Выбор схемы питания управляемых преобразователей возбуждения тяговых электродвигателей электровозов однофазно-постоянного тока

Целью исследований являлась разработка эффективного схемотехнического решения и алгоритмов автоматического управления электровозами однофазно-постоянного (переменного) тока по законам постоянства силы тяги и постоянства мощности без переключения электрическими аппаратами силовых электрических цепей. Для решения обозначенной задачи использовались методы математического моделирования электромагнитных, электромеханических и механических процессов в среде MatLab, Simulink, SimPowerSystems. При этом учитывались нелинейности кривой намагничивания, а также выполнялся раздельный учет влияния вихревых токов от обмоток главных и добавочных полюсов тяговых электродвигателей. При моделировании применялся структурный и параметрический синтез силовой электрической схемы и алгоритмов управления с применением управляемых мостовых IGBT-преобразователей. Объектом исследования являлся электротехнический комплекс – трехсекционный электровоз типа 3ЭС5К «Ермак» мощностью 9840 кВт. По результатам проведенных исследований, в качестве технического решения предложено на исследуемом электровозе применить силовую электрическую схему с двумя выпрямительно-инверторными преобразователями на каждую из трех секций. Данные преобразователи обеспечивают питание четырех тяговых электродвигателей мощностью 820 кВт и схему группового питания управляемых мостовых IGBT-преобразователей, шунтирующих обмотки возбуждения для поосного управления силой тяги. Таким образом, выполненные расчеты подтвердили возможность реализации схемы индивидуального управления токами тяговых электрических двигателей и токами возбуждения, обеспечивая плавное нарастание силы тяги электровоза. Разработанный алгоритм поосного управления силой тяги обеспечивает плавное увеличение этой силы и создает лучшие условия для сцепления колес электровоза с рельсами. Данные решения могут быть использованы при изготовлении новых и модернизации эксплуатируемых электровозов.

1. Spiryagin M., Wolfs P., Cole C., Spiryagin V., Sun Yan Quan, McSweeney T. Design and simulation of heavy haul locomotives and trains // Engineering & Technology. Boca Raton: CRC Press, 2016. 477 р. https://doi.org/10.1201/9781315369792. EDN: YBLZZJ.

2. Stolchnev A. World’s most powerful electric locomotive Shen24 by CRRC for coal cargo service in China24 // TMH [Электронный ресурс]. URL: https://rollingstockworld.com/locomotives/worlds-most-powerful-electric-locomotive-shen24-by-crrcfor-coal-cargo-service-in-china (28.06.2023).

3. Fornander P. Refurbishment of class 11E locomotives for Spoornet // Proceedings of the International Heavy Haul Association Specialist Technical Session: High Tech in Heavy Haul (Kiruna, 11–13 June 2007). Kiruna: Sweden, 2007. Р. 203–212.

4. Ishrat T., Ledwich G., Vilathgamuwa M., Borghesani P. Wheel slip control based on traction force estimation of electric locomotives // Australasian Universities Power Engineering Conference. 2016. https://doi.org/10.1109/AUPEC.2016.7749331.

5. Михальчук Н.Л., Курилкин Д.Н., Урушев С.В., Макарова Е.И. Энергетическая эффективность полупроводниковых преобразователей локомотивов // Электротехника. 2018. № 10. С. 15–20. https://doi.org/10.3103/S1068371218100073. EDN: YAMGNV.

6. Михальчук Н.Л., Савоськин А.Н., Чучин А.А. Электромагнитные процессы в силовой схеме электровоза с управляемым преобразователем возбуждения // Электротехника. 2022. № 9. С. 34–42. https://doi.org/10.53891/00135860_2022_9_34. EDN: DZQWTP.

7. Головатый А.Т., Исаев И.П., Горчаков Е.В. Независимое возбуждение тяговых двигателей электровозов. М.: Транспорт, 1976. 152 с.

8. Михальчук Н.Л., Назаров Н.С., Капустин М.Ю. Система автоматического управления тяговым приводом с адаптивным возбуждением электродвигателей // Наука и техника транспорта. 2017. № 1. С. 14–20. EDN: YHWPIN.

9. Tornerud G. Austrian railways place Swedish thyristor locomotives in service // Rail Engineering International. 1972. Iss. 5. Р. 84.

10. Задорожный В.Л. Особенности электровозов серии «Ермак» с поосным регулированием силы тяги // Локомотив. 2019. № 10. С. 11–16. EDN: MZSKFP.

11. Бенькович Н.И., Михальчук Н.Л., Ролле И.А., Агунов А.В., Марикин А.Н. Прямое цифровое управление токами асинхронных тяговых электродвигателей // Электроника и электрообрудование транспорта. 2019. № 6. С. 43−47. EDN: HXWEWA.

12. Михальчук Н.Л., Пудовиков О.Е., Савоськин А.Н., Чучин А.А. Электровоз с плавным управлением в режимах независимого и последовательного возбуждения тяговых электродвигателей // Железнодорожный транспорт. 2022. № 9. С. 35–39. EDN: CQGNZV.

13. Tian Ye, Liu Sheng, Daniel W.J.T., Meehan P.A. Investigation of the impact of locomotive creep control on wear under changing contact conditions // Vehicle System Dynamics. 2015. Vol. 53. Iss. 5. Р. 692–709. https://doi.org/10.1080/00423114.2015.1020815.

14. Liu Sheng, Tian Ye, Daniel W.J.T. (Bill), Meehan P.A. Modelling of track wear damage due to changes in friction conditions: a comparison between AC and DC electric drive locomotives // Wear. 2016. Vol. 366–367. P. 338–345. https://doi.org/10.1016/j.wear.2016.05.023.

15. Михальчук Н.Л., Попов Ю.И., Савоськин А.Н., Пудовиков О.Е., Чучин А.А. Повышение эффективности электропривода электровоза с управляемыми преобразователями возбуждения тяговых двигателей // Бюллетень результатов научных исследований. 2023. № 2. С. 104–114. https://doi.org/10.20295/2223-9987-2023-2-104-114. EDN: DTQYEO.

16. Михальчук Н.Л., Савоськин А.Н., Чучин А.А. Силовая схема электровоза переменного тока с применением управляемого транзисторного преобразователя возбуждения // Электроника и электрооборудование транспорта. 2022. № 3. С. 18–22. EDN: SOUMML.

17. Пат. № 2788223, Российская Федерация, C1 B60L 9/02, B60L 9/12, H02P 7/28. Электрический привод электровоза / Ю.И. Попов, Н.Л. Михальчук, А.Н. Савоськин, О.Е. Пудовиков, А.А. Чучин; заявитель ОАО «Российские железные дороги». Заявл. 22.09.2022; опубл. 17.01.2023. Бюл. № 2. EDN: TSIIOX.

18. Пат. № 2787135, Российская Федерация, C1 G05F 1/10. Способ автоматического управления током тяговых электродвигателей подвижного состава / Ю.И. Попов, Н.Л. Михальчук, А.Н. Савоськин, О.Е. Пудовиков; заявитель ОАО «Российские железные дороги». Заявл. 29.03.2022; опубл. 29.12.2022. Бюл. № 1. EDN: RHJIUY.

19. Михальчук Н.Л., Пудовиков О.Е., Савоськин А.Н., Чучин А.А. Принципы управления электровозом однофазногопостоянного тока с управляемыми преобразователями возбуждения // Электротехника. 2023. № 9. С. 6–13. EDN: FIJGZR.

20. Евсеев В.Ю., Савоськин А.Н. Математическая модель коллекторного тягового двигателя с раздельным учетом вихревых токов главных и добавочных полюсов // Электротехника. 2020. № 9. С. 32–38. EDN: QCLNPM.

21. Савоськин А.Н., Кулинич Ю.М., Алексеев А.С. Математическое моделирование электромагнитных процессов в динамической системе «контактная сеть - электровоз» // Электричество. 2002. № 2. С. 29‒35. EDN: MPLOHF.