ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА
TRACTION DC DRIVE

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта и может быть использовано на транспортных средствах с тяговыми электродвигателями постоянного тока, в частности на маневровых тепловозах с тяговыми электродвигателями постоянного тока.
Известен тяговый электропривод транспортного средства, содержащий тяговые электродвигатели постоянного тока последовательного возбуждения, которые посредством преобразователей постоянного напряжения через входной LC-фильтр подключены к источнику питания, сглаживающие реакторы, включенные последовательно с якорными обмотками тяговых электродвигателей, шунтирующие резисторы, включенные параллельно обмоткам возбуждения тяговых электродвигателей, балластные резисторы с контакторами шунтирования, тормозные резисторы, соединенные последовательно с силовыми полупроводниковыми ключами, регуляторы токов возбуждения, диодные мосты, в диагонали постоянного тока которых включены обмотки возбуждения тяговых электродвигателей, причем параллельно обмоткам возбуждения включены регуляторы токов возбуждения, при этом каждый преобразователь постоянного напряжения состоит из четырех силовых полупроводниковых ключей с обратной проводимостью, соединенных между собой в виде моста, диагональ постоянного тока которого с включенным в нее тормозным резистором и силовым полупроводниковым ключом подключена к входному LC- фильтру, в диагональ переменного тока преобразователя включены соединенные последовательно якорные обмотки тяговых электродвигателей, сглаживающий реактор, балластный резистор с контактором шунтирования и диагональ переменного тока диодного моста (RU, патент на изобретение №2215660 C1, B60L 7/12, опубл. 2003 г.).
Недостатками известного тягового электропривода являются недостаточная надежность, обусловленная сложностью средств регулирования скорости электродвигателей и потерями энергии при ее передаче от электродвигателя.
Известен тяговый электропривод транспортного средства, принятый за прототип, содержащий тяговые электродвигатели постоянного тока последовательного возбуждения, подключенные к выходу преобразователя напряжения, параллельно обмоткам возбуждения тяговых электродвигателей включены регуляторы токов возбуждения, преобразователь напряжения состоит из двух регулируемых тиристорных выпрямителей, входы которых подключены к источнику трехфазного переменного напряжения, а их выходы соединены последовательно и являются выходом преобразователя напряжения, регулятор токов возбуждения выполнен в виде блока резисторов, каждый из которых подключен к обмотке возбуждения тягового электродвигателя через контактор, а через второй контактор параллельно блоку резисторов включен шунтирующий элемент, при этом цепи управления контакторов и входы управления тиристорных выпрямителей подключены к соответствующим выходам контроллера (RU, патент на изобретение №2309057 С2, B60L 9/08, опубл. 2007 г.).
Недостатками тягового электропривода являются недостаточная надежность работы тягового электропривода при обеспечении работы его в расширенном диапазоне скоростей, в том числе в режиме плавного регулирования скорости при глубоком регулировании тиристорных выпрямителей и потере энергии из-за возможной потери синхронизации.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы тягового электропривода при работе тяговых электродвигателей в расширенном диапазоне скоростей, в том числе в режиме плавного регулирования скорости и повышение эффективности за счет исключения потерь энергии при потере синхронизации.
Указанный технический результат достигается тем, что в тяговом электроприводе постоянного тока, содержащем тяговые электродвигатели постоянного тока последовательного возбуждения, подключенные к выходу преобразователя напряжения, параллельно обмоткам возбуждения тяговых электродвигателей включены регуляторы токов возбуждения, выполненные в виде блока резисторов, каждый из которых подключен к обмотке возбуждения соответствующего тягового электродвигателя через контактор; преобразователь напряжения состоит из двух биполярных транзисторов с изолированным затвором, эмиттеры которых соединены вместе и подключены к минусовому выводу источника питания, коллектор каждого из биполярных транзисторов подключен через один контактор к свободному выводу обмотки возбуждения соответствующего тягового электродвигателя, а через второй контактор подключен к свободному выводу обмотки якоря другого тягового электродвигателя, при этом эти же выводы обмоток якорей тяговых электродвигателей с помощью двух поездных контакторов подключены к плюсовому выводу источника питания.
На фиг.1 изображена принципиальная электрическая схема предлагаемого тягового электропривода постоянного тока, на фиг.2 показана таблица возможных комбинаций включения контакторов в различных режимах работы тягового электропривода постоянного тока.
Тяговый электропривод постоянного тока (фиг.1) содержит тяговый электродвигатель Э1 постоянного тока, к якорной обмотке 1 которого подключена его обмотка возбуждения 2, зашунтированная цепью из последовательно соединенных блока 3 резисторов и контактора 4, к общей точке соединения обмотки возбуждения 2 тягового электродвигателя Э1 и контактора 4 подключены последовательно соединенные контактор 5 и первый биполярный транзистор 6 с изолированным затвором. Аналогичная цепь образована последовательно включенными якорной обмоткой 7 другого тягового электродвигателя Э2 постоянного тока, его обмоткой возбуждения 8, зашунтированной цепью из последовательно соединенных блока 9 резисторов и контактора 10, контактором 11 и вторым биполярным транзистором 12 с изолированным затвором. Эмиттеры обоих биполярных транзисторов 6 и 12 соединены вместе и подключены к минусовому выводу источника питания (на фиг.1 не показан), свободные выводы якорных обмоток 1 и 7 тяговых электродвигателей Э1 и Э2 постоянного тока через соответствующие поездные контакторы 13 и 14 подключены к плюсовому выводу источника питания (на фиг.1 не показан).
Общая точка подключения обмотки возбуждения 2 тягового электродвигателя Э1 постоянного тока, контакторов 4 и 5 через контактор 15 подключена к общей точке подключения поездного контактора 14 и якорной обмотки 7 другого тягового электродвигателя Э2 постоянного тока, а общая точка подключения обмотки возбуждения 8 тягового электродвигателя Э2 постоянного тока, контакторов 10 и 11 через контактор 16 подключена к общей точке подключения поездного контактора 13 и якорной обмотки 1 тягового электродвигателя Э1 постоянного тока.
Тяговый электропривод постоянного тока работает следующим образом.
В таблице (фиг.2) показаны возможные комбинации включения контакторов (5, 11, 13, 14, 15 и 16)
В нормальном режиме тяги (режим №1) замкнуты контакторы 13, 14, 5 и 11, с выходов блока управления (на фиг.1 не показан) подаются импульсы управления на затворы первого и второго биполярных транзисторов 6 и 12 с изолированным затвором, коэффициент заполнения которых λ соответствует заданному значению напряжения U на электродвигателях Э1 и Э2 постоянного тока, чем обеспечивают плавное изменение напряжения на тяговых электродвигателях Э1 и Э2 постоянного тока при трогании и во всем диапазоне скоростей движения. Например, напряжение, приложенное к якорной обмотке 1 и обмотке возбуждения 2 тягового электродвигателя Э1 постоянного тока, определяется выражением
дв1
1
U=U·λ,
где: U - напряжение источника питания;
1
λ - коэффициент заполнения управляющих импульсов на затворе первого биполярного транзистора с изолированным затвором.
1
Путем изменения коэффициента заполнения λ от 0 до 1 напряжение на тяговом электродвигателе Э1 изменяется от 0 до U, что обеспечивает плавное регулирование тягового электропривода постоянного тока, аналогично для другого тягового электродвигателя Э2 постоянного тока. При необходимости расширения диапазона скоростей движения включаются контакторы 4 и 10, обеспечивая необходимое ослабление возбуждения обоих тяговых электродвигателей Э1 и Э2 постоянного тока.
При выходе из строя биполярного транзистора 6 с изолированным затвором (режим №2) замыкаются контакторы 13, 15, 11, оба тяговых электродвигателя Э1 и Э2 постоянного тока соединяются последовательно и подключаются к источнику питания по цепи: плюсовой вывод источника питания, поездной контактор 13, якорная обмотка 1 тягового электродвигателя Э1 постоянного тока, его обмотка возбуждения 2, замкнутые контакты контактора 15, якорная обмотка 7 другого тягового электродвигателя Э2 постоянного тока, его обмотка возбуждения 8, замкнутые контакты контактора 11, второй биполярный транзистор 12 с изолированным затвором, минусовой вывод источника питания.
При выходе из строя биполярного транзистора 12 с изолированным затвором (режим №3) замыкаются контакторы 14, 16, 5, оба тяговых электродвигателя Э1 и Э2 постоянного тока соединяются последовательно и подключаются к источнику питания по цепи: плюсовой вывод источника питания, поездной контактор 14, якорная обмотка 7 тягового электродвигателя Э2 постоянного тока, его обмотка возбуждения 8, замкнутые контакты контактора 16, якорная обмотка 1 тягового электродвигателя Э1 постоянного тока, его обмотка возбуждения 2, замкнутые контакты контактора 5, первый биполярный транзистор 6 с изолированным затвором, минусовой вывод источника питания.
В режимах №2 и №3 напряжение, приложенное к якорным обмоткам и обмоткам возбуждения обоих тяговых электродвигателей Э1 и Э2 постоянного тока, соединенных последовательно, определяется выражением
дв1,2
U=U·λ,
где: U - напряжение источника питания;
λ - коэффициент заполнения управляющих импульсов на затворе работающего биполярного транзистора с изолированным затвором.
Путем изменения коэффициента заполнения λ от 0 до 1 напряжение на последовательно соединенных тяговых электродвигателях Э1 и Э2 изменяется от 0 до U, что обеспечивает плавное регулирование тягового электропривода постоянного тока. При необходимости расширения диапазона скоростей движения включаются контакторы 4 и 10, обеспечивая необходимое ослабление возбуждения обоих тяговых электродвигателей Э1 и Э2 постоянного тока.
При выходе из строя одного из тяговых электродвигателей Э1 или Э2 постоянного тока (режимы №4 и №5) к источнику питания подключается только исправный тяговый электродвигатель постоянного тока, например, при выходе из строя тягового электродвигателя Э1 цепи питания другого тягового электродвигателя Э2 образуются путем включения контакторов 14 и 11: плюсовой вывод источника питания, поездной контактор 14, якорная обмотка 7 тягового электродвигателя Э2 постоянного тока, его обмотка возбуждения 8, замкнутые контакты контактора 11, второй биполярный транзистор 12 с изолированным затвором, минусовой вывод источника питания, при этом напряжение, приложенное к якорной обмотке 7 и обмотке возбуждения 8 тягового электродвигателя Э2 постоянного тока, определяется выражением
дв2
2
U=U·λ,
где: U - напряжение источника питания;
2
2
λ - коэффициент заполнения управляющих импульсов на затворе второго биполярного транзистора с изолированным затвором. Путем изменения коэффициента заполнения λ от 0 до 1 напряжение на тяговом электродвигателе Э2 постоянного тока изменяется от 0 до U, что обеспечивает плавное регулирование тягового электропривода постоянного тока. При необходимости расширения диапазона скоростей движения включаются контактор 10, обеспечивая необходимое ослабление возбуждения тягового электродвигателя Э2 постоянного тока.
Тяговый электропривод постоянного тока реализован на опытном образце маневрового тепловоза и показал положительные результаты.