Электровозы переменного тока для привода в действие тяговых электродвигателей используют напряжение контактной сети. Поскольку для уменьшения токовой нагрузки на провода и снижения потерь в контактную сеть подается высокое напряжение (порядка 19-29 кВ), то тяговые трансформаторы современных электровозов выполняют функцию снижения напряжения. Тяговые трансформаторы должны обладать определенной перегрузочной способностью для нормальной работы в большом диапазоне нагрузок.
Конструкция и принцип работы тяговых трансформаторов электровозов
Тяговые трансформаторы электровозов работают на том же принципе электромагнитной индукции, что и обычные трансформаторы. Наиболее распространенной является конструкция, в которую входят:
- Двухстержневой магнитопровод из электротехнической стали.
- Первичная и вторичные обмотки.
- Масляная система охлаждения с радиаторами и циркуляционным насосом.
Магнитопровод имеет два ярма и две стяжки, выполненные из листов электротехнической стали толщиной 0.35 мм. Для того, чтобы стержни в поперечном сечении имели форму, приближенную к кругу, ширина пластин разная. Для плотного прилегания друг к другу, пластины ярма стянуты швеллерами при помощи изолированных болтов. Изоляция необходима для того, чтобы в сердечнике не возникали вихревые токи, повышающие нагрев и снижающие КПД устройства.
Эти же швеллерные балки осуществляют крепление сердечника к корпусу конструкции.
Обмотки выполнены из изолированного медного провода прямоугольного сечения. Каждая из обмоток намотана на бакелитовых цилиндрах. Сечение цилиндров подобрано таким образом, чтобы они входили друг в друга и образовывали зазор для циркуляции масла. Равномерность зазора обеспечивают распорные прокладки между стержнями и обмотками.
Для изолирования проводов применяется специальная трансформаторная бумага.
Обмотки вместе с магнитопроводом образуют выемную часть.
Масло, циркулирующее внутри активной части, отбирает тепло от нагретых элементов. Кроме охлаждения масло выполняет роль изолятора. Перенос масла от нагретых частей к охладителю осуществляется при помощи циркуляционного масляного насоса.
Нагретое масло, подаваемое из верхней части трансформатора (там оно имеет максимальную температуру), поступает в охладители, выполненные в виде радиаторных секций. Количество масляных секций у холодильника зависит от типа и мощности устройства.
Радиаторы охлаждаются потоком воздуха при помощи вентилятора.
Основные параметры
Поскольку тяговые трансформаторы электровозов предназначены для питания тяговых электродвигателей и преобразования напряжения для собственных нужд, то основными параметрами будут являться:
- Номинальное первичное напряжение;
- Номинальное вторичное напряжение;
- Мощность;
- Токи первичной и вторичной обмоток.
Серия и марка
О основном на отечественных железных дорогах используют устройства двух марок – ОДЦЭ и ОДР. В маркировке приняты следующие сокращения:
- О – однофазный;
- Д – принудительное воздушное охлаждение;
- Ц – принудительная циркуляция масла;
- Р – для питания ртутных выпрямителей (или встроенный реактор).
Далее указывается число в виде дроби, где:
- Числитель – типовая мощность в кВА;
- Знаменатель – номинальное напряжение первичной обмотки в кВ.
В конце обозначения может присутствовать буква, характеризующая модификацию устройства.
В частности, на электровозе переменного тока ВЛ80С установлен тяговый трансформатор ОДЦЭ 5000 / 25. На электровозе ЭД9М устанавливается трансформатор со встроенным реактором ОДЦЭР 1600/25А.
Номинальные параметры
Номинальные параметры показывают характеристики, которые обеспечиваются при длительной работе аппаратуры. Для каждого типа трансформатора параметры различны, поскольку они предназначены для работы в разной технике.
Мощность
Наиболее распространены следующие значения номинальной мощности первичной обмотки:
5600, 5000, 1600, 1000 кВА.
Кроме этого, трансформаторы характеризуются мощностями вторичных обмоток, которых бывает несколько:
- Для питания тяговых электродвигателей;
- На собственные нужды.
Напряжение
Первичное напряжение, которое подается на обмотки с контактной сети, составляет 25 кВ. В зависимости от типа транспортного средства, для питания тяговых двигателей используется различное напряжение – от 1040 до 2208 В. Величина тягового напряжения регулируется контроллером при трогании, разгоне или торможении.
Кроме этого, необходимо напряжение на собственные нужды – для питания вспомогательного оборудования, отопления, освещения. Величина дополнительного напряжения составляет от 200 до 600 В.
В случае необходимости, в цепи питания могут включаться дополнительные трансформаторы, которые преобразуют напряжение до необходимой величины.
Частота
Частота напряжения питающей сети является стандартной и составляет 50 Гц, поскольку ток в контактных проводах берется из общей системы электроснабжения.
Ток
Ток, потребляемый тяговыми электродвигателями, зависит от состояния дороги, загруженности подвижного состава. Ток тем выше, чем круче подъем профиля следования, больше масса подвижного состава. Максимальной величины ток достигает в момент трогания с места и набора скорости.
В сумме с током на собственные нужды он не должен превышать номинальный ток первичной обмотки.
Выпрямленное напряжение
Напряжение вторичных обмоток поступает на выпрямители, поскольку подавляющее большинство электрических цепей используют постоянное напряжение. Для сглаживания пульсаций после выпрямителя используются реакторы, которые могут быть встроены непосредственно в тяговый трансформатор.
Часовой выпрямленный ток
Номинальный выпрямленный ток может протекать через обмотки в течении длительного времени, не вызывая повреждения оборудования. В случае перегрузок (трогание с места, движение на подъем), ток, проходящий через обмотки, превышает номинальное значение. Величина кратковременного тока называется часовой выпрямленный ток.
Коэффициент трансформации обмоток
Постоянный коэффициент трансформации имеет только обмотка для собственных нужд. Тяговая обмотка состоит из нескольких частей – двух одинаковых несекционированных полуобмоток и секционированную часть.
Такая конструкция необходима для регулировки напряжения на тяговом электродвигателе посредством контроллера. Регулировка заключается в том, что секционированные части подключаются к несекционированным последовательно или встречно. Таким образом достигается плавность регулировки.
Методика расчета
В основе расчета тяговых трансформаторов электровоза лежит напряжение питающей контактной сети и мощность тяговых электродвигателей. Следует иметь ввиду, что в суммарную мощность трансформатора входит мощность, потребляемая на собственные нужды.
Порядок расчета следующий:
- Определение габаритной мощности;
- Определение коэффициента трансформации (количество витков первичной и вторичных обмоток);
- Расчет площади сечения магнитопровода исходя из габаритной мощности;
- Расчет сечения проводников обмоток в зависимости от выбранной плотности токов;
- Выбор схемы охлаждения и тепловой нагрузки на обмотки;
- Расчет системы охлаждения.
Примеры расчета
Габаритная мощность равняется сумме мощности всех потребителей. Следует иметь ввиду, что в зависимости от погодных условий, мощность собственных нужд будет значительно отличаться за счет включения обогрева в холодное время. Габаритная мощность должна рассчитываться для наихудших условий.
Коэффициент трансформации определяется как отношение напряжения в первичной сети и вторичной обмотки. Каждая обмотка имеет свой коэффициент трансформации.
В зависимости от величины габаритной мощности определяется площадь поперечного сечения магнитопровода, а также находится количество витков, приходящихся на один вольт напряжения.
Сечение проводов выбирается таким образом, чтобы их нагрев не превышал допустимой величины. Поэтому важно учитывать способ охлаждения и рабочие параметры охлаждающей среды. К примеру, допустимая температура масла при жидкостной системе охлаждения составляет 75⁰С.
На основе тепловых расчетов определяют тип и количество радиаторных секций, величину воздушного потока для охлаждения.
