Универсальная тяговая электромеханическая трансмиссия дизель-электротранспорта с использованием сетевого питания на магистральных трассах

Статья призывает транспортных специалистов вернуться к отвергнутой ранее электромеханической трансмиссии на базе дифференциального редуктора, двух электромашин и статического преобразователя частоты. Данный подход представляется вновь целесообразным, особенно на новом витке развития силовой полупроводниковой электроники, и в том числе — в связи с предлагаемыми авторами нетрадиционными схемотехническими решениями в построении статических преобразователей.

На дизельнотранспортных средствах наиболее часто используется механическая трансмиссия на базе регулируемой коробки передач или гидромеханического привода, которые считаются наиболее уязвимыми по надежности звеньями. Одним из эффективных способов повышения экологичности указанного транспорта и снижения расходов на топливо является совмещение на борту дизельных двигателей, работающих на периферийных трассах, с тяговыми электродвигателями, получающими на магистральных трассах питание через скользящие токоприемники от сетевых железнодорожных, трамвайных или троллейбусных проводов.

На рис. 1 в качестве наиболее характерного примера такого совмещения приведена тяговая схема универсального дизель-электровоза с электромеханической трансмиссией на базе регулируемой коробки передач (РКП), двух электромашин постоянного тока (М_1,2) и силового реостатного контроллера с питанием от железнодорожной сети постоянного тока (±3^±1 кВ). Схема способна помимо режимов дизельной или электромашинной тяги обеспечить режимы резистивного или резистивно-рекуперативного торможения. Основным ее недостатком в аспекте надежности является наличие ступенчато регулируемой коробки передач или плавно регулируемого гидромеханического привода. В последние годы вместо электромашин постоянного тока и силового реостатного контроллера используются асинхронные двигатели с тяговым статическим преобразователем. Более рациональными считаются приводы, в которых преобразованию подвергается только доля энергии силовой установки, а большая ее часть в номинальном режиме передается непосредственно на рабочий выходной вал. Для этой цели в состав привода входит дифференциальный редуктор, разделяющий или суммирующий частоты вращения при сохранении приведенного вращающего момента.

В дифференциальных гидромеханических системах, получивших широкое применение, особенно в авиации, рабочий выходной вал в основном приводится во вращение при помощи механической передачи, а гидравлическая передача (гидронасос-гидромотор) только поддерживает его скорость постоянной или регулирует ее. Применение такой системы по сравнению с чисто гидравлической передачей, преобразующей всю энергию, позволяет повысить общий КПД системы приблизительно на 17–18% [1].

Дальнейшее повышение КПД и сокращение эксплуатационных затрат на гидропривод могут быть достигнуты путем сочетания дифференциального редуктора с электромеханической передачей на базе двух электромашин (система генератор-двигатель) [2–5]. В случае создания универсальной тяговой электромеханической трансмиссии дизель-электротранспорта с возможным сетевым питанием на магистральных трассах такая структура представляется наиболее рациональной ввиду многофункционального использования обеих электромашин:

1. Для регулирования скорости рабочего выходного вала при дизельной тяге.
2. Для обеспечения тяги при питании от сети.
3. Для резистивного или рекуперативного торможения.
4. Для электрозапуска двигателя от аккумуляторной батареи.

На рис. 2 приведена альтернативная тяговая схема секции универсального дизель-электропоезда с электромеханической трансмиссией на базе дифференциального редуктора (ДР), совмещающая принцип, изложенный в [1–3], со схемой питания синхронных машин (СМ_1,2) от высоковольтной сети через тяговый статический преобразователь (ТСП).

Схема работает следующим образом. Для простоты изложения примем условия: для первого редуктора (Р1): ω_Д = ω_вх.Др = ω_СМ2 и М_Д + ΔМ = М_вх.Др = М, а для дифференциального редуктора (ДР): ω_Д = ω + Δω и М_вх = М_вых = М_СМ1 = М. Запуск дизельного двигателя (ДД) производится с помощью стартерного режима второй синхронной машины (СМ₂) с передачей вращающего момента М_ст через первый редуктор (Р₁) и муфту сцепления (МС). При этом первая синхронная машина (СМ₁) работает либо в режиме холостого хода, либо в качестве вспомогательного стартера. Выходной вал дифференциального редуктора (ДР) и во втором случае заторможен, так как стартерный момент СМ₁ (М_ст) меньше приведенного к ДР момента сопротивления М_сопр колесных пар (М_ст < М_сопр); иначе для ускоренного запуска дизельного двигателя (ДД) понадобится дополнительное стопорное устройство или использование в стартерном режиме колодочных колесных тормозов. Питание синхронных машин в стартерном режиме осуществляется от аккумуляторной батареи (АБ) через тяговый статический преобразователь (ТСП).

Режим тяги при начале движения и последующем разгоне транспорта осуществляется с помощью дизельного двигателя. При этом роль машин СМ₁ и СМ₂, а также преобразователя ТСП сводится к регулированию, в частности, к стабилизации вращающих моментов на валах ДР (М Ξ const). Это достигается регулированием «квазиреактивной» мощности, циркулирующей по замкнутому контуру: СМ₂-ТСП-СМ₁-ДР-Р₁-СМ₂ (в указанном или обратном направлении). Одна из электромашин работает при этом в генераторном режиме, а другая — в двигательном. Регулирование вращающего момента на валу СМ₁, а следовательно, и всех моментов на валах ДР, осуществляется путем регулирования рабочих углов σ машин СМ_1,2 при формировании синусоидальных напряжений на выходах ТСП.

В режиме торможения обе машины переводятся в режим генерирования, а кинетическая энергия транспорта рассеивается в тормозном резисторе (R_т) и частично (до 20%) — через компрессионные потери ДД. При этом часть энергии можно накапливать в маховых массах вала ДД (в «кинетическом накопителе»).

При питании от сети постоянного тока через токоприемник ТП и устройство заземления УЗ муфта сцепления (МС) и ДД выключаются, а разгон и торможение транспорта осуществляется с помощью обеих электромашин (СМ_1,2), работающих в режиме двигателей и генераторов соответственно. При этом реализуется и режим рекуперативного торможения в широком скоростном диапазоне.

Возвращение к приведенной, известной в принципе кинематической схеме и функциональной структуре становится рациональным на новом витке развития элементной базы силовой полупроводниковой электротехники, с использованием высоковольтных, сильноточных, относительно высокочастотных IGBT-транзисторов и IGCT-тиристоров. Их появление и широкое использование позволяет находить и принципиально новые схемотехнические решения в построении статических преобразователей [6, 7].

На рис. 3 приведена предложенная и запатентованная авторами структурная схема тягового статического преобразователя на базе активного делителя напряжения (АДН) и четырех инверторов синусоидального напряжения (ИСН) [6, 7]. Самовыравнивание напряжений на конденсаторных звеньях С₁ и С₂, а также С₃ и С₄ осуществляется попарно благодаря трансформаторной связи выходов ИСН₁ и ИСН₂, а также ИСН₃ и ИСН₄ с помощью якорных обмоток синхронных машин СМ₁ и СМ₂ соответственно. Напряжения на средних звеньях С₂ и С₃ выравниваются с помощью активного делителя напряжения (АДН), схема которого приведена на рис. 4. В этой схеме попарное выравнивание напряжений на соседних звеньях емкостного делителя производится с помощью обратимых инвертирующих ШИМ-регуляторов на базе IGBT-транзисторов. Эти же регуляторы выполняют функцию передачи энергии от одной синхронной машины к другой (рис. 2).

На рис. 5 приведена схема обратимого трехфазного инвертора синусоидального напряжения, реализующая с помощью тех же инвертирующих ШИМ-регуляторов принцип «плавающих потенциалов» в емкостном делителе напряжения. Подробно схема и ее работа описаны в [8]. Она позволяет реализовать обратимую взаимосвязь каналов питания постоянного и переменного тока с высокой массо-энергетической эффективностью (без дополнительных фильтров) и высоким качеством электроэнергии. При этом обеспечивается регулирование фазы, частоты и амплитуды синусоидального напряжения.

На начальной стадии проектирования вышеописанной трансмиссионной системы (рис. 2) одним из существенных вопросов является выбор рабочей точки для средней частоты вращения выходного вала дифференциального редуктора. Предлагается упрощенная методика такого выбора. Для этого обратимся к упрощенной расчетной структуре трансмиссии (рис. 6). Примем, как и ранее, что моменты на всех валах ДР равны между собой. В этом случае ДР описывается уравнениями:

Примем следующие обозначения: i₁ = Δω