maketnyy_teplovoz

3 Макетний тепловоз ТЭ120

Тепловоз ТЭ120, потужністю 2942 кВт (4000 л. С.), створений з експериментальними цілями і призначений для визначення принципових властивостей електричної передачі з асинхронними тяговими електродвигунами і перетворювачами частоти випрямляючо - нверторного типу, а також для доведення і випробуваня електропередачі в умовах експлуатації з вантажними поїздами на залізницях СРСР. Успішні результати випробувань макетного тепловоза дали можливість приступити до проектування вантажного двосекційного тепловоза з тяговими асинхронними електродвигунами. Новий тепловоз в перспективі може замінити випускаються в даний час тепловози 2ТЭ116 і 2ТЭ121 з електропередачею змінно-постійного струму і дозволить задовольнити потребу експлуатаційників в потужних вантажних локомотивах з підвищеними тяговими властивостями.

Макетний тепловоз ТЭ120 створений на базі тепловоза ТЕ109 з урахуванням конструктивних змін, пов'язаних із застосуванням електропередачі змінного струму.

У процесі створення тепловоза з вказаною електропередачею був вирішений цілий ряд науково-технічних проблем, з яких найбільш істотними були: розробка та виготовлення придатної для тяги перетворювача частоти, тягових електричних машин, системи автоматичного регулювання, компоновка електрообладнання в обмеженому просторі кузова тепловоза. Остання обставина, у зв'язку з необхідністю розміщення в кузові тепловоза перетворювальної установки, зажадало від розробників пошуку нових технічних рішень, які б звели до мінімуму обсяг електромашинного устаткування, апаратури управління і регулювання. Тому на тепловозі ТЭ120 вперше в практиці вітчизняного тепловозобудування блоки системи регулювання об'єднані в комплектні пристрої автоматики, тяговий і допоміжний генератори виконані у вигляді однокорпусного агрегату, застосовані системи самозбудження допоміжного генератора і збудження тягового генератора від допоміжного, що дозволило відмовитися від окремих електромашинних збудників. У конструкції кузова і візка тепловоза, а також в енергетичному обладнанні використаний ряд вузлів, відпрацьованих на інших тепловозах з тяговими електродвигунами постійного струму.

Особливістю тепловоза є застосування моторно-колісних блоків з опорно-рамною підвіскою тягових асинхронних електродвигунів до валом на осі колісної пари. Менша маса електродвигунів (сумарна вага асинхронного тягового електродвигуна тепловоза ТЭ120 і живить його автономного інвертора

менше ваги тягового двигуна постійного струму тієї ж потужності) може дозволити збільшити секційну потужність тепловозів без істотного підвищення навантажень від осі на рейки.

Очікується, що застосування передачі змінного струму на тепловозах призведе до підвищення надійності і довговічності локомотива, знизить витрати на його ремонт і технічне обслуговування, а також дасть можливість вибрати оптимальні тягові й економічні режими роботи локомотива.

 

Структурна схема електропередачі тепловоза ТЭ120

Дизель приводить в обертання тяговий агрегат, що поєднує в одному корпусі два синхронних генератора: тяговий генератор СГ1

і допоміжний генератор СГ2. Допоміжний генератор призначений для живлення споживачів власних потреб тепловоза, а саме: асинхронних електродвигунів приводу вентиляторів холодильника (МВ1, МB2), вентиляторів тягових електродвигунів переднього і заднього візка, вентилятора перетворювальної установки (на схемі не показані), а також для живлення ланцюгів підзарядка контуру комутації автономних інверторів перетворювача частоти і живлення через тиристорні випрямлячі УВІ і УВ2 відповідно обмоток збудження генераторів СП і СГ2.

Тяговий генератор СП через перетворювач частоти, що складається з

випрямної установки В і шести шаф автономних інверторів напруги АІ1-АІ6, живить шість тягових асинхронних електродвигунів АДІ-АД6. Така схема живлення тягових асинхронних електродвигунів, при якій кожен асинхронний електродвигун підключений до індивідуального інвертору, дозволила в умовах поїзної роботи провести експериментальне дослідження і порівняти режими тягового електроприводу при роздільному та синхронному (при різних кутах зсуву автономних інверторів один щодо одного по куту

комутації) управління частотою живлення тягових АД. При роботі з неповним числом тягових електродвигунів непрацюючі блоки АІ-АД можуть бути відключені по ланцюгу живлення інверторів поїзними контакторами.

Тепловоз ТЭ120 обладнаний електричним гальмом. Гальмівні резистори підключаються в режимі гальмуванні до загальних шин ланки постійної напруги.

Регулювання швидкості і тягового зусилля тепловоза в режимі тяги виробляється зміною напруги на виході В шляхом завдання необхідного збудження тягового генератора СП і зміною частоти напруги на виході тягових інверторів. Застосування для автономних локомотивів інверторів з зовнішнім (амплітудним) регулюванням напруги значно спрощує силову схему електропередачі та знижує вимоги до перетворювача частоти в частині вузла комутації та системи управління, що зумовлює за інших рівних умов можливість виготовлення перетворювача частоти з мінімальними габаритами і масою, а також з більш високими показниками надійності.

Регулювання гальмівного зусилля здійснюється перекладом тягових АД у генераторний режим з гасінням енергії гальмування в загальному для всіх каналів АІ-АД блоці гальмівних резисторів. Тягові АД працюють при цьому в режимі самозбудження, а тяговий генератор працює в режимі стеження за напругою на гальмівному резисторі. У нормальних умовах гальмування генератора який відключений від ланки постійної напруги випрямної установкою, вентилі якого замкнені напругою між напругою на гальмівному резисторі і миттєвим значеннями лінійних напруг тягового генератора. Генератор СГ1 підключається випрямлячем до ланки постійної напруги тільки для початкового підзбуджувача при включенні електричного гальма в роботу і для забезпечення стійкості гальмування у разі будь-яких відхилень від нормального режиму.

Для захисту тягових інверторів в силову схему електропередачі введені спеціальні пристрої: тиристорний (ТКЗ) і механічний (МКЗ) короткозамикачі.

Тепловоз ТЭ120 виготовлено односекційним з двома кабінами керування. Кабіни машиніста відокремлені від дизельного приміщення шумоізольційними тамбурами. Силове та допоміжне обладнання тепловозу розміщене в кузові забезпечує вільний прохід по всьому локомотиву. На рис. показано розташування обладнання на тепловозі.

 

Силова установка розташована посередині кузова і складається з 16 циліндрового чотиритактного дизеля 5Д49 12 з газотурбінним наддувом і тягового агрегату 10. Дизель обладнаний об'єднаним всережимним регулятором відцентрового типа з власної масляною системою і низкою додаткових пристроїв для забезпечення електрогідравлічного дистанційного керування зміною частоти обертання колінчастого валу і навантаження дизеля. Управління частотою обертання колінчастого вала дизеля в діапазоні від 5,83 1 / с до 16,67 1 / с здійснюється ступінчасто по15 позицій контролером машиніста з пульта управління 1. Для пуску дизеля застосований стартер-генератор СТГ-7 постійного струму 11, встановлений на корпусі тягового агрегату. Після запуску дизеля напруга стартер-генератора підтримується постійна на всіх позиціях контролера за допомогою регулятора і використовується для підзарядки акумуляторної батареї і для живлення ланцюгів управління напругою постійного струму 110В ± 4%. Поруч з тяговим агрегатом розташовані тиристорні випрямлячі збудження УВ1 і УВ2 9. Перед тяговим агрегатом розташована випрямна установка 8 і шість шаф автономних інверторів напруги 6. Для монтажу і демонтажу обладнання тепловоза, дах кузова над дизель-генератором і шафами інверторів виконаний у вигляді знімних секцій, кожна з яких містить у собі канали та фільтруючі пристрої для очищення повітря.

Між переднім тамбуром і шафами інверторів є ніші, в яких розміщені поїзні контактори та апаратура керування 5, а також гальмівні контактори та механічний короткозамикач 4. Решта апаратура управління, в основному для допоміжних цілей, блоки пуску дизеля, компресора і т. д. розміщені в невеликих шафах, розташованих по проходу на стінках кузова в дизельному приміщенні і в задньому тамбурі. У передньому тамбурі розміщені тиристорного короткозамикач 2 і комплектний пристрій автоматики КУЛ-01М 3. У даху, яка прилягає до переднього тамбуру, розміщені блоки гальмівних резисторів 7. У холодильній камері встановлені гальмівної компресор 13 і відцентровий мотор-вентилятор 15 охолодження тягових електродвигунів заднього візка.

На тепловозі застосовані однакові по конструкції безщелепних візка з індивідуальними підвішуванням ресор та опорно-рамною підвіскою тягових електродвигунів 11; осьові редуктори розташовані по одну сторону візка.

2. Основне тягове електроустаткування

Тяговий агрегат. На тепловозі встановлений однокорпусіий агрегат типу А711, який об'єднує тяговий синхронний генератор потужністю 2600кВт і допоміжний генератор потужністю 400 кВт. Тяговий агрегат був створений на базі існуючих серійних генераторів ГС501А і ГС507. Особливостями агрегату є: застосування для ротора тягового генератора масивних кованих полюсів, винесений назовні за підшипниковий щит вузол струмознімання з контактними кільцями і підведення струму збудження до полюсів ротора тягового та допоміжного генераторів через порожнистий вал, система подачі охолоджуючого повітря на допоміжний генератор і т. д. Агрегат виконаний з одним підшипниковий щитом з боку контактних кілець. Застосування одного підшипника взамін трьох, необхідних при роздільному виконанні електричних машин, і зазначені конструктивні особливості дозволии виконати агрегат А711 масою 7200 кг проти 8520 кг сумарної маси окремих машин і зменшити загальну довжину приблизно на 550 мм. Все це спростило компоновку тягових електричних машин, об'єднаних в агрегат, в кузові тепловоза.

Виконання агрегату захищене, з примусовою вентиляцією. Охолоджуюче повітря подається одночасно в двох вхідних патрубках, розташованих з боку приводу. При цьому не потрібно збільшувати потужність на вентиляцію з потужністю, що витрачається на вентиляцію окремих генераторів. Сумарна витрата охолоджуючого повітря становить 5,2 м ³ / с. Викид охолоджуючого повітря здійснюється через вікно, розташоване в нижній частині підшипникового щита.

Агрегат встановлений і закріплений на піддизельній рамі тепловоза таким же чином, як і звичайний тяговий генератор. З'єднання ротора агрегату з колінчастим валом дизеля виконано за допомогою еластичної муфти.

Основні параметри тягового агрегату наступні:

Найменування	Тяговый генератор	Допоміжний генератор
Потужність, кВт	2600	256/400
Лінійна напруга, В	575/325*	400
Фазний струм, А	1380/2520	258/300
Частота обертання, 1/с	16.67	16,67
Частота, Гц	100	100
ККД	0,953/0,94	0,02/0,93
Коэфіціент потужності	-	0,710/0,8
Число фаз	2x3	2x3

Тяговий генератор агрегату А711 перетворює механічну енергію дизеля в електричну, яка через випрямляч і автономні інвертори передається на тяговий асинхронний електродвигун.

Допоміжний генератор агрегату задовольняє потребу енергосистеми тепловоза у власних потребах, живить власний ланцюг збудження і ланцюг збудження тягового генератора СГ1 через блоки керованих випрямлячів (тиристорні регулятори збудження). В експлуатації агрегат розвиває номінальну потужність при температурі від -50 до +40 ° С.

Основним несучим вузлом корпусу агрегату є статор тягового генератора. Статор допоміжного генератора розташований в порожнині проміжного щита; обмотка статора хвильова двох виткова обмотка статора тягового та допоміжного генератора виконана кожна у вигляді двох ізольованих трифазних зірок, зрушених в просторі на кут 30 електричних градусів.

  Ротор агрегату має загальний корпус сварнолитой конструкції, на якому кріпляться дві автономні системи полюсів. Ротор тягового генератора має масивні ковані полюса із сталі з високими магнітними і механічними властивостями. Обід ротора виконаний з масивної сталевої поковки із властивостями, подібними до полюсів. Полюсні котушки намотані в «ребро» з мідної стрічки. Ротор допоміжного генератора має шихтованний обід і полюса. Монтується на загальний корпус ротора агрегату; в полюсах є демпферна обмотка.

Реалізація таких високих електромагнітних навантажень стала можливою завдяки застосуванню примусової системи вентиляції. Ротор електродвигуна має короткозамкнену обмотку, виконану у вигляді алюмінієвої клітки, залитої під тиском.

Зіставлення тягових асинхронних електродвигунів вітчизняного і зарубіжного виробництва показує, що вони знаходяться приблизно на одному технічному рівні.

Перетворювач частоти. В електропередачі тепловоза ТЭ120 використаний випрямний-інверторний перетворювач частоти типу ПЧТЗ [4.5]. Як видно з рис. 4.1, до складу перетворювача частоти входить некерований випрямляч і шість автономних інверторів напруги. Випрямляч В виконаний на базі серійної випрямної установки УВКТ-5, автономні інвертори типу ШІ1-БУ2 спеціально розроблені для електропередачі макетного тепловоза.

Така схема перетворювача частоти із загальним некерованим випрямлячем і індивідуальними інверторами обрана з наступних причин. По-перше, застосування некерованого випрямляча дозволяє максимально уніфікувати силове електрообладнання тепловоза з електрообладнанням випускаються вітчизняною промисловістю для тепловозів з електропередачею змінно-постійного струму і застосувати найбільш прості і надійні інвертори напруги із зовнішнім амплітудним регулюванням напруги. Регулювання напруги на виході інверторів здійснюється по одному каналу зміною але заданою програмою струму збудження тягового синхронного генератора. Інвертори здійснюють функцію перетворення постійної напруги на виході випрямної установки в трифазну змінну напругу необхідної частоти для живлення тягових електродвигунів. По друге, роздільне виконання шаф інверторів прийнято з метою проведення експериментального зіставлення різних режимів управління частотою живлення тягових електродвигунів (загальне або роздільне) з подальшою оцінкою їх впливу на тягові і зчіпні властивості електропередачі змінного струму. Крім того, роздільне виконання шаф інверторів дало можливість відмовитися від паралельного з'єднання тиристорів, а також спростило доведення перетворювача частоти в процесі налагоджувальних випробувань тепловоза.

Основних технічні дані перетворювача частоти ПЧТЗ:

Встановлена потужність	5500 кВА
Потужність тривалого режиму	4500 кВА
Максимальне значення першої гармоніки вихідної лінійної напруги, афективне	960В
Струм на виході автономных інверторів, ефективне значення першої гармоніки в режимі: Пусковому Тривалому	6x550 А 6x450 А
Границі регулювання частоти першої гармоніки вихідної напруги	0,4-125 Гц
Швидкість охолоджуючого повітря	12 м/с
Маса шкафа: Випрямляча Інвертора	650 кг 850кг

Випрямна установка складається з двох послідовно включених трифазних мостів, кожен з яких живиться від окремої обмотки статора тягового синхронного генератора. Фазовий зсув між вхідними трифазними системами змінного струму на 30 ° ел. обумовлює знижений коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги. Послідовним включенням випрямних мостів по постійному струму підвищеної напруги і відповідно знижений струм, відносно високий рівень напруги на виході випрямної установки дозволив оптимізувати параметри тягового електродвигуна і тягового інвертора. Зниження фазного струму при заданої потужності тягового електродвигуна дозволило вибрати параметри вузла комутації інвертора з мінімально можливими масогабаритними показниками. У кожному плечі випрямної установки міститься 10 паралельних гілок, в кожній з яких послідовно включено по два лавинних вентиля типу ВЛ2-200 -8. Вентилі з радіаторами об'єднані блоки і розміщені в шафі двостороннього обслуговування таким чином, що утворюється загальний для всіх вентилів вентиляційний канал. Охолодження випрямляча повітряне, примусове. Автономні інвертори напруги виконані за трифазною мостовою схемою. Принципова схема інвертора наведена на рис. 4.8. Інвертор містить міст головних тиристорів V11-V16, міст зворотних діодів V31-V36, який забезпечує умови без розривною комутації струму навантаження, вхідний фільтр, пристрій примусової пофазно двоступеневої комутації.Перераховані ланцюга мають різне функціональне призначення, і тільки при їх спільній злагодженій роботі досягається стійке інвертування. Розглянемо ці ланцюги докладніше. Головні ланцюзі силового струму утворюють инвертирующий трифазний міст, який в тяговому режимі пропускає активну складову струму навантаження, а в гальмівному режимі - намагнічує складову фазного струму асинхронної машини, що працює генератором. Кожне плече інвертуючого моста являє собою вентильний блок, конструктивно об'єднаний в знімний модуль. Принципова схема одного плеча представлена ​​на рис. 4.9. Силова частина плеча інвертують або головних тиристорів складається з трьох включених послідовно таблеткових тиристорів V11-1 ... V11-3 тина ТБ-400-10 з часом вимикання 30 мкс. Головні тиристори зашунтовані захисними RCD-ланцюжками, призначеними для захисту тиристорів від надмірної швидкості наростання прямого напруги і для рівномірного розподілу напруги в квазіустановівшіхся і динамічних режимах роботи. До складу знімного модуля входить також блок вихідних каскадів ВКГ, що здійснює гальванічну розв'язку і узгодження параметрів ланцюгів керування головних тиристорів з вихідними підсилювачами - формувачами системи управління.

Режим роботи інвертора визначається алгоритмом керування головними тиристорами.

Інвертування здійснюється перемиканням головних тиристорів інвертора в заданій послідовності. Зміна порядку перемикання тиристорів на зворотний дозволяє без перемикань в силовій схемі отримати зворотне чергування фаз вихідної напруги і тим самим здійснити реверсування тягового асинхронного електродвигуна.

Міст зворотних діодів призначений для здійснення обміну реактивної енергією між фазами навантаження в тяговому режимі тепловоза і випрямлення трифазного напруги і передачі енергії в ланку постійної напруги в гальмівному режимі. У кожному плечі зворотного моста включено послідовно по два вентилі типу ВЛ2-200-12. Вузол комутації здійснює примусове вимикання головних тиристорів відповідно до заданий алгоритмом роботи інверторів. Вузол комутації містить міст комутуючих тиристорів V21 ... V26, комутуючі конденсатори комутуючі реактори і резистори R1 і R2, включені відповідно в катодну і анодний групи вентилів зворотного моста для посилення комутації та виключення накопичення енергії в контурі комутації. Міст комутуючих тиристорів підключений до ланки постійної напруги через розділові вентилі V41і V42.

Процес вимикання силового блоку головних тиристорів, наприклад плеча V11, відбувається наступним чином. Попередньо заряджений конденсатор, як показано на рис. 4.10. а. при включенні комутуючого тиристора V21 починає розряджатися але ланцюга; L, фази АД, V31, V41, V21, витісняє струм з V11 утворюючи контур комутації (для наочності вплив резистора R1 на процес комутації не розглядається). Процес перезаряду конденсатора носить коливальний характер і протікає в три етапи (див. рис. 4.10, б).

На першому етапі в інтервалі [t0; t1] відбувається наростання струму ik в контурі комутації до значення, рівного струму навантаження інк безпосередньо перед комутацією. На цьому інтервалі струм через тиристор V11 знижується до нуля.

На другому інтервалі [t1; t2] відкривається вентиль V31, яким протікає через різницю струмів комутації Ік і навантаження iнк. Потім струм комутації починає знижуватися.

На третьому інтервалі [t2; t3] струм комутації ik продовжує знижуватися. У зв'язку з тим що на розглянутому інтервалі часу струм контуру комутації стає менше струму навантаження, відбувається замикання вентиля V3I і включення вентиля V34. Напруга фази міняє знак, а до тиристору V11 в прямому напрямі прикладається напруга Ud.

Це призводить до зміни ланцюга, по якій протікає струм контуру комутації: V34, фази АД, V41, V21. У зв'язку зі зміною параметрів ланцюга протікання струму ik змінюється на інтервалі [t2; t3] і закон зміни комутаційного струму.

У процесі комутації відбувається перезаряд комутуючого конденсатора Ск і напруга на не змінює знак, а по величині воно досягає значення, дещо меншого Uско. Напруга на комутуючих конденсаторах при розрахункових навантаженнях практично незмінно і становить 1800 В у всьому діапазоні робочих частот.

В якості комутуючих використані конденсатори тина ГСТ-1-50. Комутуючих міст виконаний на тиристорах ТД2-200-15. У зв'язку з тим що напруга на комутуючих тиристорах в пускових режимах інвертора досягає величини, рівній сумі напруг двох джерел підзарядки, в кожне плече комутуючого моста включено по чотири тиристора. Для захисту комутуючих тиристорів від перенапруг і від високої швидкості наростання прямого напруги вони також зашунтовані RCD - ланцюжками, аналогічними тим, які включені паралельно головним тиристорам.

Ланцюги підзарядки комутуючих конденсаторів містять трифазний триобмотковий трансформатор, струмообмежуючі реактори і два випрямляча (на схемі рис. 4.8 не показані). Первинна обмотка транс-

форматора підключена до генератора власних потреб тепловоза, а дві вторинні обмотки через струмообмежуючі реактори підключені до двох випрямлячів, виходи яких є джерелами підзарядки,

позначеними U3 і U3 з і на рис. 4.8. Для виключення явища накопичення енергії в ланцюгах підзарядки струмообмежуючі реактори зашунтовані резисторами. Потужність, споживана пристроєм підзарядки від генератора власних потреб, не перевищує 5 кВт. Підзаряд комутуючих конденсаторів після відповідної комутації відбувається без застосування додаткових тиристорів. У цьому процесі беруть участь комутуючих тиристор, який здійснив комутацію, і головний тиристор, протифазний виключеному.

Фільтр, включений у ланці постійної напруги, призначений для зниження пульсацій напруги на вході інвертора, дізнався накопиченням енергії в індуктивностях джерела, харчування і навантаження на інтервалах між комутаціями головних тиристорів. Процес коливань напруги в ланці постійної напруги починається з моменту комутації струму в інверторі і повторюється 6 разів за реріод частоти основної гармоніки вихідної напруги. В якості фільтра на вході кожного інвертора тепловоза включена батарея конденсаторів, що складається з чотирьох конденсаторів типів ФСТ-2, 1-160. У зв'язку з тим що конденсатори фільтру, безпосередньо підключені до інвертує мосту, можуть з'явитися причиною високих рівнів наростання прямого напруги на замикаються головних тиристорах і надмірної швидкості наростання прямого струму в тиристорах інвертора при аварійних ситуаціях, викликаних, наприклад, порушенням комутації, послідовно з конденсаторами фільтра включений реактор Lф.

Система управління інвертором призначена для перетворення вхідного сигналу від зовнішнього регулятора в багатофазних (по числу плечей

головних і комутуючих тиристорів) систему імпульсів, необхідної частоти і тривалості, що забезпечують гарантоване включення тиристорів інвертора відповідно до заданим алгоритмом управління. Система управління тягового інвертора тепловоза ТЭ120 забезпечує: діапазон зміни вихідної частоти (0,4 ÷ 120) Гц; одночасну подачу імпульсів управління на головні тиристори й зняття імпульсів управління з комутуючих тиристорів при надходженні сигналу про коротке замикання; зміна прямого чергування фаз трифазного вхідної напруги інвертора на зворотне без перемикань і силовій схемі.

 

Структурна схема системи управління інвертора наведена на рис. 4.11. Система управління містить вбудовані блоки живлення, вхідний керований мультивібратор, власне логічну частину системи управління (забезпечує формування, розподіл по вихідних каналах і посилення по потужності вихідний системи імпульсів управління тиристорів)