягового привода).

3.1 Контейнер тягового инвертора КТИ

Контейнер тягового инвертора предназначен для размещения оборудования и аппаратуры управления тяговым приводом и питания четырех асинхронных тяговых двигателей. Тяговый инвертор, оборудование которого размещается в контейнере, является преобразователем напряжения контактной сети в трехфазное напряжение, регулируемое по амплитуде и частоте. Контейнер содержит:

-линейный контактор ЛК;

-зарядный контактор ЗК;

-зарядный резистор R_З;

-датчики входного и обратного тока ДТ_ВХ и ДТ_ВЫХ;

-источник вторичного электропитания ИПК;

-панель промежуточных реле ПР;

-блок управления тяговым приводом БУТП;

-датчики тока и напряжения ДТ_W, ДТ_V, ДН1, ДН2 и ДН_С;

-модуль силового инвертора МСИ (транзисторы VT1-VT8);

-вентилятор охлаждения МСИ;

-блок питания вентиляторов БПВ;

-промежуточный дроссель L_П;

-выключатель быстродействующий БВ;

-разрядный резистор R_Р;

-варисторы R_OГР1 и R_OГР2;

-конденсатор сетевого фильтра С_Ф;

-конденсатор инвертора С_И.

Вне контейнера смонтированы дроссель сетевого фильтра L_Ф и тормозной резистор.

Принципиальная схема тягового инвертора приведена на рис. 15.

Рис. 15. Принципиальная схема тягового инвертора.

Контейнер представляет собой металлическую сварную конструкцию, разделенную на отсеки со смонтированным оборудованием. Управление оборудованием тягового инвертора производится посредством блока управления тяговым приводом.

Расположение отсеков и оборудования контейнера представлено на рис. 16.

Рис. 16. Контейнер тягового инвертора.

Отсек контакторов.

Содержит линейный контактор ЛК, зарядный контактор конденсатора сетевого фильтра ЗК, предохранитель блока питания вентиляторов ПП-29 номиналом 31,5 А.

Линейный контактор предназначен для подачи питания контактной сети на силовой инвертор и отключения его при возникновении неисправности, а также при электрическом реостатном торможении. Включением линейного контактора управляет блок управления тяговым приводом через промежуточное реле на панели реле.

По конструкции линейный контактор является однополюсным электромагнитным, оборудован дугогасительным устройством. Линейный контактор имеет вспомогательные низковольтные контакты, использующиеся для передачи в БУТП информации о состоянии главных (силовых) контактов.

Отключению линейного контактора предшествует снятие управляющих сигналов с транзисторов модуля силового инвертора (см. ниже), при этом контактор не разрывает цепь под нагрузкой. Однако при возникновении аварийного режима контактор способен разорвать ток перегрузки в силовой цепи.

Зарядный контактор предназначен для подключения к контактной сети конденсатора сетевого фильтра через резистор с целью ограничения тока заряда. В качестве зарядного используется электромагнитный контактор МК1-20М, имеющим дугогасительное устройство. Он также имеет вспомогательные низковольтные контакты, использующиеся для передачи в БУТП информации о состоянии главных контактов. Включением зарядного контактора управляет блок управления тяговым приводом через промежуточное реле на панели реле.

Размещенный в отсеке предохранитель блока питания вентиляторов предназначен для защиты цепей питания вентиляторов от коротких замыканий и перегрузок.

Отсек дифференциальной защиты.

В отсеке расположены датчик прямого линейного тока и датчик обратного тягового тока.

Датчик тока предназначен для формирования электрических сигналов, пропорциональных измеряемому току, для БУТП в качестве сигналов для формирования команд управления модулем силового инвертора и защиты тягового привода от перегрузок. Датчик имеет гальваническую развязку между первичной и вторичной цепями. Диапазон измеряемого тока до 2000 А. Сигнал о величине входного тока используется в БУТП для электронной защиты силового модуля от превышения потребляемого тока. Сигнал о величине обратного тока используется в БУТП для электронной дифференциальной защиты, которая контролирует прямой и обратный токи на наличие их разности для обнаружения замыкания на «землю» (утечки тока) внутри тягового оборудования.

Отсек вторичного электропитания.

В отсеке расположены источник вторичного электропитания оборудования контейнера ИПК и панель промежуточных реле ПР.

ИПК предназначен для организации питания устройств контейнера тягового инвертора и представляет собой четырехканальный источник питания. На выходе источник имеет напряжение 24 В и 15 В и обеспечивает питание БУТП, датчиков тока и напряжения, реле и др. устройств гальванически развязанными напряжением.

Панель реле предназначена для подачи питания на электрические цепи устройств контейнера через промежуточные реле. Промежуточные реле включают контакторы ЗК и ЛК по командам БУТП, формируют сигналы о направлении движения, основного или резервного управления для БУТП от БУВ или КРР.

Отсек блока управления тяговым приводом.

Блок управления тяговым приводом является специализированным микропроцессорным устройством и предназначен для управления оборудованием тягового привода.

обеспечивает следующие функции:

-управление контакторами ЛК и ЗК;

-управление силовым инвертором (МСИ) в режимах тяги и электрического торможения с учетом загрузки вагона;

-управление быстродействующим выключателем БВ;

-управление блоком питания вентиляторов БПВ;

-электронную защиту Примечание: электронной защитой является функция БУТП по принудительному отключению инвертора в аварийных режимах, выявленных по информации от датчиков, а в отдельных случаях и к отключению быстродействующего выключателя. силового оборудования в аварийных режимах;

-защиту от юза и боксования колесных пар.

Для реализации функций управления устройствами БУТП связан с оборудованием тягового привода электрическими цепями.

Для выполнения своих функций БУТП получает информацию или управляющее воздействие от:

- блока управления вагоном;

- цепей резервного управления;

- датчиков тока и напряжения;

- датчиков частоты вращения двигателей;

- плат управления силовыми IGBT- модулями (МСИ);

- быстродействующего выключателя;

- датчиков температуры радиатора МСИ;

- выходных каналов блока питания вентиляторов.

Выходное воздействие БУТП оказывает на:

- цепи управления контакторами ЛК и ЗК;

- управление силовым инвертором;

- цепи управления БВ;

- цепи передачи информации в БУВ;

- управление БПВ.

Кроме того, БУТП выполняет функции самоинициализации и самодиагностики, оборудован светодиодной панелью для индикации неисправностей и состояния оборудования тягового привода, а также имеет разъем для подключения переносного персонального компьютера.

Отсек датчиков тока и напряжения.

В отсеке смонтированы два датчика тока и два датчика напряжения.

Датчик тока аналогичен датчикам отсека дифференциальной защиты. Датчики тока измеряют токи в фазах А и В на выходе силового инвертора.

Датчик напряжения предназначен для формирования электрических сигналов, пропорциональных измеряемому напряжению, для БУТП в качестве сигналов для формирования управления модулем силового инвертора и защиты тягового привода от перегрузок. Датчик имеет гальваническую развязку между первичной и вторичной цепями. Измеряемое напряжение до 2000 В. Датчики напряжения используются в качестве датчиков линейного напряжения на выходе модуля силового инвертора.

Кроме того, отсек используется для подключения внешних кабелей питания тяговых двигателей через кабельные вводы.

Отсек модуля силового инвертора.

Силовая часть инвертора построена на IGBT-транзисторах модульной конструкции (Insulated Gate Bipolar Transistor - биполярный транзистор с изолированным затвором). Каждая фаза инвертора выполнена полумостовой схемой с параллельным включением модулей на общую нагрузку, что позволяет коммутировать выходные токи до 800 А.

Параллельно входу инвертора подключаются конденсатор, необходимый для подавления импульсов напряжения, которыми сопровождается коммутация IGBT-транзисторов.

Работой транзисторов силового инвертора управляет БУТП посредством плат управления транзисторными модулями.

Модули транзисторов смонтированы на радиаторе (охладителе), размещенном в вентиляционном канале и обдуваемом вентилятором инвертора. Радиатор оборудован датчиком температуры, который подключен к БУТП. При превышении температуры +85°С инвертор отключается.

Транзисторы VT1-VT6 (см. эл.схему на рис. 15) образуют трехфазный силовой инвертор питания тяговых двигателей. Транзистор VT7 работает в качестве регулятора тормозного тока при реостатном торможении (тормозного чоппера) и в качестве закорачивающей цепи при превышении напряжения в контактной сети значения 1050 В в режиме тяги. Транзистор VT8 используется в качестве обратного диода тормозного резистора.

В качестве вентилятора МСИ использован асинхронный электродвигатель (220В, 50Гц, 1,1 кВт), закрепленный фланцем выходного сопла к фланцу наружного воздуховода контейнера тягового инвертора. Выход воздуха осуществляется через отверстие в днище контейнера тягового инвертора.

Электродвигатель вентилятора получает питание от отдельного блока питания БПВ. При скорости движения вагона меньше 10 км/ч БПВ переводит вентилятор в работу на пониженной скорости вращения, что при стоянках обеспечивает снижение шума, создаваемого работой вентиляторов.

Кроме модуля силового инвертора МСИ в отсеке смонтирован конденсатор сетевого фильтра, который совместно с дросселем сетевого фильтра составляет LC-фильтр низких частот. Фильтр уменьшает колебания тока, создаваемые инвертором, чем снижаются помехи в контактной сети. Фильтр также защищает тяговое оборудование от бросков напряжения в контактной сети. Конденсатор сетевого фильтра (емкость 16000 мкФ, напряжение до 1300 В) состоит из двух соединенных параллельно конденсаторов.

Отсек блока питания вентиляторов.

Блок питания вентиляторов (БПВ) предназначен для питания асинхронных двигателей вентиляторов МСИ и тормозного резистора. БПВ имеет два независимых канала трехфазного напряжения 220 В.

Включение БПВ в работу осуществляет БУТП. При этом на выходе формируется напряжение с увеличивающейся частотой. БУТП обеспечивает работу вентиляторов в двух режимах: рабочий режим и экономичный режим, когда двигатель питается напряжением пониженной частоты. Экономичный режим включается при скорости движения менее 10 км/ч.

БПВ передает информацию о неисправностях по выходным каналам в БУТП. При выявлении неисправностей БУТП осуществляет повторный запуск БПВ в работу. При отказе БПВ, а также неисправностях вентиляторов работа тягового привода блокируется.

Отсек дросселя промежуточного фильтра.

В отсеке расположен дроссель промежуточного фильтра и датчик линейного напряжения.

Дроссель промежуточного фильтра совместно с конденсатором фильтра инвертора образуют LC-фильтр, предназначенный для подавления колебаний токов, возникающих между конденсатором сетевого фильтра и конденсатором фильтра инвертора. Колебания тока могут быть вызваны разрядом и зарядом конденсатора сетевого фильтра при проезде неперекрываемых токоразделов или отключением БВ.

Датчик напряжения предназначен для измерения напряжения на конденсаторе сетевого фильтра. Датчик аналогичен датчикам напряжения, установленным в отсеке датчиков тока и напряжения.

Отсек быстродействующего выключателя.

Быстродействующий выключатель БВ предназначен для защиты электрооборудования тягового привода от токов короткого замыкания и перегрузок. Ток отключения -1500 А.

БВ и БУТП имеют общие электрические цепи для передачи сигналов управления и сигналов о состоянии БВ.

Включение быстродействующего выключателя осуществляется БУТП с выдержкой времени 5 - 10 с после включения выключателя батареи.

При отключении быстродействующего выключателя БУТП автоматически с выдержкой производит повторное его включение. При повторном отключении работа БВ блокируется.

Выключатель представляет собой серийно выпускавшийся (МЭТЗ г. Мытищи) быстродействующий выключатель ВБ-630/1. В дальнейшем завод-изготовитель вагонов приступил к комплектации электропривода быстродействующими выключателями UR6-31 производства «Secheron» (ITC Electronics).

Центральный отсек.

В центральном отсеке расположены шины и силовые кабели высоковольтных узлов, а также варистор защиты от перенапряжений.

Разрядный резистор.

Разрядный резистор подключен параллельно конденсатору сетевого фильтра и обеспечивает разряд конденсатора сетевого фильтра с 750 В до 50 В за 4 мин. Сопротивление резистора 1100 Ом, рассеиваемая мощность 600 Вт. Разрядный резистор смонтирован под защитным кожухом на наружной стенке отсека БВ контейнера.

Зарядный резистор.

Зарядный резистор предназначен для ограничения тока заряда конденсатора сетевого фильтра.

Резистор состоит из четырех проволочных резисторов, включенных параллельно и смонтированных на стеклотекстолитовой панели, которая смонтирована снаружи отсека контакторов и защищена кожухом.

Мощность резистора 800 Вт, номинальное сопротивление 14 Ом.

Тормозной резистор.

Тормозной резистор предназначен для рассеивания электрической энергии вырабатываемой генераторами в режиме электрического реостатного торможения.

Конструкция тормозного резистора представляет собой набор малоиндуктивных резистивных элементов, помещенных в стальной корпус 4 (Рис. 17), оборудованный принудительной вентиляцией.

Рис. 17. Тормозной резистор: а) Вид с боку; б) Разрез по А-А; в) Секция; г) Вид Б.

Тормозной резистор состоит из трёх секций 5, соединённых последовательно. Каждая секция состоит из трёх соединённых параллельно элементов. Три элемента, составляющие секцию 5, монтируются на двух вертикальных боковых крышках 7. Между крышками установлены три пары горизонтальных стержней 16 (по два на каждый элемент), закрепленных с помощью гаек 17 и 18 (рис.17 в и г).

Через изоляционные трубки и керамические вставки 20 между стержнями расположены отрезки резистивной ленты 19, соединенные сваркой в единую последовательную цепь. Конструкция элемента тормозного резистора представлена на рис. 17 г.

Для соединения элементов между собой и внешними цепями к концам элементов приварены соединительные клеммы 8. Внутренние электрические соединения выполнены шинами 11, соединенными с выводными клеммами 12. Посредством четырех изоляторов 10 боковые крышки элементов резистора крепятся внутри корпуса к его боковым стенкам.

Двигатель вентилятора размещен в цилиндрическом кожухе 2 и закрепляется фланцем на корпусе резистора. Входное сопло 1 защищено решеткой. Выход воздуха осуществляется через выходное сопло 9 на противоположном конце корпуса резистора. Сопло защищено решёткой и направляет нагретый воздух вниз.

Рис. 18. Дроссель сетевого фильтра.

Корпус тормозного резистора крепится на раме вагона и заземляется медным шунтом посредством болта 3.

Внешние провода подключения тормозного резистора под-ведены через уплотнения на панели 13. Провода двигателя вентилятора 15 подключены в клеммной коробке 14.

Асинхронный двигатель вентилятора получает питание от БПВ.

Дроссель сетевого фильтра.

Совместно с конденсатором С_Ф дроссель (рис. 18) составляет LC-фильтр, предназначенный для снижения помех в контактной сети, создаваемых инвертором, а также защиты тягового оборудования от бросков напряжения. Катушка дросселя 1 выполнена из шинной меди, намотанной плашмя, и размещена на сердечнике 2.

Концы обмотки оборудованы клемными наконечниками 3 для подсоединения двойных кабелей 4. Сердечник броневого типа набран из штампованных листов электротехнической стали и стянут в магнитопровод уголками 5 и шпильками 6. Лобовые части катушки от механических повреждений защищены кожухом 7. Внешние кабели подсоединяются в клеммной коробке 8 через герметичные кабельные вводы 9. Рядом с клеммной коробкой расположен болт заземления 10. Крепление на раме вагона выполнено с помощью П-образных скоб 11 четырьмя болтами.

3.2 Работа тягового привода

Управление тяговым приводом. Работа тягового привода в режиме тяги. Управление тяговым приводом обеспечивает БУТП, управляющие сигналы на который в штатном режиме поступают от блока управления вагоном БУВ или по поездным проводам от резервного контроллера реверса КРР - в режиме резервного управления.

В штатном режиме от блока управления вагоном в БУТП поступают сигналы о выбранном направления движения, заданном режиме («Ход» или «Тормоз») и позиции контроллера машиниста.

В тяговом режиме предусмотрены четыре уставки «Ход1», «Ход2», «Ход3» и «Ход4», которые в процентном отношении составляют соответственно 40, 60, 75 и 100 % от максимального тягового усилия двигателей. В тормозном режиме предусмотрены уставки «Тормоз1», «Тормоз2» и «Тормоз3», которые в процентном отношении составляют соответственно 60, 75 и 100 % от максимальной тормозной силы генераторов. Каждая уставка автоматически корректируется в соответствии с загрузкой вагона.

Резервное управление тяговым приводом осуществляется независимо от команд управления БУВ и только в режиме тяги. Предусмотрены две уставки «Ход1» и «Ход2», которые в процентном отношении составляют соответственно 40 и 100% от максимального тягового усилия двигателей.

Работа тягового привода в режиме тяги.

При включении выключателя батареи напряжение бортовой сети подаётся в блок управления тяговым приводом, который проводит самодиагностику и инициализацию. При положительном результате БУТП включает быстродействующий выключатель и зарядный контактор.

При наличии напряжения в контактной сети и включенном положении главного разъединителя происходит заряд конденсатора сетевого фильтра через зарядный резистор. При напряжении на конденсаторе близком к напряжению сети БУТП включает линейный контактор и отключает зарядный контактор.

При поступлении команды на включение тягового режима БУТП формирует управляющее воздействие на МСИ, который обеспечивает питание электродвигателей с параметрами соответствующей уставки.

При проезде неперекрываемого токораздела по сигналу датчика тока (ток менее 30 А) БУТП снимает управляющие импульсы с транзисторов силового инвертора - происходит выключение тягового привода.

Если конденсатор сетевого фильтра разрядился до напряжения 530 В, то при появлении сетевого напряжения питание инвертора осуществляется через линейный контактор.

Если напряжение на конденсаторе станет меньше 530 В, то включается зарядный контактор, а линейный - отключается. Заряд конденсатора до напряжения сети произойдет через зарядный резистор. Силовой инвертор включится автоматически.

При установке контроллера машиниста в положение «Выбег» БУТП снимает управляющие импульсы с транзисторов силового инвертора - происходит выключение тягового привода. Линейный контактор остается включенным.

Если производится повторное подключение, то БУТП ограничивает темп нарастания напряжения на двигателях до значения соответствующего текущей скорости движения. Такой режим включения тягового режима обеспечивает плавное нарастание реализуемой мощности двигателей.

Работа привода в тормозном режиме. В тормозном режиме БУТП снижает частоту питающего напряжения, что вызывает перевод двигателей в генераторный режим, при котором в обмотках статора генераторов вырабатывается переменная ЭДС, частота и величина которой, пропорциональна скорости вращения ротора.

Процесс возбуждения генераторов возможен только при наличии напряжения в контактной сети. Инвертор, работая в режиме выпрямителя, преобразует переменный трехфазный ток в постоянный, который через включенный линейный контактор подается в контактную сеть. Таким образом осуществляется рекуперативное электродинамическое торможение, которое возможно только при наличии потребителя вырабатываемой электроэнергии. Если потребителя нет, т.е. контактная сеть энергию не принимает, то возможно только реостатное торможение. В этом случае БУТП отключает ЛК и управляет транзистором тормозного чоппера, который, будучи нагружен тормозным резистором, регулирует величину тока ивертора, а, следовательно, и величину тока генераторов (тормозную силу вагона).

По мере снижения скорости частота и амплитуда вырабатываемого генераторами тока снижаются, что приводит к снижению тормозной силы. На малых скоростях (около 5 км/час) наступает истощение электротормоза. При этом БУТП снимает сигналы управления с транзистора чоппера и транзисторов силового инвертора. Тяговый привод отключается, а электротормоз замещается фрикционным колодочным. Конденсатор сетевого фильтра заряжается через зарядный резистор до напряжения сети происходит отключение зарядного и последующее включение линейного контактора.

Особенности работы тягового привода в тормозном режиме:

1. Если включение тормозного режима совпадает с проследованием неперекрываемого токораздела, то электрическое торможение вагона не происходит до тех пор, пока на токоприёмниках вагона не появится высокое напряжение.

2. При отсутствии высокого напряжения в контактном рельсе электрическое торможение не возможно.

В этих случаях электротормоз будет замещен колодочным с уставкой, зависящей от положения контроллера машиниста.

3. Проезд токораздела не оказывает влияния на работу генераторов в режиме реостатного торможения.

4. Если в процессе электрического торможения снимается напряжение с контактного рельса, то возможно только реостатное торможение.

При установке контроллера машиниста в позицию «Выбег» БУТП производит снижение тока генераторов с последующим отключением тягового привода, после чего происходит заряд конденсатора фильтра до напряжения сети через зарядный контактор и последующее включение линейного контактора.

Защита силовых цепей тягового привода.

При возникновении аварийных режимов в силовых цепях привода возникают повышенные токи, приводящие к повреждению электрооборудования.

Аварийные режимы возникают при нарушении целостности изоляции и выходе из строя транзисторов силового инвертора, а также при нарушении нормальной работы инвертора из-за сбоев в работе БУТП или нарушении токосъема с контактного рельса.

От повышенных токов тяговый инвертор защищается главным предохранителем и быстродействующим выключателем, который в аварийных режимах разрывает цепь, а также отключается по командам БУТП, что является функцией электронной защиты. Для защиты от перенапряжений в цепях установлены варисторы R_OГР1 и R_OГР2 .

Электронная защита предотвращает развитие (рост) аварийных токов и напряжений в силовой цепи при отклонениях от нормальной работы на уровне, когда контролируемые параметры превосходят рабочие значения, не приводящие к выходу из строя силовых полупроводниковых приборов, но еще не достигшие уставок аппаратной защиты.

При срабатывании любой из защит БУТП выключает силовой инвертор тягового привода, снимая импульсы управления транзисторами МСИ.

Электронная защита производит блокирование работы МСИ в случаях:

- перегрузки по входному току;

- перенапряжений в контактной сети;

- перегрузки инвертора по выходному току;

- замыканий силовых цепей на землю (дифференциальная защита);

- перегрева инвертора и тормозного резистора;

- неисправности БВ.

При перенапряжении в контактной сети БУТП включает чоппер тормозного резистора, если рост напряжения не прекращается, то БУТП принудительно выключает ВБ.

Дифференциальная защита работает в режиме тяги и сопровождается выключением ВБ.

...