Parovoz.COM

Данная тема открыта для обсуждения вопросов, связанных с особенностями различных видов современных тяговых электроприводов. Каждый вид тягового электропривода имеет свои специфические "сильные" и "слабые" стороны и рабочие характеристики, которые определяют, для какого вида подвижного состава данный вид тягового электропривода подходит более всего.

Под тяговым электроприводом мы будем понимать полный комплекс в составе: тяговый преобразователь - тяговый двигатель - тяговая передача. Рассмотрение и сранение этих компонентов раздельно практически не имеет смысла.

В первую очередь на обсуждение "вбрасываются" следующие известные виды бесколлекторного тягового электропривода:
- вентильный (или синхронный с электрическим возбуждением);
- асинхронный;
- индукторный (не путать с английским "induction motor", что переводится, как "асинхронный двигатель");
- синхронный с постоянными магнитами.

Если есть еще какие-то идеи - тоже "милости просим".

Заранее прошу всех участников иметь в виду одно очень важное обстоятельство.
Не сравнивайте, пожалуйста, по характеристикам сами двигатели между собой.
Естественные характеристики различных видов двигателей при питании от стационарных сетей не имеют ничего общего с характеристиками тяговых электроприводов. В бесколлекторных тяговых электроприводах двигатели всегда имеют только частотное регулирование, которое формирует их "особые" характеристики. И обеспечивают это частотное регулирование тяговые преобразователи различных систем. Поэтому рассуждения о самих двигателях без учета работы преобразователей может привести к серьезным ошибкам в понимании сути вещей.

Друзья!
Мне кажется разумным сначала кратко остановиться на истории развития различных видов бесколлекторного тягового электропривода в России и за рубежом.
Прошу в первую очередь поделиться интересной исторической информацией.
А чуть позже мы перейдем к техническим деталям.

Тогда надо начинать с 20-х годов, Костенко, электромашинного преобразователя и проекта тепловоза с АТД, который собирались строить в это время в Харькове.


Асинхронные плавноуправляемые двухдвигательные установки с поворотным статором одного двигателя.

Ну чтож, давайте приступим. Начну, пожалуй, с небольшого кирпичика в огород бесколлекторного привода. Вот он: http://zeldortrans-jornal.ru/publik/tec ... -06-02.htm. Не со всем в этой статье я, лично, безоговорочно согласен, но призадуматься есть над чем

Собственно, никакого кирпичика здесь нет.
Предлагается оптимизация характеристик ТЭД за счет увеличения зазора ради улучшения коммутации, автор полагает, что существующий ТЭД оптимизирован исходя из уменьшения пускового тока и потерь в реостатах. Идея вообще-то требует экспериментальной проверки. (Что касается аналогий автора между "форсажом" ТЭД и форсажом ДВС - это вообще не имеет смысла.)

Сразу же отметим, что данная оптимизация может иметь смысл только при электротяге постоянного тока, где при разгоне ток ограничивается реостатами. В электропередачах теплотяги ток ограничивается возбуждением генератора, в электровозах переменного тока регулирование тока в основном осуществляется за счет регулирования напряжения переключением обмоток трансформатора и импульсным регулированием.

В электротяге на постоянном токе использовать возможности увеличения тока ТЭД за счет увеличения зазора однозначно оправдано только на МВПС, прежде всего МВПС ГЭТ, где наибольшие токи реализуются при кратковременном режиме разгона состава. Что касается автономной электротяги в грузовом движении, то куда мы денемся от ограничений тока по нагреву обмоток ТЭД в часовом режиме? Что касается предложения автора использовать ТЭД с увеличенным запасом по коммутации для электровозов скоростного движения, то опять-таки надо сначала рассмотреть режимы движения на данном участке, а также целесообразность увеличения расхода электроэнергии на собственные нужды для увеличения охлаждения ТЭД в режимах работы с повышенными токами. В любом случае вопрос о применении на электровозах ТЭД, оптимизированных под непродолжительное превышение тока при разгоне, надо рассматривать в связке с вопросом о регулируемом охлаждении ТЭД и режимах непродолжительного увеличения расхода охлаждающего воздуха в 1,5-2 раза.

Суть "кирпичика" в том, что как заметил автор статьи, коллектор является весьма простым и экономичным преобразователем. И на МВПС, а также на городском транспорте причина перехода на АТД может быть только одна - необходимость регулярного обслуживания коллекторных двигателей. Во всем остальном коллекторник с импульсным регулированием и плавным ослаблением поля лучше, проще и дешевле.
На пассажирских электровозах, наверное да, без асинхронников не обойтись. Сейчас уже уперлись в мощность 1000-1200 кВт на ось и более, при которой коллекторный ТЭД ни с ООП, ни с ОРП в габарит тележки уже не помещается. А вот электрички, и метро, мне кажется законная вотчина двигателей постоянного тока. И я думаю не стоит торопиться и бездумно лепить бесколлекторный привод везде и вся просто потому что "так сейчас все делают и вообще коллекторники это XIX век и пережиток прошлого".

Да, и вот еще вдогонку:

У обмоток возбуждения запас по нагреву обычно больше, чем у якоря, таким образом, если форсировать только ток возбуждения можно получить весьма неплохой результат в плане увеличения силы тяги и быстрого выхода на автоматическую характеристику двигателя, когда его коллектор подключен к сети напрямую без каких-либо регулирующих устройств, будь то преобразователь или ПТРы. Кстати, примерно это уже сделано на ВЛ10К. Вроде все хвалят...

Я конечно не профи в тяговых приводах, но т.к. немного столкнулся с промышленными приводами.... так привод с АТД хоть и сложнее теоретически, но гораздо проще в обслуживании и управлении.

Если коллекторный движок, то это обязательно куча проводов, обмоток...контакторов...разные заморочки в регулировании тока якоря, тока в обмотке возбуждения... геморрой короче... и система с полностью автоматическим управлением этими ужасам будет более капризной чем асинхронный преобразователь....какраз из-за своей полностью аналоговой природы (в асинхр. без компа уже не обойтись)

С асинхронным приводом даже логическая цепь гораздо проще.... Питание->черный ящик - преобразователь - > движок .... обратную связь преобразователь смотрит по току на фазах и по оборотам двигателя.
И не нужно в управлении этой системой заморачиватся такими страшными вещами как "ослабления поля, последовательность включения двигателей".... просто "говоришь" приводу..типа "а дайка нам 3000 об/мин с нагрузкой 2000кВт"...и он сам всё делает...

_________________
Russian Railways Forever

Я согласен с Олегом Измеровым, что "форсажный привод" это никак не камень в огород бесколлекторного привода.
Во-первых, есть определенные сомнения в однозначности выводов статьи о "форсажном приводе" по его выдающейся энергетической эффективности. Посмотрите на характеристки двигателя с увеличенным воздушным зазором. В области пуска токи якоря и возбуждения заметно выше, в области постоянства мощности ток возбуждения у форсажного двигателя почти в два раза выше. А это же все существенно увеличивает потери в двигателе. так что кпд такого двигателя в среднем будет заметно ниже, чем у обычного коллекторного.
Во-вторых, возможно, такое решение и даст определенный эффект в условиях работы поездов метро, но это всего-лишь частный случай. Для магистральных электровозов, у которых коллекторные двигатели доведены до предела технических возможностей по всем параметрам: по напряжению, по частоте вращения, по теплу, по коммутации, по магниной системе и т.п., такая модификация не пройдет.
В-третьих, все сравнение в статье построено именно на сравнении энергетики. Но в оценке эффективности бесколлекторных приводов именно энергетика никогда не стояла на первом месте. Более высокая осевая мощность, лучшие сцепные свойства, более высокая производительность локомотива, идеальные возможности для автоматизации управления, меньшая масса ТД, существенная экономия на обслуживании и ремонте - вот главные "козыри" бесколлекторных приводов.
И цены нужно сравнивать, конечно, с учетом всех этих факторов, а не каких-то отдельных.

А почему вы так запросто сравниваете несравнимые вещи и делаете однозначный вывод в пользу одной из них? Коллекторный привод выполненный по технологиям 30-х годов и асинхронный начала 21-го века? Сейчас тоже можно к коллекторному движку подцепить "черный ящик" и будет он вам с ним выделывать всё что душеньке угодно, хошь 3000 об/мин, хошь 2 за полчаса... И нужны ему будут всего три датчика - два тока (якорь и возбуждение) и скорость вращения. С той лишь разницей, что в этом случае "черный ящик" получится на порядок проще и дешевле, чем в случае с асинхронником. Минус коллекторника заключается в необходимости регулярного и трудоемкого обслуживания. Вопрос габаритов и мощности актуален далеко не всегда и не везде.

Много ли потеряется на обмотке с сопротивлением в сотые доли ома, пусть даже по ней течет ток сотни ампер? А вот на преобразователях теряются десятки киловатт. А теперь прикиньте, что дешевле и проще - продувать побольше воздуха через движок (в случае крайней необходимости), или изголяться со всякими испарительными системами охлаждения инверторов, отводя от них десятки киловатт тепла. Коллекторник тем и хорош, что вышел он на автоматическую характеристику и всё, между ним и сетью кроме проводов ничего нет, а скорость изменяется ослаблением поля - там приходится оперировать с гораздо меньшими мощностями. А инвертор наоборот всегда в работе. Так что вопрос КПД тут весьма неоднозначен... Живой пример: каков КПД электровоза ЭП10? процентов 85-88? Вот, а у ЧС2 или ВЛ10? Правильно, за 90%. если ЧС сделать по технологиям ЭП10, т.е. оснастить системой импульсного пуска и плавного регулирования возбуждения, КПД почти вплотную приблизится к КПД двигателя...

Дискуссия слишком поверхностная. Общие фразы, эмоции, домыслы.
Я очень много занимался самыми детальными оценками энергетической эффективности различных видов тягового электропривода, правда только применительно к магистральным электровозам. Если говорить о среднеэксплуатационной энергетической эффективности, а не о кпд в некоторой "номинальной" точке, то электровозный асинхронный привод на GTO-тиристорах уже заметно обогнал зонно-фазовое регулирование на переменном токе и практически приблизился в коллекторному приводу с контакторным регулированием на постоянном токе. А асинхронный привод на IGBT-транзисторах обогнал уже и коллекторный привод с контакторным регулированием на постоянном токе. Думаю, что коллекторный привод с импульсным регулированием тоже уже останется позади. По сравнению с контакторным регулированием импульсный регулятор уберет только потери в пусковых резисторах, а добавит потери в полупроводниках, реакторах, и на собственные нужды для охлаждения полупроводников и реакторов. А вообще, интересно бы сделать расчет и сравнить результаты.
Кстати, если говорить об электровозах, то осевая мощность здесь тоже играет важную энергетическую роль.
ЭП10 имеет примерно ту же мощность, что и электровозы ЧС7 и ЧС8, которые при этом на 40 тонн тяжелее.
А лишняя масса локомотива с учетом сопротивления движению, например на скорости 80 км/ч, дает потери порядка 40 кВт на площадке, а на подъеме 10 тысячных это уже будет 130 кВт. Об этом тоже нельзя забывать.

Есть, правда, другая сторона медали. Это цена подвижного состава. И это, я согласен, очень весомый фактор.
Независимо от того, что асинхронный привод более экономически эффективен в эксплуатации, практическую пользу от этого оператор реально почувствует далеко не сразу. А деньги за приобретение подвижного состава нужно платить сегодня. И тут уже во все наши технические споры вмешиваются совсем другие категории из реальной жизни. В каких-то экономических ситуациях более дешевые "промежуточные" решения могут найти свою нишу.

А почему проще и дешевле? Что такого в частотном преобразователе такого особенного чтобы он был сложнее любого другого устройства? Контроллеры управления сейчас стоят копейки.... единственная дорогая часть это полупроводники в силовых цепях, но тут и "умный" привод коллекторного двигателя влетит в копеечку...

Т.е. если поставить рядом обе технологии (коллекторную + современное управление и асинхронную) ... то асинхронная будет гораздо более вменяемой в плане затрат на неё...

_________________
Russian Railways Forever

Прежде всего надо обратить внимание на то, что автор рассматривает привод МВПС при электрификации постоянным током и использовании реостатного пуска, работающего как раз в режимах, для которых характерны частые пуски. Поэтому в эксплуатации там велики потери в реостатах. В области же постоянной мощности привод трамваев и метро работает меньше, поэтому автор предлагает оптимизировать характеристики электрической машины именно для режима разгона, пойдя на допустимое ухудшение других режимов. Переносить данные выводы на привод подвижного состава с другими режимами работы, естественно, нельзя.

Был такой анекдот про Петьку и Василь Иваныча, который кончался словами: "Нет, Петька, я сперва рояль от ноги отвяжу".

О каких 40 тоннах на состав в 1200-1600 т можно говорить, когда каждый пассажирский ЦМВ можно облегчить на 20 т. за счет отказа от обеспечения прочности на сжатие при постановке в грузовой состав и котлового отопления? Т.е. на состав под ЧС7-ЧС8 мы можем за счет вагонов скинуть 400-500 т! На данный момент выигрыш от снижения массы локомотива на 20-40 т даст сколь-нибудь ощутимый результат только в скоростном движении с облегченными вагонами.

Вот тут-то Вы, Олег, все как раз перепутали. Зону работы пусковых резисторов поезд метро проходит за считанные секунды. А вот дальнейший разгон до 80 км/ч уже происходит более продолжительное время. Так что тут нужно вытягивать энергетику именно в области ослабления поля. Но экономия энергии в метро от большей силы тяги в области высокой скорости (это одинаково могут делать и асинхронный привод и "форсажный") состоит не в энергетических характеристиках привода, а в том, что для короткого цикла разгон-выбег-торможение большее среднее разгонное ускорение позволяет реализовать заданное время хода при меньшей максимальной скорости. А это вместе с увеличенным разгонным ускорением позволяет гораздо раньше по времени сбросить тягу и перейти на выбег. Вот откуда беруться уже весомые проценты экономии энергии в метро. Все эти вещи были самым детальным образом исследованы теоретически и экспериментально, когда ВНИИЖТ проводил испытания различных вариантов Яузы. От части это справедливо и для пригородных поездов. Но в меньшей степени - там длинее перегоны.

А это уже просто детский разговор. Ну конечно, если вагоны будут легче, то можно будет много электроэнергии сэкономить. А еще больше ее можно сэкономить, если не будет такого огромного количества ограничений скорости и т.д. и т.п. Но мы то говорим, все-таки, об электровозах и "их" потерях энергии. И независимо то того, с каким поездом электровоз едет, лишние 40 тонн массы локомотива по любому снизят его кпд на 1 - 1,5%. Но это не тот кпд который указывают в официальных данных - кпд до уровня обода колеса. А это уже речь идет о кпд, приведенном к автосцепке.

Я, все-таки, загорелся идеей "в цифрах" сравнить кпд электровозов с коллекторными и асинхронными двигателями.
И хочу это сделать на примере сравнения электровозов ЧС7, ЧС8, ЭП10 и проекта ЭП20. По двум последним у меня все необходимые данные есть. А вот с Чехами - проблема. Может быть кто поможет данными или ссылками. Для начала можно просто опереться на официальные данные о кпд электровозов ЧС7 и ЧС8 в продолжительном или часовом режиме. Ну а лучше конечно, более детально - по компонентам оборудования: тяговые двигатели, собственные нужды, трансформаторы и реакторы, выпрямители.

Собственно, это утверждал не я, а автор статьи. Если на пусковых резисторах поезд метро проходит незначительное время, то предлагаемая автором оптимизация вообще непонятна.

Как раз - нет. Почитайте статью повнимательнее. Идея "форсажного" двигателя не в импульсных регуляторах, которые уже 40 лет известны. Главная идея в увеличенном воздушном зазоре в двигателе, который ослабляет магнитный поток двигателя и, как считает автор статьи, позволяет за счет ослабления поля поддерживать полную мощность двигателя вплоть до максимальной скорости (как у асинхронника) без риска кругового огня. Этим и обеспечивается более интенсивный разгон поезда в диапазоне высоких скоростей.
То, что увеличенный зазор уменьшает риск кругового огня, возможно, но тут я уже не специалист. Очень может быть что такой трюк в данном случае позволяют резервы в конструкции этого ТД.

Так автор же сам пишет:
"Очевидно, что снятие ограничений по коллектору за счет применения форсажа целесообразно только при импульсном безреостатном пуске тяговых двигателей, поскольку в этом случае отсутствуют потери энергии в пусковых реостатах. При реостатном пуске двигателей форсаж вызовет рост реостатных потерь и приведет к заметному повышению расхода электроэнергии на тягу."

Из этой фразы однозначно следует, что автор полагает потери в реостатах при пуске основной причиной, препятствующей повышению пускового тока в диапазоне 0-35 км/ч. при увеличенном зазоре.