ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ВЫПРЯМЛЕННОГО ТОКА С ЭЛЕКТРОННЫМ ШУНТОМ

Полезная модель относится к области железнодорожного транспорта, в частности к электровозам переменного тока с коллекторными тяговыми двигателями постоянного тока, и может быть использована на электровозах переменного тока с тяговыми двигателями пульсирующего тока для улучшения коммутации тягового двигателя и заданного распределения токов между цепью двигателя и шунтирующим резистором при переходных процессах в режимах ослабления возбуждения.
На электровозах переменного тока в тяговом электроприводе с двигателями постоянного тока ослабление возбуждения достигается шунтированием цепи обмотки возбуждения резисторами с низким сопротивлением и индуктивным шунтом. Индуктивный шунт - медесодержащее устройство и подвержено хищению с транспортного средства. Отсутствие индуктивного шунта приводит к отсутствию режимов ослабления возбуждения, и, следовательно, к снижению участковой скорости движения электровоза по перегонам, а в случае работы без них к отказу тяговых электродвигателей электровоза.
Заявленное устройство по функциональному назначению является аналогом тягового электропривода с индуктивным шунтом, но с расширенными функциями.
Известен тяговый электропривод постоянного тока, который содержит источник питания, тяговый двигатель постоянного тока, два резистора, контакторы, индуктивный шунт (электровоз ВЛ80С: Руководство по эксплуатации / Н.М. Васько и др. - 2-е изд. М.: Транспорт, 1990, с. 200). Недостаток тягового электропривода: большие массогабаритные показатели из-за наличия индуктивного шунта, содержащего большое количество меди.
Недостаток тягового электропривода: ограничение диапазона регулирования скорости из-за падения напряжения на активном сопротивлении индуктивного шунта, большие массогабаритные показатели из-за наличия индуктивного шунта, содержащего большое количество цветных металлов.
Известны различные по конструктивному выполнению тяговые электродвигатели постоянного тока, которые используют электронные шунты (RU, №55693; RU, №72182; RU, №65828; US №5764009; RU, №71303).
Известен тяговый электропривод постоянного тока, содержащий последовательно соединенные источник питания, выключатель, якорные обмотки первого и второго тяговых электродвигателей постоянного тока, обмотки возбуждения первого и второго тяговых электродвигателей постоянного тока, первый и второй датчики тока, последовательно соединенные первый и второй резисторы, к общему выводу которых подключен первый вывод первого контактора, его второй вывод соединен со свободным выводом второго резистора, свободный вывод первого резистора соединен с третьим резистором, второй контактор, общую шину, отличающийся тем, что в него дополнительно введены датчик напряжения, биполярный транзистор с изолированным затвором, блок управления, к общему выводу якорной обмотки второго тягового электродвигателя постоянного тока и обмотки возбуждения первого тягового электродвигателя постоянного тока подключен второй контактор, его свободный вывод соединен с общим выводом первого и третьего резисторов, общий вывод второго резистора и первого контактора соединен с коллектором биполярного транзистора с изолированным затвором, его эмиттер соединен со свободным выводом второго датчика тока, свободный вывод третьего резистора через датчик напряжения соединен с общим выводом первого и второго датчиков тока, который соединен с общей шиной, первый, второй, третий входы блока управления соединены с выходами первого, второго датчиков тока и датчика напряжения соответственно, выход блока управления соединен с затвором биполярного транзистора с изолированным затвором. (RU, №55693).
Ограничениями этого тягового электропривода являются: не реализуется режим электрического торможения, ухудшается коммутация тягового двигателя при питании пульсирующим током, отсутствует возможность плавного регулирования тока возбуждения.
Известен тяговый электропривод постоянного тока, содержащий первый источник питания, последовательно соединенные якорную обмотку тягового двигателя постоянного тока, первый контактор, соединенный с общим выводом первого и второго резисторов, последовательно соединенные третий резистор и второй контактор, выход датчика тока соединен с первым входом блока управления, выход которого соединен с затвором биполярного транзистора с изолированным затвором, обмотку возбуждения тягового двигателя постоянного тока, третий контактор, при этом дополнительно введены датчик напряжения, диод, второй источник питания, четвертый и пятый контакторы, к общему выводу якорной обмотки тягового двигателя постоянного тока и первого контактора подключен свободный вывод второго контактора, свободный вывод третьего резистора соединен с первыми выводами датчика тока и датчика напряжения и подключен к минусовой клемме первого источника питания, выход датчика напряжения соединен с вторым входом блока управления, второй вывод датчика тока соединен с свободным выводом якорной обмотки тягового двигателя постоянного тока, к общему выводу первого контактора и второго резистора подключены третий контактор и обмотка возбуждения тягового двигателя постоянного тока, свободный вывод которой соединен со свободным выводом второго резистора, вторым выводом датчика напряжения и общим выводом последовательно соединенных четвертого и пятого контакторов и подключен к плюсовой клемме первого источника питания, свободный вывод четвертого контактора соединен с катодом диода и коллектором биполярного транзистора с изолированным затвором, эмиттер которого соединен с анодом диода и свободным выводом первого резистора, свободный вывод третьего контактора соединен с плюсовой клеммой второго источника питания, минусовая клемма которого соединена с свободным выводом пятого контактора. (RU, №65828).
Этот тяговый электропривод содержит два источника питания, последовательно соединенные якорную обмотку и обмотку возбуждения тягового двигателя, а также контакторы для обеспечения переключений тягового электропривода на режим тяги или электрического реостатного тормоза, резистор ослабления возбуждения и биполярный транзистор с обратным диодом в шунтирующей обмотку возбуждения цепи, блок управления биполярным транзистором, датчик тока и напряжения.
Недостатками этого технического решения являются:
- невозможна работа в режиме импульсного регулирования возбуждения с синхронизацией по переменному напряжению питания, так как отсутствует обратная связь и датчик напряжения в звене переменного тока, что негативно сказывается на качестве регулирования;
- отсутствует автоматическое регулирование и постоянство коэффициента ослабления возбуждения двигателя. Параметрическое регулирование степени ослабления возбуждения широтно-импульсным модулированием тока, протекающего через силовой транзистор, без контроля величины тока возбуждения не осуществляет стабилизацию токов в цепях двигателя в переходных электрических процессах и механических воздействиях на колесно-моторный блок, так как зависимость степени ослабления возбуждения от скважности управляющих транзистором импульсов имеет нелинейный характер.
Наиболее близким является тяговый электропривод постоянного тока, содержащий источник питания, тяговый электродвигатель, исполненный с обмоткой возбуждения и якорной обмоткой, резистор, контактор, диод, биполярный транзистор с изолированным затвором, первый и второй датчики тока, датчик напряжения, блок управления, причем обмотка возбуждения, резистор и контактор подсоединены к плюсовой клемме источника питания, катод диода и коллектор биполярного транзистора с изолированным затвором подсоединены к свободному выводу контактора, а анод диода и эммитер биполярного транзистора с изолированным затвором объединены, первый датчик тока, якорная обмотка, обмотка возбуждения соединены в цепь последовательно и через первый датчик тока подсоединены к минусовой клемме источника питания, резистор подсоединен параллельно обмотке возбуждения, выход первого датчика тока подсоединен к первому входу блока управления, выход датчика напряжения - к второму входу блока управления, выход второго датчика тока - к третьему входу блока управления, выход которого подсоединен к затвору биполярного транзистора с изолированным затвором, объединенные анод диода и эммитер биполярного транзистора с изолированным затвором подсоединены к цепи между обмоткой возбуждения и якорной обмоткой (RU, №71303).
Ограничениями известного тягового электропривода постоянного тока являются: отсутствие автоматического регулирования и постоянства коэффициента ослабления возбуждения двигателя; тяговый электропривод не ограничивает интенсивность роста тока в переходных коммутационных процессах в режиме ослабленного возбуждения при изменении напряжения и тока якоря со значениями меньшими, чем заданный порог уставки; недостаточная надежность, т.к. контактор, в шунтирующей цепи биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT транзистор) не контролируется блоком управления; недостаточная точность синхронизации подачи импульсов управления с блока управления.
Отсутствие автоматического регулирования и постоянства коэффициента ослабления возбуждения двигателя вызвано тем, что параметрическое регулирование степени ослабления возбуждения широтно-импульсным модулированием тока, протекающего через IGBT транзистор, без контроля величины тока возбуждения не осуществляет стабилизацию токов в цепях электродвигателя в переходных электрических процессах и механических воздействиях на колесно-моторный блок, так как зависимость степени ослабления возбуждения от скважности управляющих транзистором импульсов имеет нелинейный характер.
Тяговый электропривод не ограничивает интенсивность роста тока в переходных коммутационных процессах в режиме ослабленного возбуждения при изменении напряжения и тока якоря со значениями меньшими, чем заданный порог уставки, поскольку защита тягового двигателя от опасных токов в переходных электрических процессах осуществляется лишь отключением IGBT транзистора с переходом на режим полного возбуждения при превышении порога напряжения питания двигателя и тока якоря с обратным восстановлением режима ослабленного возбуждения двигателя при снижении тока якоря с задержкой по времени. При переключении позиций контроллера блока управления скачком изменяется напряжение питания электродвигателя, что в режиме ослабленного возбуждения без автоматического регулирования тока возбуждения IGBT транзистором ухудшает условия коммутации в тяговом электродвигателе.
Контактор, в шунтирующей цепи IGBT транзистора, включается и выключается машинистом с пульта управления и не контролируется блоком управления силового транзистора, что при повреждении IGBT транзистора или цепей управления им в режиме ослабленного возбуждения вызывает аварийный режим из-за закорачивания обмотки возбуждения и может вывести из строя тяговый электродвигатель.
Недостаточная точность синхронизации подачи импульсов управления с блока управления вызвана тем, что синхронизация фазы подачи импульсов управления IGBT транзистором с частотой питающей сети осуществляется от датчика тока, установленного в цепи резистора. На форму пульсирующего тока в режиме ослабленного возбуждения влияет работа самого IGBT транзистора, что искажает форму тока и отрицательно сказывается на точности синхронизации подачи импульсов управления.
Решаемая полезной моделью задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик.
Технический результат, который получен при выполнении заявленной полезной модели - расширение функциональных возможностей, совершенствование защиты тягового электродвигателя от токов перегрузки, улучшение коммутационных процессов на коллекторе тягового электродвигателя при переходных электрических процессах в цепях питания и при динамических воздействиях пути на колесно-моторный блок, плавное регулирование токов электродвигателя и автоматическое регулирование коэффициента ослабления возбуждения с обеспечением необходимых соотношений между токами якоря и обмотки возбуждения электродвигателя.
Защита колесных пар от боксования с включением подсыпки песка под колеса в режиме полного возбуждения и быстрое переключение тягового электродвигателя с ослабленного на полное возбуждение в режиме ослабленного возбуждения обеспечивается электронным шунтом, выполненным на основе IGBT транзистора с обратным диодом.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном тяговом электроприводе постоянного тока, содержащем источник питания, тяговый электродвигатель, исполненный с обмоткой возбуждения и якорной обмоткой, резистор, контактор, диод, биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT транзистор), первый и второй датчики тока, датчик напряжения, блок управления, причем обмотка возбуждения, резистор и контактор подсоединены к плюсовой клемме источника питания, катод диода и коллектор биполярного транзистора с изолированным затвором подсоединены к свободному выводу контактора, а анод диода и эммитер биполярного транзистора с изолированным затвором объединены, первый датчик тока, якорная обмотка, обмотка возбуждения соединены в цепь последовательно и через первый датчик тока подсоединены к минусовой клемме источника питания, резистор подсоединен параллельно обмотке возбуждения, выход первого датчика тока подсоединен к первому входу блока управления, выход датчика напряжения - к второму входу блока управления, выход второго датчика тока - к третьему входу блока управления, выход которого подсоединен к затвору биполярного транзистора с изолированным затвором, объединенные анод диода и эммитер биполярного транзистора с изолированным затвором подсоединены к цепи между обмоткой возбуждения и якорной обмоткой, согласно полезной модели второй датчик тока подсоединен к цепи между обмоткой возбуждения и резистором со стороны подсоединения к плюсовой клемме источника питания, источник питания выполнен из трансформатора, исполненного с первичной и вторичной обмоткой, и из выпрямительного моста, подсоединенного параллельно к вторичной обмотке, к концам которой также параллельно подсоединен датчик напряжения, введены второй источник питания, первый и второй дополнительные резисторы, четыре дополнительных замыкающих контактора, два размыкающих контактора, дроссель, причем обмотка возбуждения и контактор подсоединены к плюсовой клемме источника питания через первый размыкающий контактор, а второй размыкающий контактор установлен в цепи между обмоткой возбуждения и якорной обмоткой, минусовая клемма второго источника питания через первый дополнительный замыкающий контактор подсоединена к цепи между вторым размыкающим контактором и обмоткой возбуждения, плюсовая клемма второго источника питания через второй дополнительный замыкающий контактор подсоединена к цепи между резистором и между контактором и первым размыкающим контактором, первый датчик тока подсоединен к минусовой клемме источника питания через дроссель, а между дросселем и первым датчиком тока параллельно якорной обмотке подключен первый дополнительный резистор с последовательно подсоединенным к нему третьим дополнительным замыкающим контактором, объединенные анод диода и эммитер биполярного транзистора с изолированным затвором подсоединены к цепи между обмоткой возбуждения и якорной обмоткой перед вторым размыкающим контактором через второй дополнительный резистор, параллельно которому подсоединен четвертый дополнительный замыкающий контактор.
Указанные преимущества полезной модели, а так же ее особенности поясняются с помощью варианта ее выполнения со ссылками на прилагаемый чертеж.
Фигура 1 изображает принципиальную электрическую схему заявленного тягового электропривода выпрямленного тока с электронным шунтом.
Тяговый электропривод постоянного тока (фиг. 1) содержит источник 1 питания, тяговый электродвигатель, исполненный с обмоткой 2 возбуждения и якорной обмоткой 3, резистор 4, контактор 5, диод 6, биполярный транзистор 7 с изолированным затвором (IGBT транзистор), первый датчик 8 тока и второй датчик 9 тока, датчик 10 напряжения, блок 11 управления. Обмотка 2 возбуждения, резистор 4 и контактор 5 подсоединены к плюсовой клемме источника 1 питания. Катод диода 6 и коллектор биполярного транзистора 7 с изолированным затвором подсоединены к свободному выводу контактора 5. Анод диода 6 и эммитер биполярного транзистора 7 с изолированным затвором объединены. Первый датчик 8 тока, якорная обмотка 3, обмотка 2 возбуждения соединены в цепь последовательно и через первый датчик 8 тока подсоединены к минусовой клемме источника 1 питания. Резистор 4 подсоединен параллельно обмотке 2 возбуждения. Выход первого датчика 8 тока подсоединен к первому входу блока 11 управления, выход датчика 10 напряжения - к второму входу блока 11 управления, выход второго датчика 9 тока - к третьему входу блока 11 управления. Выход блока 11 управления подсоединен к затвору биполярного транзистора 7 с изолированным затвором. Объединенные анод диода 6 и эммитер биполярного транзистора 7 с изолированным затвором подсоединены к цепи между обмоткой 2 возбуждения и якорной обмоткой 3.
Второй датчик 9 тока подсоединен к цепи между обмоткой 2 возбуждения и резистором 4 со стороны подсоединения к плюсовой клемме источника 1 питания. Источник 1 питания выполнен из трансформатора 12, исполненного с первичной обмоткой 13 и вторичной обмоткой 14, и из выпрямительного моста 15, подсоединенного параллельно к вторичной обмотке 14. К вторичной обмотке 14 также параллельно подсоединен датчик 10 напряжения. Введены второй источник 16 питания, первый и второй дополнительные резисторы 17, 18, четыре дополнительных замыкающих контактора 19, 20, 21, 22, два размыкающих контактора 23, 24, дроссель 25. Обмотка 2 возбуждения и контактор 5 подсоединены к плюсовой клемме источника 1 питания через первый размыкающий контактор 23. Второй размыкающий контактор 24 установлен в цепи между обмоткой 2 возбуждения и якорной обмоткой 3. Минусовая клемма второго источника 16 питания через первый дополнительный замыкающий контактор 19 подсоединена к цепи между вторым размыкающим контактором 24 и обмоткой 2 возбуждения. Плюсовая клемма второго источника 16 питания через второй дополнительный замыкающий контактор 20 подсоединена к цепи между резистором 4 и между контактором 5 и первым размыкающим контактором 23. Первый датчик 8 тока подсоединен к минусовой клемме источника 1 питания через дроссель 25. Между дросселем 25 и первым датчиком 8 тока параллельно якорной обмотке 3 подключен первый дополнительный резистор 17 с последовательно подсоединенным к нему третьим дополнительным замыкающим контактором 21. Объединенные анод диода 6 и эммитер биполярного транзистора 7 с изолированным затвором подсоединены к цепи между обмоткой 2 возбуждения и якорной обмоткой 3 перед вторым размыкающим контактором 24 через второй дополнительный резистор 18, параллельно которому подсоединен четвертый дополнительный замыкающий контактор 22.
Работает тяговый электропривод выпрямленного тока с электронным шунтом (фиг. 1) следующим образом.
На четырехосной секции электровоза располагается один блок 11 управления электронного шунта, который управляет четырьмя силовыми модулями. На фиг. 1 изображена принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства для одного тягового электропривода, остальные тяговые электродвигатели оборудованы также. Применение датчиков 8, 9 тока в цепях якорной обмотки 3 и обмотки 2 возбуждения на всех электродвигателях и общий блок 11 управления позволяют реализовывать функции быстродействующей защиты от перегрузки тяговых электродвигателей по току, защиты колесных пар от боксования и юза, применяя алгоритм сравнения токов в электродвигателях. При превышении среднего тока электродвигателя выше допустимого блок 11 управления отключает главный выключатель электровоза, обесточивая его.
IGBT транзистор 7 с диодом 6 выполняют функцию силового ключа (СК) электронного шунта, который соединен с блоком 11 управления. В блок 11 управления поступают информационные сигналы о наличии торможения 26, боксовании колесных пар 27, три сигнала заданной ступени ослабления возбуждения тягового электродвигателя: первая ступень 28, вторая ступень - 29, третья ступень - 30, информационный сигнал от датчика 10 напряжения, синхронизирующий работу силового ключа с напряжением контактной сети. Блок 11 управления управляет контактором 5 и дополнительным замыкающим контактором 22 и отключает их при обнаружении неисправности СК (диода 6 и IGBT транзистора 7).
В режиме тяги при замкнутых размыкающих контакторах 23, 24, разомкнутом контакторе 5 и разомкнутых дополнительных замыкающих контакторах 19 и 20, 21 и 22 СК выключен. Тяговый электродвигатель работает в режиме полного возбуждения. Ток от выпрямительного моста 15 от плюсового к минусовому выводу протекает последовательно через обмотку 2 возбуждения, якорную обмотку 3 тягового электродвигателя и через резистор 4, предназначенный для сглаживания пульсаций магнитного потока.
При появлении сигнала о заданном режиме ослабленного возбуждения 28-30, блок 11 управления формирует сигнал включения контактора 5 и дополнительного замыкающего контактора 22 и сигнал, запрещающий открытие СК. Блок 11 управления по сигналам с датчиков 8 и 9 тока автоматически задает необходимый угол открытия СК, анализирует исправность шунтирующей цепи ослабления возбуждения и СК и подает управляющие импульсы на СК, обеспечивая плавное регулирование тока якоря тягового электродвигателя с поддержанием заданного соотношения между токами якоря и возбуждения в стационарных и переходных режимах по обратной связи. При этом дополнительным замыкающим контактором 22 закорачивается второй дополнительный резистор 18. Управление синхронизируется с напряжением питающей сети от датчика 10 напряжения по частоте и фазе, в результате чего отсутствует мешающее влияние на цепи СЦБ (система сигнализации, централизации и блокировки).
В случае неисправности IGBT транзистора 7 ток через якорную обмотку 3 увеличивается, а ток через обмотку 2 возбуждения уменьшается, и блок 11 управления отключает контактор 5, который разрывает шунтирующую цепь и переводит работу тягового электродвигателя на полное возбуждение с последующим блокированием режима работы электровоза на позициях ослабленного возбуждения. При кратковременном набросе, пропадании напряжения на тяговом двигателе ток якоря начинает изменяться, ток возбуждения из-за наличия обратного диода 6 изменяется медленней, при этом начинает изменяться соотношение между токами якоря и возбуждения тягового электродвигателя. Блок 11 управления, изменяя скважность закрытого состояния СК автоматически поддерживает заданное значение коэффициента возбуждения, а при отсутствии тока якоря отключает IGBT-транзистор 7, что приводит к переходу на полное возбуждение. Только после появления тока в якоре СК электронного шунта начинает плавно регулировать ток возбуждения с обеспечением заданного соотношения между токами якоря и возбуждения.
При выявлении наличия боксования в блок 11 управления поступает сигнал 27, в соответствии с которым блок 11 закрывает СК. При этом электронный шунт обеспечивает переход схемы тягового электропривода на полное возбуждение, что способствует ускорению процесса восстановления сцепления колеса с рельсом. После прекращения боксования и отсутствии информационного сигнала 27 блок 11 управления включает СК электронного шунта и обеспечивает регулирование тока возбуждения с плавным восстановлением заданной ступени ослабления возбуждения.
В режиме электрического реостатного торможения регулирование тока в якорной обмотке 3 электродвигателя осуществляется с помощью изменения напряжения между положительным и отрицательным выводами второго источника 16 питания (независимого). Для обеспечения торможения отключаются контактор 5, дополнительный замыкающий контактор 22 и размыкающий контактор 23 и включаются дополнительные замыкающие контакторы 19, 20, 21.
При обнаружении юза сигнал о наличии юза или боксования 27 поступает в блок 11 управления, который шунтирует обмотку 2 возбуждения включением контактора 5. В этом случае обмотка 2 возбуждения шунтирована обратным диодом 6 и вторым дополнительным резистором 18. Дроссель 25 (глаживающий реактор) предназначен для уменьшения пульсаций тока в тяговом электродвигателе.
Всеми контакторами в соответствии с описанными выше режимами работы заявленного устройства управляет блок 11 по цепям управления, которые для простоты чтения чертежа на фигуре 1 не показаны.
Расширение функциональных возможностей достигается за счет обеспечения противобоксовочной и противоюзовой защиты тягового электродвигателя, при этом контакторы обеспечивают соединение схемы силовых цепей в режим тяги с последовательным возбуждением и в режим торможения с независимым возбуждением. Причем для функционирования силового ключа (СК) электронного шунта (диода 6 и IGBT транзистора 7) используют сигнал синхронизации, поступающий от датчика 10 напряжения, подключенного к вторичной обмотке 14 трансформатора 12, что дает возможность обеспечить плавное импульсное регулирование тока возбуждения и коэффициента ослабления возбуждения, синфазно с напряжением источника питания переменного тока, исключая мешающее влияние коммутации диодов выпрямительного моста 15 и индуктивности рассеяния якорной обмотки 3.
Наиболее успешно заявленный тяговый электропривод выпрямленного тока с электронным шунтом промышленно применим в электровозах переменного тока с коллекторными тяговыми двигателями постоянного тока.