Проблемы эксплуатации и ремонта
тягового подвижного состава железнодорожного транспорта

Л.А. Астраханцев, Н.П. Асташков
Иркутский государственный университет путей сообщения

Анализ факторов,
воздействующих на устойчивостьасинхронных
вспомогательных машин электровоза переменного тока

  В разрабатываемой комплексной программе модернизации эксплуатируемого парка электровозов и создания тягового подвижного состава (ТПС) нового поколения наряду с задачами повышения тягово-энергетических, скоростных характеристик и экономичности локомотивов проблема устойчивой работы элементов подвижного состава занимает одно из центральных мест. Остаётся нерешенной задача повышения надежности вспомогательного оборудования электровозов переменного тока и снижения эксплуатационных расходов, связанных с их ремонтом и восстановлением, а также уменьшением затрат на неплановые ремонты и экономии энергетических ресурсов.

   В электроприводе вспомогательных машин применяются трехфазные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Режимы работы, долговечность и надёжность трехфазных электрических машин зависят от ряда факторов, к которым можно отнести:
   − качество электрической энергии на обмотках электрических машин, влияющее на их режимы работы, устойчивость, на долговечность и надёжность;
   − нагрузка электрических машин;
   − влияние условий окружающей среды;
   − качество и периодичность технического обслуживания машин, ремонта.

   Целесообразно учитывать специфические особенности условий эксплуатации асинхронных вспомогательных машин (АВМ) на электроподвижном составе. На участках эксплуатации Восточно-Сибирской железной дороги (ВСЖД) филиала ОАО «РЖД» температура окружающей среды при работе машины изменяется от -55 °С до +50 °С, перепады температуры в течение суток могут доходить до ±35 °С. Продолжительность работы машин при отрицательных температурах окружающей среды составляет до одиннадцати месяцев в году, поэтому порчи и неисправности электрооборудования электровозов ВСЖД в 1,6 раза превышают среднесетевые. При понижении температуры возрастают момент сопротивления механизмов и моменты трения приводных электродвигателей вследствие увеличения вязкости смазочных материалов. Наиболее сильно это влияние проявляется для мотор-компрессоров по той причине, что компрессоры, применяемые на электровозах, имеют большой момент сопротивления. Летом работа электрических машин затруднена из-за ухудшения условий охлаждения, пересыхания изоляции, сильной запыленности. Повышенная влажность воздуха, особенно во время дождя или снега, вызывает коррозию металлических частей и снижает качество изоляции [1].

   Формирование междуфазных напряжений в цепи трехфазного тока вспомогательных машин при питании от однофазной цепи электровозов отечественного производства выполняется расщепителями фаз различной конструкции, симметрирующими конденсаторами и ранее пущенными электродвигателями. В последнее время в системах преобразования числа фаз получили применение схемы включения конденсаторов на зажимах каждого электродвигателя, а также несимметричные и симметричные расщепители фаз [2].

   Параметры элементов системы преобразования числа фаз подобраны таким образом, чтобы в номинальном режиме работы вспомогательных машин коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности К_2U достигал минимального значения. В этом случае токи обратной последовательности и суммарные токи трехфазных асинхронных двигателей минимальны, поэтому электромагнитный момент, противодействующий вращающему моменту электродвигателя, имеет наименьшее значение, электродвигатель работает с пониженными потерями в обмотках и в стали ротора, статора, с допустимым нагревом активных частей.

   На степень симметрии междуфазных напряжений и токов влияет: отклонение однофазного напряжения на обмотке собственных нужд тягового трансформатора от номинального значения, количество работающих электродвигателей, величина момента сопротивления на валу электродвигателей, состояние симметрирующих устройств.

   При снижении величины однофазного напряжения от номинального значения напряжение прямой последовательности  U₁₍₁₎ монотонно уменьшается. Реактивная мощность симметрирующих конденсаторов снижается, так как ток конденсаторов уменьшается пропорционально питающему напряжению. Мощность расщепителей фаз возрастает с понижением питающего напряжения, но её величина недостаточна для компенсации несимметрии междуфазных напряжений, поэтому напряжения обратной последовательности увеличиваются. Снижение напряжений прямой последовательности и повышение напряжений обратной последовательности обуславливают увеличение коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности К_2U. Коэффициент несимметрии токов по обратной последовательности электродвигателей вспомогательных машин более интенсивно повышается с уменьшением однофазного напряжения. Токи обмоток статора и ротора электродвигателей увеличиваются не только из-за повышения скольжения ротора, вызванного уменьшением питающего напряжения, но и из-за уменьшения полного сопротивления обмоток электродвигателя, вызванного насыщением зубцов сердечника статора и ротора магнитными потоками рассеяния. Причём характер изменения полных сопротивлений фаз обмоток статора электродвигателей для прямой и обратной последовательностей токов существенно отличается по модулю и по аргументу.

   Напряжение прямой последовательности  U₁₍₁₎ монотонно возрастает с повышением однофазного напряжения относительно номинального значения. Рост намагничивающего тока электродвигателей вспомогательных машин не компенсируется возрастающим током симметрирующих конденсаторов, поэтому действующее значение напряжений обратной последовательности междуфазных напряжений увеличивается более интенсивно, нежели возрастает действующее значение прямой последовательности напряжений. Явления, возникающие в системе преобразования числа фаз и электродвигателей привода рабочих машин, обуславливают U-образную зависимость коэффициента обратной последовательности напряжений от отклонения однофазного напряжения.

   Токи обмоток статора и ротора электродвигателей увеличиваются из- за повышения частоты вращения ротора, возрастания момента сопротивления рабочих машин, а также из-за роста намагничивающего тока электродвигателей. Несмотря на увеличение токов прямой последовательности, наблюдается быстрый рост токов обратной последовательности электрических машин, поэтому коэффициент обратной последовательности токов в трехфазной цепи вспомогательных машин достигает глобального минимума при номинальном питающем напряжении.

   Таким образом, действующие токи, коэффициент несимметрии токов по обратной последовательности электродвигателей увеличиваются с отклонением действующего однофазного напряжения от номинального значения из-за несимметрии междуфазных напряжений, из-за изменения эквивалентных электрических сопротивлений обмоток электродвигателей токам прямой и обратной последовательности по модулю и фазе, из-за изменения скольжения ротора и момента сопротивления на валу. В существующих системах преобразования числа фаз при пониженном и повышенном однофазном напряжении коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности К_2U  может достигать 3,0…8,0 %, а коэффициент несимметрии фазных токов по обратной последовательности К₂₁ электродвигателей при этом составляет 50,0…60 % [3]. При номинальном однофазном напряжении на вторичных обмотках тяговых трансформаторов коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности не превышает 1 %, а коэффициент несимметрии токов по обратной последовательности при этом составляет 8,0…14 % [4].

   Большая, по продолжительности, часть работ выполняется электровозами при таких действующих напряжениях на токоприёмнике, при которых коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности в трехфазной цепи вспомогательных машин составляет 1,0…3,0 %, а коэффициент несимметрии токов по обратной последовательности достигает 19,0…24,0 % [4].

   Несинусоидальность кривой питающего напряжения при однофазном питании и наличии в цепях ВМ конденсаторов приводит к возникновению резонансных явлений и опасности повышенного нагревания обмоток. Резонанс высших гармоник не приводит к существенному возрастанию действующего значения тока ВМ, незначительно влияние высших гармоник на нагревание обмоток.

   Указанные особенности условий работы приводят к выбору трехфазных асинхронных электродвигателей повышенной номинальной мощности, что вызывает увеличение расхода электроэнергии системами собственных нужд.

Библиографический список