СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту и предназначено для испытания тягового электропривода и, в частности, тягового генератора, в установившихся и переходных режимах.
Известен стенд для испытания двигателей внутреннего сгорания, содержащий нагрузочный генератор, электрически связанный с реостатом, стержни которого кинематически связаны с первым электродвигателем, снабженным двумя обмотками и первым конденсатором, датчик момента на валу двигателя, преобразователь случайных сигналов, выполненный в виде первого трансформатора, подключенного к источнику напряжения, выпрямителя и сглаживают фильтра, второй конденсатор, формирователь случайных сигналов, выполненный в виде двухкаскадного усилителя, снабженного третьим конденсатором переменной емкости, включенным параллельно входу второго каскада усилителя, выход которого совмещен с выход формирователя, дифференцирующую цепь, второй электродвигатель, снабженный двумя обмотками и четвертыми конденсаторами, фазочувствительный усилитель и схему управления второго электродвигателя, причем первая обмотка первого электродвигателя связана через дифференцирующую цепь с выходом формирователя случайных сигналов, первая обмотка второго электродвигателя через фазочувствительный усилитель соединена с выходом схемы управления второго электродвигателя, вход которой подключен к датчику момента, вторые обмотки первого и второго
электродвигателей через соответственно первый и четвертый конденсаторы подключены к источнику напряжения, вал второго электродвигателя кинематически связан с осью вращения третьего конденсатора, датчик момента подключен к входу схемы управления второго электродвигателя, выход ее соединен с фазочувствительным усилителем, а второй конденсатор включен на входе формирователя случайных сигналов, характеризующихся заданным значением коэффициента, вариации момента нагрузки на валу двигателя внутреннего сгорания, схема управления второго электродвигателя выполнена в виде системы автоматического поддержания заданного значения коэффициента вариации момента на валу двигателя, содержащей микропроцессор с четырьмя входами, первый и второй шинные формирователи, адресную шину, оперативное и постоянное запоминающие устройства, генератор тактовой частоты, таймер, шину данных, интерфейс с тремя входами, аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи, причем первый вход микропроцессора через первый шинный формирователь и адресную шину связан с оперативным и постоянным запоминающими устройствами, второй и третий входы микропроцессора соединены соответственно с генератором тактовой частоты и таймером, а четвертый вход микропроцессора через второй шинный формирователь и шину данных связан с первым входом интерфейса, второй и третий входы которого подключены к аналогоцифровому и цифроаналоговому преобразователю, вход аналого-цифрового преобразователя совмещен с входом схемы управления второго электродвигателя, а выход цифроаналогового преобразователя совмещен с ее выходом. [Авторское свидетельство №1601539, МКИ: G 01 M 15/00 от 21.08.87, авторы В.В.Куприянчик и В.В.Геращенко].
Недостатком стенда является то, что в реостате при нагружении электропривода гасится электрическая энергия и ресурсосберегающие показатели крайне низкие, что особенно актуально при больших мощностях тягового электропривода, достигающих нескольких тысяч киловатт.
Известно устройство для испытания тягового электропривода транспортного средства, которое содержит включенные по системе генератор - двигатель - нагрузочные машины постоянного тока с независимым возбуждением, одна из которых механически связана с испытуемым тяговым электродвигателем, а другая - с электромеханическим преобразователем энергии, причем обмотка возбуждения другой нагрузочной машины подключена к регулятору тока возбуждения с блоком управления, к входу которого подключен выход датчика момента испытуемого тягового электродвигателя. Оно снабжено регулятором напряжения, а электромеханический преобразователь энергии выполнен в виде асинхронной машины с коротко замкнутым ротором, обмотка статора которого соединена с выходами регулятора напряжения. [Авторское свидетельство №1414677, МКИ: B 60 L 11/04 от 21.08.87, авторы М.И.Аронов, В.А.Когон и Н.И.Шпик].
Недостатками устройства является низкая рекуперация энергии в сеть переменного тока при нагрузочных испытаниях.
Данное техническое решение выбрано авторами в качестве прототипа.
Техническим результатом является повышение надежности и возврата рекуперируемой энергии при нагрузочных испытаниях тягового генератора транспортного средства, имитирующих реальные режимы работы в установившихся и переходных процессах.
Технический результат достигается тем, что в стенд для испытаний тягового электропривода транспортного средства, содержащим дизель, сочлененным валом с тяговым генератором, обмотка возбуждения которого получает питание от управляемого возбудителя, в схему дополнительно включены N таймеров, N усилителей мощности, суммирующий операционный усилитель с N входами, N резисторов, устройство сброса таймеров, формирователь импульсов с пусковым устройством, реверсивный тиристорный преобразователь, с помощью
которого энергия постоянного тока, вырабатываемая тяговым электроприводом транспортного средства, преобразовывается и возвращается сеть переменного тока, выход которого подсоединен к якорным зажимам тягового генератора, выход каждого таймера подсоединен ко входу усилителя мощности, выход каждого усилителя мощности посредством резистора подключен ко входу суммирующего операционного усилителя, связанного выходом со входом реверсивного тиристорного преобразователя, выход предыдущего таймера присоединен ко входу последующего таймера и соответственно до N таймера, установочные входы всех N таймеров подсоединены к выходу устройством сброса таймеров, вход первого таймера связан с выходом формирователя импульсов, который по входу через пусковое устройство соединен с зажимом источника питания, а число N элементов определяется числом участков нагружения тягового генератора с фиксированными нагрузками при длительных воздействиях, имитирующих реальные режимы работы тягового электродвигателя, надежность повышается за счет исключения вращающихся деталей, в частности асинхронной машины.
На фиг.1 представлена принципиальная схема стенда для испытаний тягового электропривода транспортного средства. Стенд для испытаний тягового электропривода транспортного средства состоит из дизеля 1, соединенного валом с тяговым генератором 2. Обмотка возбуждения 3 тягового генератора получает питание от управляемого возбудителя 4. Тяговый генератор соединен с реверсивным тиристорным преобразователем 5. Выход первого таймера 6 соединен соединен со входом второго таймера 7, выход которого соединен со входом N-го таймера 8. Выход первого таймера соединен со входом первого усилителя мощности 9, выход второго - со входом второго усилителя мощности 10, выход N-го таймера - со входом N-го усилителя мощности 11. Выход суммирующего операционного усилителя
12 соединен с реверсивным тиристорным преобразователем. Входы всех таймеров объединены и подключены к входу устройства сброса таймеров 13. Вход формирователя импульсов 14 через пусковое устройство 15 соединен с зажимом источника питания. Выход каждого усилителя мощности соединен соответственно со своим резистором 16, 17, 18, выходы которых соединены со входом суммирующего операционного усилителя. Выход суммирующего операционного усилителя со входом связан через сопротивление обратной связи 19, что необходимо для установки коэффициента усиления.
Стенд работает следующим образом.
H.G
При проведении испытаний тягового электропривода транспортного средства (фиг.1). Заметим, что на стенде может проходить испытание как дизель 1, так и тяговый генератор 2 при планово-предупредительных длительных нагрузочных испытаниях. Регулировочные режимы двигателя 1 приводят к изменению скорости вращения его вала, а, следовательно, и выходного напряжения тягового генератора 2, что в сою очередь будет определять входное напряжение реверсивного тиристорного преобразователя 5 для его работы в инверторном режиме при нагружении тягового генератора I. Перед началом испытаний дизель 1 запускается по штатной схеме транспортного средства, находящегося в непосредственной близости от стенда с минимальным скоростным режимом вращения вала. При этом тяговый генератор развивает свое выходное напряжение в соответствии со скоростным режимом вращения вала и током возбуждения в обмотке тягового генератора. Для нагружения электропривода, а, следовательно, и дизеля, с рекуперацией энергии в сеть происходит перевод реверсивного тиристорного преобразователя в инверторный режим. При работе реверсивного тиристорного преобразователя в инверторном режиме при углах запаздывания открывания а, отсчитываемым от точки естественного открывания, больше
1
1
90° (α>π/2) система электропривода работает в режиме рекуперативного торможения, когда генерируемая электрической машиной энергия постоянного тока преобразуется вентильным преобразователем в энергию переменного тока и передается в питающую сеть. Вентильный преобразователь при этом работает в режиме инвертирования, характерной чертой которого является то обстоятельство, что ток в обмотках трансформатора (точнее, в цепи источника переменного тока) в течение большей части периода проводимости вентилей направлен навстречу с э.д.с. этих обмоток и протекает под действием э.д.с. действующей в цепи выпрямленного тока, в данном случае э.д.с. электрической машины Е. Последнее обуславливает верхний предел изменения угла запаздывания открывания вентиля. Действительно, если к моменту времени, характеризуемому углом Θ, отстоящим от точки естественного открывания вентиля на π+2π/m ток в очередном работающем вентиле не спадет до нуля и вентиль не будет надежно закрыт, то в последующий момент времени (ωt>Θ), напряжение на этом вентиле будет определяться арифметической суммой э.д.с. электрической машины Е и э.д.с. соответствующей фазы источника переменного тока. При этом происходит так называемое «опрокидывание инвертора», когда значения токов в цепях вентилей в несколько раз превышают значения токов в рабочем режиме, так как в последнем случае на вентиле определяется арифметической разностью указанных э.д.с. Большие броски могут привести к выходу из строя вентильного преобразователя и в первую очередь самих вентилей, в связи с чем опрокидывание инвертора является аварийным режимом.
1
С целью исключения возможности возникновения такого режима необходимо, прежде всего ограничить угол запаздывания открытия вентилей, для того чтобы при длительности протекания тока λ=2π/m+γ его значение упало до нуля при ωt<Θ, необходимо
max
1
α<Θ-λ=π-γ
Приведенное соотношение не является достаточным для обеспечения надежного инвертирования, так как после прекращения тока в вентиле необходимо время восстановления его запирающих свойств, характеризующееся углом δ. Поэтому
max
α≤=π-(γ+δ)
Для тиристоров время восстановления запирающих свойств не превышает 150 мкс, соответственно δ≈3°.
Часто при анализе работы преобразователя в режиме инвертирования пользуются понятием угла опережения открытия вентиля, равного
β=π-α
Рассмотренное выше ограничение угла регулирования по отношению к углу опережения открытия может быть записано в виде
min
β≥γ+δ
BX
BX1
H1.G
BX1
1
Ограничение угла управления вентильным преобразователем производит, естественно, и к ограничению преобразовательной э.д.с. электрической машины, работающей в генераторном режиме, и ее угловой скорости в режиме идеального холостого хода. Во время инвертирования входное напряжение U преобразователя устанавливается значением U, обеспечивающие нагружение тягового генератора минимальным током I. Напряжение U, получается от первого усилителя мощности 9 после преобразования суммирующим операционным усилителем 12 с использование сопротивления обратной связи 19. Регулировка тока нагрузки осуществляется с помощью первого усилителя мощности 9. С начала нагружения тягового генератора формируется регулируемая выдержка времени t первым таймером 6. Перед началом испытаний с помощью устройства сброса таймеров 13 таймера стенда 6-8 приводятся в нулевое положение. Включением пускового устройства 15 запускается формирователь импульсов 14 на запуск первого таймера 6. Отсчитав
1-0
2
1
BX
ВХ.2
H2.G
BX.2
H2.G
1-0
2
1
N
2
N
2
BX
HN.G
первую выдержку времени t выключается первый таймер 6, запуская второй таймер 7 в работу по его входу. Начинается формирование вторым таймером 7 регулируемой выдержки времени t-t. На этом временном интервале с помощью второго усилителя мощности 10 и суммирующего операционного усилителя 12 формируется входное напряжение U значения U для управления реверсивным тиристорным преобразователем 5. При этом тяговый генератор 2 работает с увеличенной по сравнению с предыдущим периодом нагрузкой значением I и реверсивный тиристорный преобразователь 5 отдает рекуперируемую энергию в сеть. Регулирование потенциала ивх.2 осуществляется вторым усилителем мощности 10 после преобразования суммирующим операционным усилителем 12. Регулирование U приводит к установке регулируемого тока нагрузки I. Следовательно, на каждом временном интервале t, t-t, t-...t работает один соответствующий таймер, причем команда на начало работы последующего таймера дает предыдущий таймер с окончанием формирования его выдержки времени. Аналогично производится формирование регулируемой выдержки времени на всех последующих интервалах, включая t...-t с установкой на них необходимых величин U в соответствии с требуемой нагрузкой I тягового генератора с возвратом рекуперируемой энергии в сеть переменного тока. По окончании режима нагружения тягового электропривода устройство переходит в первоначальное состояние - когда все таймера отключены и входное напряжение снято с реверсивного тиристорного преобразователя 5.
Предлагаемый стенд способствует более рациональному использованию топливо-энергетических ресурсов при проведении планово-предупредительных и послеремонтных нагрузочных испытаний тепловоза за счет преобразования электрической энергии постоянного
тока, вырабатываемой дизель-генераторной установкой, в электрическую энергию переменного тока промышленной частоты и передачей ее на подстанцию, с последующим использованием на необходимые нужды депо, по сравнению с существующими аналогами, на которых вырабатываемая электрическая энергия гасится на водяных реостатах. В связи с этим происходит экономия электрической энергии получаемой от внешних источников. Еще одним положительным эффектом данного стенда является исключение из прототипа за счет исключения вращающихся деталей, в частности асинхронной машины.