Преобразователь тяговый тепловоза
LOCOMOTIVE TRACTION CONVERTER

Изобретение относится к областям электротехники и железнодорожного транспорта, в частности к преобразованию переменного тока в стабильный по напряжению постоянный с последующим преобразованием его в регулируемый постоянный и переменный для питания тяговых двигателей, собственных нужд тепловоза и внешних потребителей транспортных средств, в частности маневровых тепловозов ТЭМ31М с коллекторными тяговыми двигателями.
Известно изобретение «Тяговый электропривод постоянного тока» по патенту РФ №2440900 с датой приоритета от 25.08.2010 г., в тяговом приводе которого электродвигатели постоянного тока подключены к выходу преобразователя напряжения, вход которого предназначен для подключения источника трехфазного напряжения.
Известен тяговый электропривод транспортного средства из патента РФ №2309057 с датой приоритета от 23.12.2005 г., содержащий тяговые электродвигатели постоянного тока последовательного возбуждения, подключенные к выходу преобразователя напряжения, параллельно обмоткам возбуждения тяговых электродвигателей включены регуляторы токов возбуждения.
Недостатком данных технических решений являются отсутствие возможности задания тока возбуждения больше тока якоря и обеспечения рекуперативного торможения.
Из уровня техники известен силовой полупроводниковый преобразователь для тепловоза с питанием трехфазным переменным током от синхронного дизель-генератора с системой вертикального воздушного охлаждения по патенту РФ №73566 на полезную модель с датой приоритета от 29.01.2008 г., содержащий систему контроля и управления каналами преобразования электрической энергии в режиме электрического торможения.
Недостатком силового полупроводникового преобразователя является отсутствие возможности рекуперативного торможения.
Известна электрическая передача тепловоза из патента РФ №150714 на полезную модель с датой приоритета от 18.07.2014 г., содержащая дизель с регулятором для стабилизации частоты вращения и синхронный генератор, к статорным обмоткам которого посредством преобразователя электроэнергии подключены тяговые электродвигатели. Электрическая передача дополнительно содержит источник переменного трехфазного напряжения нормальной частоты для электропитания стационарных потребителей, выполненный как непосредственный преобразователь частоты.
Недостатком данного технического решения является отсутствие возможности обеспечения работы тяговых двигателей в режиме электрического рекуперативного торможения.
Наиболее близким техническим решением является изобретение «Силовой полупроводниковый преобразователь для тепловоза с питанием трехфазным переменным током от синхронного дизель-генератора с системой вертикального воздушного охлаждения» по патенту РФ №2342260 с датой приоритета от 29.11.2007 г., содержащее группы силовых полупроводниковых тиристорных модульных блоков, собранных в шесть трехфазных электрических тиристорных мостов с образованием первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого каналов преобразования электрической энергии, соединенных с внутренними фазными токопроводящими шинами трехфазного переменного тока и шинами выпрямленного тока каждого канала преобразования. При этом содержит блок управления каналами преобразования с элементами защиты каждого канала.
Недостатком прототипа является отсутствие возможности регулирования тока возбуждения и работы в режиме рекуперативного торможения.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение функциональных возможностей преобразователя тягового, а именно расширение диапазона регулирования возбуждения тяговых двигателей тепловоза и формирование стабильного постоянного напряжения электроснабжения вспомогательных машин, собственных нужд тепловоза и дополнительных нагрузок, устанавливаемых на тепловоз или подключаемых к нему.
Техническими результатами изобретения являются обеспечение постоянства электропитания тепловоза в широком диапазоне скоростей вращения тягового генератора, расширение диапазона регулирования силы тяги за счет регулирования возбуждения тяговых двигателей посредством управления токами возбуждения тяговых двигателей и возможность обеспечения работы тяговых двигателей в режиме электрического рекуперативного торможения. Заявляемое изобретение обеспечивает величину выходного напряжения, требуемую и необходимую для питания частотных преобразователей для общепромышленных асинхронных двигателей.
Технические результаты обеспечиваются за счет того, что преобразователь тяговый тепловоза содержит n-число каналов преобразования электрической энергии, которые представлены преобразователем частоты дизель-генератора, n-числом конверторов, устройством управления током возбуждения, соединенных внутренними токопроводящими шинами. При этом преобразователь частоты дизель-генератора соединен с n-числом конверторов и устройством управления током возбуждения. Преобразователь частоты дизель-генератора, n-число конверторов, устройство управления током возбуждения содержат программное обеспечение, позволяющее осуществлять управление и защиту собственного канала питания. Устройство управления током возбуждения включает в себя блок гальванической развязки и блок управления током возбуждения. Преобразователь тяговый тепловоза может содержать инвертор для питания собственных нужд тепловоза и внешних потребителей, устройство электродинамического торможения, модуль охлаждения.
К каналам преобразования электрической энергии, соединенным внутренними токопроводящими шинами, относятся:
- каналы обеспечения электропитанием промежуточной шины фиксированным напряжением (преобразователь частоты дизель-генератора);
- каналы управления током якоря (конверторы);
- каналы управления током возбуждения (устройство управления током возбуждения);
- каналы питания собственных нужд тепловоза и внешних потребителей (инвертор);
- канал электродинамического торможения (устройство электродинамического торможения).
На фигуре 1 представлен габаритный чертеж преобразователя тягового тепловоза.
На фигуре 2 представлена структурная схема преобразователя тягового тепловоза.
Преобразователь тяговый 1 тепловоза содержит n-число каналов преобразования электрической энергии, соединенных внутренними токопроводящими шинами. Каналы преобразования электрической энергии, обеспечивающие электропитание промежуточной шины фиксированным напряжением, формируются преобразователем частоты дизель-генератора 2. Каналы управления током якоря формируются n-числом конверторов 3. Каналы управления током возбуждения формируются устройством управления током возбуждения 4, который включает в себя блок гальванической развязки 5 и блок управления током возбуждения 6. Каналы питания собственных нужд тепловоза и внешних потребителей формируются инвертором 7. Канал электродинамического торможения формируется устройством электродинамического торможения 8. Преобразователь частоты дизель-генератора 2 соединен токопроводящими шинами с n-числом конверторов 3 и устройством управления током возбуждения 4. Элементы 2, 3, 5, 6, 7, 8 содержат систему диагностики и систему автоматического регулирования выходных параметров для осуществления внутренней диагностики и передачи результатов диагностирования в систему управления тепловоза за счет программного обеспечения, выполняющего программный контроль. Преобразователь тяговый 1 может содержать модуль охлаждения 9, который может быть выполнен с принудительным воздушным охлаждением с замкнутыми жидкостными контурами.
Преобразователь тяговый работает следующим образом.
Входное трехфазное напряжение 400 В с дизель-генератора тепловоза поступает на вход блока преобразователя частоты дизель-генератора 2, который преобразует его в напряжение 560 В постоянного тока и выдает на n-число конверторов 3 и устройство управления током возбуждения 4, соединенных параллельно с помощью токопроводящих шин. В режиме рекуперативного торможения дизель-генератор может использоваться как потребитель рекуперативной энергии.
Преобразователь частоты дизель-генератора 2 обеспечивает преобразование входного переменного трехфазного напряжения 400 В частотой 27-60 Гц с выхода дизель-генератора тепловоза в постоянное напряжение (530-570 В) для питания составных частей преобразователя тягового 1.
Конверторы 3 управляют токами якорей тяговых двигателей и обеспечивают плавное регулирование напряжения либо тока якорей тяговых двигателей.
Устройство управления током возбуждения 4 обеспечивает регулирование тока в обмотках возбуждения тяговых двигателей, обеспечивая гальваническую развязку от якорных цепей, и возможность реверсирования тока в обмотках возбуждения.
Устройство управления током возбуждения работает следующим образом: блок гальванической развязки 5 формирует гальванически развязанное постоянное напряжение 100 В, которое подается на вход блока управления током возбуждения 6. Блок 5 формирует и выдает требуемое значение тока в обмотки возбуждения тяговых двигателей. Задавая с помощью конверторов 3 требуемое значение тока якоря по уставкам в якорную цепь, а с помощью устройства управления током возбуждения 4 требуемое значение тока возбуждения, формируется необходимый момент на валу тяговых двигателей.
Инвертор 7 и устройство электродинамического торможения 8 могут быть подключены к шинам постоянного тока преобразователя тягового 1. Инвертор 7 обеспечивает преобразование постоянного напряжения в переменное трехфазное для питания компрессора и защиту подключенного компрессора в процессе его работы. Устройство электродинамического торможения 8 обеспечивает передачу энергии, получаемой при рекуперативном торможении на внешний тормозной резистор.
Заявляемое изобретение за счет управления токами возбуждения обеспечивает возможность создания большой силы тяги меньшим током якоря при работе на малых скоростях, а также возможность рекуперативного торможения. Обеспечение постоянства стабильного напряжения шины постоянного тока позволяет производить питание внешних потребителей без дополнительного повышения напряжения, а также обеспечивает возможность питания частотных преобразователей для общепромышленных асинхронных электродвигателей вспомогательных машин.
Выполнение преобразователя тягового тепловоза, который содержит n-число каналов преобразования электрической энергии, соединенных внутренними токопроводящими шинами и сформированных преобразователем частоты дизель-генератора, n-числом конверторов, устройством управления током возбуждения, при этом преобразователь частоты дизель-генератора соединен с n-числом конверторов и устройством управления током возбуждения, которые содержат программное обеспечение, позволяющее осуществлять управление и защиту собственного канала питания, обеспечивает работу тепловоза в широком диапазоне скоростей вращения тягового генератора, расширение диапазона регулирования силы тяги.