ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
TRACTION MOTOR FOR TRANSPORT FACILITY

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, в частности к электрическим тяговым системам транспортных средств с питанием от собственных источников энергоснабжения, например, тепловозов, гибридных локомотивов, самоходных путевых машин с двигателями постоянного тока.
Известно устройство регулирования тягового, содержащее тяговый электродвигатель постоянного тока, якорная обмотка и обмотка возбуждения которого подключены посредством разделительного диода, элементов П-образного C-R-C фильтра и преобразователя напряжения, представляющего собой электрический мост, плечи которого образованы шестью транзисторами, шунтированными обратными диодами, к первому и второму выводам контактной сети, балластный резистор и обратный диод. При этом обмотка якоря включена между средними точками двух смежных плеч моста, содержащих по два транзистора, а обмотка возбуждения - между выводами выходной диагонали моста, балластный резистор шунтирован обратным диодом и включен посредством седьмого транзистора между средней точкой первого из указанных смежных плеч моста и вторым выводом контактной сети. В этом устройстве регулирование напряжения якорной обмотки электродвигателя в процессе разгона транспортного средства осуществляется изменением скважности регулирования транзистора, включенного в то или иное, в зависимости от направления движения, плечо моста. Ослабление магнитного потока электродвигателя для обеспечения его работы в диапазоне высоких скоростей движения осуществляется изменением скважности регулирования транзистора, установленного в цепи, параллельной цепи, содержащей обмотку возбуждения электродвигателя. При электрическом торможении и наличии подключенного к контактной сети потребителя энергия, вырабатываемая в электродвигателе в этом режиме, передается через резистор фильтра в контактную сеть, а при отсутствии потребителя - в балластный резистор электропривода (RU, Патент на полезную модель №50061, МПК Н02Р 1/00, Н02Р 3/00, B60L 9/00 опубл. 2005 г.).
Основной недостаток рассматриваемого устройства регулирования заключается в невозможности полезного использования мощности, вырабатываемой электродвигателем в процессе электрического торможения, при отсутствии подключенного к контактной сети потребителя энергии. Кроме того, транспортное средство с рассматриваемым устройством регулирования тягового электропривода не может двигаться, даже кратковременно, в тяговом режиме при отсутствии напряжения в контактной сети, что снижает его маневренность и сужает область применения.
Известно устройство регулирования тягового электропривода постоянного тока, принятое за прототип, содержащее тяговый электродвигатель постоянного тока, якорная обмотка и обмотка возбуждения которого подключены посредством разделительного диода, элементов П-образного C-R-C фильтра и преобразователя напряжения, представляющего собой электрический мост, плечи которого образованы шестью транзисторами, шунтированными обратными диодами, к первому и второму выводам источника энергоснабжения, например, контактной сети железной дороги, причем обмотка якоря тягового электродвигателя постоянного тока включена между средними точками двух смежных плеч моста, содержащих по два транзистора, а обмотка возбуждения - между выводами выходной диагонали моста, балластный резистор, соединенный с обратным диодом и включенный посредством седьмого транзистора между средней точкой первого из двух указанных смежных плеч моста и вторым выводом источника энергоснабжения, достигается за счет того, что оно дополнительно снабжено восьмым транзистором, шунтированным соответствующим обратным диодом, и двумя диодами.
При этом первый вывод входного конденсатора фильтра соединен с первым выводом контактной сети посредством разделительного диода, подключенного при этом ко входному конденсатору своим катодом, второй вывод резистора фильтра соединен с первым выводом выходного конденсатора, выполняющего роль накопителя энергии, посредством первого дополнительного диода, соединенного при этом своим катодом с выходным конденсатором и анодом обратного диода, соединенного своим катодом с катодом разделительного диода, а балластный резистор включен в цепь между средней точкой первого из указанных плеч моста и вторым выводом контактной сети посредством второго дополнительного диода, соединенного при этом своим катодом с первым выводом балластного резистора, соединенного своим вторым выводом с первым выводом выходного конденсатора, второй вывод которого посредством седьмого транзистора соединен со вторым выводом контактной сети, а восьмой транзистор включен между вторым выводом резистора фильтра и вторым выводом контактной сети (RU, Патент №2322751, кл. Н02Р 7/298, Н02Р 3/14, B60L 9/12, B60L 7/10 опубл. 2008 г.).
Недостатком устройства является невозможность рекуперации энергии торможения в источник питания, в данном случае в контактную сеть постоянного тока железной дороги, что существенно снижает его энергосберегающие свойства, невозможность длительной автономной работы тягового электропривода с выходным конденсатором в качестве накопителя энергии, что затрудняет расширение его функциональных возможностей для использования в условиях с повышенными экологическими требованиями, например, в закрытых помещениях.
Техническим результатом реализации предлагаемого изобретения является повышение энергосберегающих свойств тягового электропривода за счет возможности возврата части энергии торможения в дизель-генераторную установку кроме накопителя энергии, что позволит сэкономить дизельное топливо, расходуемое на преодоление механических потерь в дизеле и на привод вспомогательных нагрузок. При использовании в качестве накопителя энергии аккумуляторной батареи вместо конденсатора за счет существенно большей энергоемкости обеспечивается расширение функциональных возможностей для использования в условиях с повышенными экологическими требованиями, например, в закрытых помещениях.
Технический результат достигается тем, что в тяговом электроприводе транспортного средства, содержащем источник электроснабжения, не менее одного тягового электродвигателя постоянного тока, преобразователь напряжения, представляющий собой электрический мост, плечи которого образованы шестью транзисторами, шунтированными шестью обратными диодами, причем обмотка якоря тягового электродвигателя включена между средними точками двух смежных плеч моста, содержащими по два транзистора, а обмотка возбуждения тягового электродвигателя - между выводами выходной диагонали моста, дополнительный диод, подключеный анодом к общей точке соединения эмиттера первого, коллектора второго транзисторов, анода первого обратного диода и катода второго обратного диода и положительного вывода обмотки якоря тягового электродвигателя, причем отрицательный вывод обмотки якоря тягового электродвигателя подключен к общей точке соединения эмиттера третьего и коллектора четвертого транзисторов, анода третьего обратного диода и катода четвертого обратного диода, разделительный диод, подключенный своим катодом к положительному выводу входной диагонали электрического моста, седьмой транзистор, шунтированный седьмым обратным диодом, восьмой обратный диод, накопитель энергии, подключенный положительным выводом к аноду восьмого обратного диода, а отрицательным выводом к коллектору седьмого транзистора, эмиттер которого соединен с отрицательным выводом входной диагонали электрического моста, катод восьмого обратного диода подключен к положительному выводу входной диагонали электрического моста, источник электроснабжения выполнен в виде дизель-генераторной установки, состоящей из дизеля и тягового генератора постоянного тока, причем тяговый электропривод снабжен восьмым транзистором и тормозным резистором, соединенным последовательно и шунтирующим разделительный диод, катод дополнительного диода подключен к общей точке соединения положительного вывода накопителя энергии и анода восьмого обратного диода, а общая точка соединения анода разделительного диода и эмиттера восьмого транзистора подключена к положительному выводу тягового генератора постоянного тока, при этом отрицательный вывод тягового генератора подключен к минусовому выводу входной диагонали электрического моста.
На чертеже представлена электрическая схемы предлагаемого тягового электропривода транспортного средства.
Тяговый электропривод транспортного средства содержит источник энергоснабжения, не менее одного тягового электродвигателя постоянного тока, состоящий из якорной обмотки 1 тягового электродвигателя и обмотки 2 возбуждения тягового электродвигателя, которые подключены к элементам преобразователя напряжения, схема которого представляет собой электрический мост, плечи которого образованы шестью транзисторами, шунтированными шестью обратными диодами, причем первые два смежных плеча электрического моста образованы первым - 3, вторым- 4, третьим - 5 и четвертым - 6 транзисторами, шунтированными соответственно первым - 7, вторым - 8, третьим - 9 и четвертым - 10 обратными диодами, а вторые два смежных плеча моста образованы пятым - 11 и шестым 12 транзисторами, шунтированными соответственно пятым - 13 и шестым - 14 обратными диодами. Дополнительный диод 15 подключен своим анодом к общей точке соединения эмиттера первого транзистора 3, коллектора второго транзистора 4, анода первого обратного диода 7, катода второго обратного диода 8 и положительного вывода обмотки якоря 1 тягового электродвигателя постоянного тока, образующей среднюю точку первого смежного плеча, отрицательный вывод обмотки якоря 1 тягового электродвигателя постоянного тока подключен к общей точке соединения эмиттера третьего транзистора 5, коллектора четвертого транзистора 6, анода третьего обратного диода 9 и катода четвертого обратного диода 10, образующей среднюю точку второго смежного плеча. Разделительный диод 16 подключен своим катодом к положительному выводу входной диагонали электрического моста, образованному соединением коллекторов первого 3 и пятого 11 транзисторов и катодами первого 7 и пятого 13 обратных диодов. Коллектор седьмого транзистора 17, зашунтированного седьмым обратным диодом 18, подключен к отрицательному выводу накопителя энергии 19, эмиттер седьмого транзистора 17 подключен к отрицательному выводу входной диагонали электрического моста. Тяговый электропривод транспортного средства снабжен восьмым обратным диодом 20, источник энергоснабжения выполнен в виде дизель-генераторной установки, состоящей из дизеля 21 и механически соединенного с ним тягового генератора 22 постоянного тока, снабжен восьмым транзистором 23 и тормозным резистором 24, соединенным последовательно и шунтирующим разделительный диод 16, при этом общая точка соединения анода разделительного диода 16 и эмиттера восьмого транзистора 23 подключена к положительному выводу тягового генератора 22 постоянного тока, отрицательный вывод тягового генератора 22 постоянного тока подключен к отрицательному выводу входной диагонали электрического моста, образованного соединением эмиттеров четвертого и шестого транзисторов 6 и 12, и анодами четвертого и шестого обратных диодов 10 и 14, катод дополнительного диода 15 подключен к общей точке соединения положительного вывода накопителя энергии 19 и анода восьмого обратного диода 20, катод которого подключен к положительному выводу входной диагонали электрического моста.
Накопитель энергии 19 может быть выполнен в виде конденсатора или аккумуляторной батареи.
Обмотка возбуждения 2 тягового электродвигателя подключена к выходной диагонали моста, один из выводов которой образован соединением эмиттера второго транзистора 4, коллектором третьего транзистора 5, анодом второго обратного диода 8 и катодом третьего обратного диода 9, а другой вывод выходной диагонали моста образован соединением эмиттера пятого транзистора 11, коллектором шестого транзистора 12, анодом пятого обратного диода 13 и катодом шестого обратного диода 14.
Тяговый электропривод транспортного средства работает следующим образом.
В тяговом режиме при величине напряжения на накопителе энергии 19 меньшей величины напряжения тягового генератора 22 постоянного тока к входной диагонали электрического моста приложено, посредством разделительного диода 16, напряжение тягового генератора 22 постоянного тока. К восьмому обратному диоду 20 приложена запирающая его разность напряжений тягового генератора 22 и накопителя энергии 19. При движении вперед в режиме полного магнитного потока первый транзистор 3 постоянно включен, а шестым транзистором 12 осуществляется регулирование напряжения, прикладываемого к якорной обмотке 1 тягового электродвигателя и соединенной с ней последовательно посредством третьего обратного диода 9 обмотке 2 возбуждения тягового электродвигателя. Одновременно с этим путем включения седьмого транзистора 17 осуществляется заряд накопителя энергии 19. При включенном состоянии шестого транзистора 12 ток протекает по цепи: плюс тягового генератора 22 постоянного тока - разделительный диод 16 - первый транзистор 3 - якорная обмотка 1 тягового электродвигателя - третий обратный диод 9 - обмотка 2 возбуждения тягового электродвигателя - шестой транзистор 12 - минус тягового генератора 22 постоянного тока. При выключенном состоянии шестого транзистора 12 ток якорной обмотки 1 тягового электродвигателя и обмотки 2 возбуждения тягового электродвигателя протекает по цепи: якорная обмотка 1 тягового электродвигателя - третий обратный диод 9 - обмотка 2 возбуждения - пятый обратный диод 13 - первый транзистор 3 - якорная обмотка 1 тягового электродвигателя.
При постоянстве заданного значения тока в цепи якорной обмотки 1 тягового электродвигателя с увеличением скорости движения скважность регулирования шестого транзистора 12 также увеличивается, и при определенной скорости шестой транзистор 12 открывается полностью. Дальнейшее поддержание заданной величины тока якорной обмотки 1 тягового электродвигателя осуществляется ослаблением магнитного потока электродвигателя посредством изменения скважности регулирования четвертого транзистора 6. При включенном состоянии четвертого транзистора 6 ток якорной обмотки 1 тягового электродвигателя замыкается по цепи: плюс тягового генератора 22 постоянного тока, - разделительный диод 16 - первый транзистор 3 - якорная обмотка 1 тягового электродвигателя - второй транзистор 6 - минус тягового генератора 22 постоянного тока, а ток в обмотке 2 возбуждения тягового электродвигателя замыкается по цепи: обмотка 2 возбуждения тягового электродвигателя - шестой транзистор 12 - второй транзистор 6 - третий обратный диод 9 - обмотка 2 возбуждения тягового электродвигателя, при этом уменьшаясь с постоянной времени этой цепи.
В этом режиме по четвертому транзистору 6 протекает разность тока якоря и тока возбуждения тягового электродвигателя. При выключенном состоянии четвертого транзистора 6 составляющая тока якорной обмотки 1 тягового электродвигателя, равная току обмотки 2 возбуждения тягового электродвигателя, протекает по цепи: плюс тягового генератора 22 постоянного тока - разделительный диод 16 - первый транзистор 3 -якорная обмотка 1 тягового электродвигателя - третий обратный диод 9 - обмотка 2 возбуждения тягового электродвигателя - шестой транзистор 12 - минус тягового генератора 22 постоянного тока, а составляющая, равная разности между током якорной обмотки 1 тягового электродвигателя и током обмотки 2 возбуждения тягового электродвигателя, протекает по цепи: якорная обмотка 1 тягового электродвигателя - третий обратный диод 9 - второй обратный диод 8 - якорная обмотка 1 тягового электродвигателя.
При работе в рассматриваемом режиме величина отношения среднего значения тока обмотки 2 возбуждения тягового электродвигателя к среднему значению тока якорной обмотки 1 тягового электродвигателя при увеличении скважности регулирования четвертого транзистора 6 уменьшается.
При движении тягового электропривода транспортного средства в тяговом режиме и величине напряжения на накопителе энергии 19 существенно большей величины напряжения тягового генератора 22 постоянного тока, при движении с неработающей дизель-генераторной установкой при работе, например, в закрытых помещениях, к входным выводам преобразователя напряжения посредством восьмого обратного диода 20 приложено напряжение накопителя энергии 19. К разделительному диоду 16 при этом приложена запирающая его разность напряжений тягового генератора 22 постоянного тока и накопителя энергии 19. При этом работа устройства в тяговом режиме аналогична описанной выше с той лишь разницей, что при этом ток, потребляемый преобразователем, замыкается не по цепи: плюс тягового генератора 22 постоянного тока, разделительный диод 16, а по цепи: седьмой обратный диод 18 - накопитель энергии 19 - восьмой обратный диод 20.
При работе тягового электропривода транспортного средства в тяговом режиме и величине напряжения на накопителе энергии 19, близкой к величине напряжения тягового генератора 22 постоянного тока, разделительный диод 16 и восьмой обратный диод 20 находятся в открытых состояниях. При этом из тягового генератора 22 постоянного тока и накопителя энергии 19 потребляются токи, соотношение между которыми определяется соотношением внутренних сопротивлений этих источников питания.
При движении тягового электропривода транспортного средства вперед в тормозном режиме постоянно включен шестой транзистор 12 и седьмой транзистор 17, а регулированием скважности работы второго транзистора 4 обеспечивается величина тока в обмотке 2 возбуждения тягового электродвигателя, требуемая для поддержания заданной величины тока в якорной обмотке 1 тягового электродвигателя. При этом в диапазоне скоростей, где величина тока возбуждения меньше величины тока якоря, при включенном втором транзисторе 4 составляющая тока якорной обмотки 1 тягового электродвигателя, равная току обмотки 2 возбуждения тягового электродвигателя, протекает по цепи: якорная обмотка 1 тягового электродвигателя - второй транзистор 4 - обмотка 2 возбуждения тягового электродвигателя - шестой транзистор 12 - четвертый обратный диод 10 - якорная обмотка 1 тягового электродвигателя. Составляющая тока якоря, равная разности между током якорной обмотки 1 тягового электродвигателя и током обмотки 2 возбуждения тягового электродвигателя, замыкается по цепи, включающей в себя накопитель энергии 19, седьмой транзистор 17, четвертый обратный диод 10, якорную обмотку 1 тягового электродвигателя и дополнительный диод 15. При этом в накопителе энергии 19 накапливается часть энергии, вырабатываемой в электродвигателе в процессе торможения. Другая часть энергии торможения при включенном восьмом транзисторе 23 может быть рассеяна частично в виде тепла на тормозном резисторе 24 и частично возвращена в дизель-генераторную установку и израсходована на компенсацию механических потерь в дизеле 21 и его вспомогательных нагрузках (на чертеже не показаны), тяговый генератор 22 в этом режиме переводится в двигательный режим. За счет того, что часть крутящего момента берет на себя тяговый генератор 22, работающий в режиме электродвигателя независимого возбуждения, дизель 21 посредством регулятора (на чертежах не показан) для поддержания дизель-генераторной установки в состоянии механического равновесия уменьшает свой крутящий момент путем снижения подачи дизельного топлива, чем обеспечивается повышение энергосберегающих свойств тягового электропривода транспортного средства.
При выключенном состоянии второго транзистора 4 по цепям, первая из которых включает в себя накопитель энергии 19, седьмой транзистор 17, четвертый обратный диод 10, якорную обмотку 1 тягового электродвигателя, дополнительный диод 15, а вторая включает в себя первый обратный диод 7, тормозной резистор 24, восьмой транзистор 23, тяговый генератор 22 постоянного тока, четвертый обратный диод 10 замыкается весь ток, протекающий по якорной обмотке 1 тягового электродвигателя. Ток обмотки 2 возбуждения тягового электродвигателя при этом замыкается по цепи: обмотка 2 возбуждения тягового электродвигателя - транзистор 12 - обратные диоды 10 и 9.
В рассматриваемом режиме величина отношения среднего значения тока обмотки 2 возбуждения тягового электродвигателя к среднему значению тока якорной обмотки 1 тягового электродвигателя при увеличении скважности регулирования второго транзистора 4 увеличивается.
С уменьшением скорости движения транспортного средства и постоянном значении тока в цепи якорной обмотки 1 тягового электродвигателя, регулируемом посредством изменения тока в обмотке 2 возбуждения тягового электродвигателя, последний увеличивается и при определенной скорости становится равным току в якорной обмотке 1 тягового электродвигателя. В этом режиме работы электропривода и режимах, соответствующих меньшим значениям скоростей, при включенном состоянии второго транзистора 4 ток якорной обмотки 1 тягового электродвигателя и ток обмотки 2 возбуждения тягового электродвигателя замыкаются по контуру: якорная обмотка 1 тягового электродвигателя - второй транзистор 4 - обмотка 2 возбуждения тягового электродвигателя - шестой транзистор 12 - четвертый обратный диод 10 - якорная обмотка 1 тягового электродвигателя, а при выключенном состоянии второго транзистора 4 контуры замыкания указанных токов такие же, как и в рассмотренном выше режиме торможения при высоких скоростях движения.
При дальнейшем уменьшении скорости скважность регулирования второго транзистора 4 увеличивается и при определенной скорости, при которой ЭДС якорной обмотки 1 тягового электродвигателя становится равной суммарному падению напряжения на элементах цепи: якорная обмотка 1 тягового электродвигателя - второй транзистор 4 - обмотка 2 возбуждения тягового электродвигателя - шестой транзистор 12 - четвертый обратный диод 10 - якорная обмотка 1 тягового электродвигателя, второй транзистор 4 открывается полностью. Мощность, вырабатываемая электродвигателем в этом режиме, не передается во внешние цепи, а гасится на активных сопротивлениях внутренних электрических цепей тягового электродвигателя. При дальнейшем снижении скорости токи якорной обмотки 1 тягового электродвигателя и обмотки 2 возбуждения тягового электродвигателя уменьшаются пропорционально уменьшению скорости.
Если в процессе торможения значение напряжения на накопителе энергии 19 повышается до его предельно допустимого значения, то выключается седьмой транзистор 17 (по сигналу соответствующего датчика, на схеме не показан) и включается восьмой транзистор 23, посредством которого обеспечивается контур замыкания тока якорной обмотки 1 тягового электродвигателя через тормозной резистор 24 и тяговый генератор 22 постоянного тока и, тем самым осуществляется передача в них и далее в дизель 21 энергии, вырабатываемой в тяговом электродвигателе в процессе торможения. За счет регулирования напряжения тягового генератора 22 постоянного тока (цепи на чертежах не показаны), передача энергии в дизель 21 ограничивается (тяговый генератор 22 постоянного тока при этом работает в двигательном режиме).
При движении назад работа тягового электропривода транспортного средства аналогична его работе при движении вперед с той лишь разницей, что в тяговом режиме постоянно включен четвертый транзистор 6, а регулирование напряжения осуществляется пятым транзистором 11. При движении назад в режиме торможения постоянно включен пятый транзистор 11, а регулирование тока обмотки 2 возбуждения тягового электродвигателя осуществляется третьим транзистором 5.
Предлагаемое изобретение позволит обеспечить повышение энергосберегающих свойств тягового электропривода транспортного средства за счет возможности возврата части энергии торможения в дизель-генераторную установку кроме накопителя энергии, что позволит сэкономить дизельное топливо, расходуемое на преодоление механических потерь в дизеле и на привод вспомогательных нагрузок. При использовании в качестве накопителя энергии аккумуляторной батареи вместо конденсатора за счет существенно большей энергоемкости обеспечивается расширение функциональных возможностей для использования в условиях с повышенными экологическими требованиями, например, в закрытых помещениях.