ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Полезная модель относится к области железнодорожного транспорта и может быть использована на транспортных средствах с тяговыми электродвигателями постоянного тока, в частности, на магистральных тепловозах.
Известен тяговый электропривод тепловоза 2ТЭ116У, принятый за прототип, содержащий тяговый синхронный генератор с двумя статорными трехфазными обмотками, к которым подключены шесть управляемых трехфазных мостовых выпрямителей по числу тяговых электродвигателей постоянного тока с последовательным возбуждением, поездные контакторы, тормозные резисторы, тормозной переключатель с тремя группами коммутационных элементов и систему управления. Каждый тяговый электродвигатель постоянного тока подключен к выходу трехфазного мостового выпрямителя через коммутационные элементы, которые в тормозном режиме отключают электродвигатель от выпрямителя и замыкают его якорную обмотку на тормозной резистор, а обмотки возбуждения всех тяговых электродвигателей соединяют последовательно и подключают к одному из выпрямителей (Бабков Ю.В., Ким С.И., Сергеев С.В. и др. Система МСУ-ТП на тепловозе 2ТЭ116У. - «Локомотив», №4, 2009. - с. 14-18).
Особенность работы данного устройства заключается в том, что в режиме тяги все тиристорные мостовые выпрямители работают как диодные, т.к. сдвиг импульсов включения тиристоров равен нулю. При боксовании оси угол сдвига импульсов включения тиристоров увеличивается до 40 эл. град., в результате чего выходное напряжение выпрямителя уменьшается на 23%. Двигатель боксующей оси замедляется, что способствует восстановлению сцепления колес с рельсами.
В режиме электрического торможения пять из шести трехфазных мостовых выпрямителей отключаются, а один выпрямитель питает последовательно соединенные обмотки возбуждения всех шести тяговых электродвигателей, якорные обмотки которых при этом включены на индивидуальные тормозные резисторы.
Таким образом, использование в прототипе шести управляемых трехфазных мостовых выпрямителей, и, следовательно, 36 тиристоров, 36 импульсных узлов с высоким уровнем потенциального разделения и 36 каналов управления, является существенным недостатком прототипа, т.к приводит к увеличению стоимости устройства и снижению его надежности, обусловливает значительные потери энергии в тиристорах и в многоканальной системе управления.
Задачей заявляемой полезной модели является усовершенствование тягового электропривода транспортного средства за счет выполнения отключаемых в режиме торможения трехфазных мостовых выпрямителей тиристорно-диодными, а выпрямителя, питающего в режиме торможения последовательно соединенные обмотки возбуждения всех тяговых электродвигателей, - управляемым тиристорным, в результате чего достигается упрощение и уменьшение стоимости устройства, повышение надежности его работы и снижение потерь энергии.
Для достижения указанного технического результата в тяговом электроприводе транспортного средства, содержащем тяговый синхронный генератор с двумя статорными трехфазными обмотками, к выводам которых подключены выводы переменного тока шести трехфазных мостовых выпрямителей по числу тяговых электродвигателей постоянного тока с последовательным возбуждением, тормозные резисторы, коммутационные элементы поездных контакторов и тормозного переключателя и систему управления, причем первый трехфазный мостовой выпрямитель содержит шесть тиристоров, подключенных к выводам переменного тока и выходам постоянного тока трехфазного мостового выпрямителя, а второй, третий, четвертый, пятый и шестой трехфазные мостовые выпрямители содержат по три тиристора, которые включены в плечи трехфазного мостового выпрямителя и соединены с одним из выходов постоянного тока и выводами переменного тока трехфазного мостового выпрямителя, входы управления тиристоров трехфазных мостовых выпрямителей подключены к многоканальной системе управления, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой коммутационные элементы поездных контакторов подключены каждый между плюсовыми выходами первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого трехфазных мостовых выпрямителей, соответственно, и первыми выводами обмоток якоря первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого тяговых электродвигателей, соответственно, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой коммутационные элементы тормозного переключателя подключены каждый ко вторым выводам обмоток якоря первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого тяговых электродвигателей, соответственно, и через тормозные резисторы подключены к плюсовым выходам первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого трехфазных мостовых выпрямителей, седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый и двенадцатый коммутационные элементы тормозного переключателя подключены каждый между первыми выводами обмоток возбуждения и вторыми выводами обмоток якоря первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого тяговых электродвигателей, соответственно, тринадцатый коммутационный элемент тормозного переключателя подключен ко второму выводу обмотки возбуждения первого тягового электродвигателя, соединенному с минусовым выходом первого трехфазного мостового выпрямителя, и через четырнадцатый коммутационный элемент тормозного переключателя соединен с минусовым выходом первого трехфазного мостового выпрямителя, первый вывод обмотки возбуждения первого тягового электродвигателя через пятнадцатый коммутационный элемент тормозного переключателя подключен ко второму выводу обмотки возбуждения второго тягового электродвигателя, первый вывод которой через шестнадцатый коммутационный элемент тормозного переключателя подключен ко второму выводу обмотки возбуждения третьего тягового электродвигателя, первый вывод обмотки возбуждения третьего тягового электродвигателя через семнадцатый коммутационный элемент тормозного переключателя подключен ко второму выводу обмотки возбуждения четвертого тягового электродвигателя, первый вывод которой через восемнадцатый коммутационный элемент тормозного переключателя подключен ко второму выводу обмотки возбуждения пятого тягового электродвигателя, первый вывод обмотки возбуждения пятого тягового электродвигателя через девятнадцатый коммутационный элемент тормозного переключателя подключен ко второму выводу обмотки возбуждения шестого тягового электродвигателя, первый вывод которой через коммутационный элемент седьмого поездного контактора подключен к плюсовому выходу первого трехфазного мостового выпрямителя, вторые выводы обмоток возбуждения второго, третьего, четвертого и пятого тяговых электродвигателей через двадцатый, двадцать первый, двадцать второй, двадцать третий и двадцать четвертый коммутационные элементы тормозного переключателя, соответственно, подключены к минусовым выходам второго, третьего, четвертого, пятого и шестого трехфазных мостовых выпрямителей, соответственно, согласно полезной модели, во второй, третий, четвертый, пятый и шестой трехфазные мостовые выпрямители введено по три выпрямительных диода, которые включены в плечи трехфазного мостового выпрямителя и соединены со вторым выводом постоянного тока и выводами переменного тока соответствующего трехфазного мостового выпрямителя.
При этом во втором, третьем, четвертом, пятом и шестом трехфазных мостовых выпрямителях тиристоры могут быть подключены анодами к минусовому выходу трехфазного мостового выпрямителя, а выпрямительные диоды подключены катодами к его плюсовому выходу.
Также во втором, третьем, четвертом, пятом и шестом трехфазных мостовых выпрямителях тиристоры могут быть подключены катодами к плюсовому выходу трехфазного мостового выпрямителя, а выпрямительные диоды подключены анодами к его минусовому выходу.
Технический результат предлагаемой полезной модели - упрощение и уменьшение стоимости устройства, повышение надежности его работы и снижение потерь энергии обеспечивается за счет уменьшения числа тиристоров (вместо 36 тиристоров применяется 21 тиристор и 15 диодов) и исключения 15 из 36 каналов управления. При этом регулировочные характеристики тиристорного трехфазного мостового выпрямителя (Розанов Ю.К. Основы силовой электроники - М: Энергоатомиздат, 1992. - с. 70) и тиристорно-диодного трехфазного мостового выпрямителя (Попков О.З. Основы преобразовательной техники: учебное пособие для вузов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - с. 82-85.) при небольших углах регулирования (до 40 эл. градусов), достаточно близки. Гармонический состав напряжений питания тяговых двигателей и их токов при использовании тиристорной трехфазной мостовой схемы и тиристорно-диодной трехфазной мостовой схемы при углах регулирования до 40 эл. градусов также изменяется незначительно. Однако в режиме электрического торможения тиристорно-диодная схема по сравнению с тиристорной схемой обеспечивает существенное ухудшение гармонического состава выходного напряжения и уменьшение частоты пульсаций в два раза (Попков О.З. Основы преобразовательной техники: учебное пособие для вузов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - с. 82-85.). Это неприемлемо для выпрямителя, питающего последовательно соединенные обмотки возбуждения тяговых электродвигателей, имеющие небольшие постоянные времени, т.к. приводит к недопустимым пульсациям тока возбуждения и, соответственно, магнитного потока. Поэтому выпрямитель, используемый в режиме торможения, выполнен по управляемой тиристорной трехфазной мостовой схеме.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема тягового электропривода транспортного средства.
На фиг. 2 и 3 приведены примеры подключения полупроводниковых приборов в схеме тиристорно-диодного трехфазного мостового выпрямителя.
Тяговый электропривод транспортного средства в примере осуществления полезной модели (см. фиг. 1) содержит тяговый синхронный генератор 1 с двумя статорными трехфазными обмотками 2, 3, к выводам которых подключены шесть трехфазных мостовых выпрямителей 4-9 по числу тяговых электродвигателей постоянного тока с последовательным возбуждением. Первый трехфазный мостовой выпрямитель 4 содержит шесть тиристоров 10-15, подключенных к выводам переменного тока и выходам постоянного тока выпрямителя 4, причем тиристоры 10-12 анодами соединены с минусовым выходом выпрямителя 4, а тиристоры 13-15 катодами соединены с плюсовым выходом выпрямителя 4. Второй, третий, четвертый, пятый и шестой трехфазные мостовые выпрямители 5-9 содержат по три тиристора и по три выпрямительных диода, которые образуют плечи трехфазного мостового выпрямителя (см. фиг. 2). Тиристоры 16-18 второго выпрямителя 5 соединены анодами с минусовым выходом выпрямителя 5, а катодами - с выводами первой статорной обмотки 2 синхронного генератора 1 и анодами диодов 19-21, катоды которых соединены с плюсовым выходом выпрямителя 5. Тиристоры 22-24 третьего выпрямителя 6 соединены анодами с минусовым выходом выпрямителя 6, а катодами - с выводами первой статорной обмотки 2 синхронного генератора 1 и анодами диодов 25-27, катоды которых соединены с плюсовым выходом выпрямителя 6. Тиристоры 28-30 четвертого выпрямителя 7 соединены анодами с минусовым выходом выпрямителя 7, а катодами - с выводами второй статорной обмотки 3 синхронного генератора 1 и анодами диодов 31-33, катоды которых соединены с плюсовым выходом выпрямителя 7. Тиристоры 34-36 пятого выпрямителя 8 соединены анодами с минусовым выходом выпрямителя 8, а катодами - с выводами второй статорной обмотки 3 синхронного генератора 1 и анодами диодов 37-39, катоды которых соединены с плюсовым выходом выпрямителя 8. Тиристоры 40-42 шестого выпрямителя 9 соединены анодами с минусовым выходом выпрямителя 9, а катодами - с выводами второй статорной обмотки 3 синхронного генератора 1 и анодами диодов 43-45, катоды которых соединены с плюсовым выходом выпрямителя 9. Входы управления тиристоров выпрямителей 4-9 подключены к многоканальной системе управления 46.
Первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой коммутационные элементы 47-52 поездных контакторов подключены каждый между плюсовыми выходами первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого выпрямителей 4-9, соответственно, и первыми выводами обмоток якоря 53-58 первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого тяговых электродвигателей, соответственно.
Первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой коммутационные элементы 59-64 тормозного переключателя подключены каждый ко вторым выводами обмоток якоря 53-58 первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого тяговых электродвигателей, соответственно, и через тормозные резисторы 65-70 соединены с плюсовыми выходами первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого выпрямителей 4-9.
Седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый и двенадцатый коммутационные элементы 71-76 тормозного переключателя подключены каждый между первыми выводами обмоток возбуждения 77-82 и вторыми выводами обмоток якоря 53-58 первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого тяговых электродвигателей, соответственно.
Тринадцатый коммутационный элемент 83 тормозного переключателя подключен ко второму выводу обмотки возбуждения 77 первого тягового электродвигателя, соединенному с минусовым выходом первого выпрямителя 4, и через четырнадцатый коммутационный элемент 84 тормозного переключателя соединен с минусовым выходом первого выпрямителя 4.
Первый вывод обмотки возбуждения 77 первого тягового электродвигателя через пятнадцатый коммутационный элемент 85 тормозного переключателя подключен ко второму выводу обмотки возбуждения 78 второго тягового электродвигателя, первый вывод которой через шестнадцатый коммутационный элемент 86 тормозного переключателя подключен ко второму выводу обмотки возбуждения 79 третьего тягового электродвигателя; первый вывод обмотки возбуждения 79 третьего тягового электродвигателя через семнадцатый коммутационный элемент 87 тормозного переключателя подключен ко второму выводу обмотки возбуждения 80 четвертого тягового электродвигателя, первый вывод которой через восемнадцатый коммутационный элемент 88 тормозного переключателя подключен ко второму выводу обмотки возбуждения 81 пятого тягового электродвигателя; первый вывод обмотки возбуждения 81 пятого тягового электродвигателя через девятнадцатый коммутационный элемент 89 тормозного переключателя подключен ко второму выводу обмотки возбуждения 82 шестого тягового электродвигателя, первый вывод которой через коммутационный элемент 90 поездного контактора подключен к плюсовому выходу первого выпрямителя 4.
Вторые выводы обмоток возбуждения 78-82 второго, третьего, четвертого, пятого и шестого тяговых электродвигателей, соответственно, через двадцатый, двадцать первый, двадцать второй, двадцать третий и двадцать четвертый коммутационные элементы 91-95 тормозного переключателя, соответственно, подключены к минусовым выходам второго, третьего, четвертого, пятого и шестого выпрямителей 5-9, соответственно.
В случае подключения полупроводниковых приборов тиристорно-диодных трехфазных мостовых выпрямителей 5-9 по схеме на фиг. 3 электрические связи выпрямителей 5-9 с другими элементами устройства остаются такими же.
Цепи измерения токов и напряжения, цепи подключения резисторов ослабления поля и резисторы ослабления поля, реверсор на чертеже не показаны.
Все элементы устройства стандартны. В качестве полупроводниковых приборов могут быть использованы, например, тиристоры DCR1560F26 и диоды DAD2030F22.
Тяговый электропривод транспортного средства работает в двух режимах: в режиме тяги и в режиме электрического реостатного торможения.
В режиме тяги коммутационные элементы 47-52 замкнуты, коммутационный элемент 90 разомкнут, состояние коммутационных элементов 59-64, 71-76, 83-89 соответствует указанному на фиг. 1. Обмотки возбуждения 77-82 включены последовательно с обмотками якоря 53-58, соответственно, при этом тяговые электродвигатели получают питание от индивидуальных выпрямителей 4-9.
Напряжение обмоток 2 и 3 тягового генератора 1 выпрямляется и с плюсовых выходов выпрямителей 4-9 поступает через коммутационные элементы 47-52, соответственно, на первые выводы обмоток якоря 53-58 тяговых электродвигателей. Со вторых выводов обмоток якоря 53-58 через коммутационные элементы 71-76, соответственно, напряжение поступает на первые выводы обмоток возбуждения 77-82 тяговых электродвигателей. Через перемычку, подключенную ко второму выводу обмотки возбуждения 77, и через коммутационные элементы 91-95 цепи питания последовательно соединенных обмоток якоря 53-58 и обмоток возбуждения 77-82 тяговых электродвигателей замыкаются на минусовые выводы выпрямителей 4-9, соответственно. Таким образом, на тяговые электродвигатели с последовательно соединенными обмотками якоря 53-58 и обмотками возбуждения 77-82 подается постоянное напряжение с выводов постоянного тока выпрямителей 4-9, соответственно.
При равенстве частот вращения тяговых электродвигателей системой управления 46 на тиристоры 10-15, 16-18, 22-24, 28-30, 34-36, 40-42 подаются импульсы отпирания с углом ноль эл. градусов. Таким образом, все выпрямители 4-9 работают в диодном режиме.
Боксование колесной пары одного из тяговых электродвигателей, например, тягового электродвигателя с обмоткой якоря 54 и обмоткой возбуждения 78, нарушает установившийся режим тяговой передачи. В этом случае система управления 46 по каналам управления «Канал 7» - «Канал 9» подает управляющие импульсы на тиристоры 16-18 таким образом, чтобы уменьшить выходное напряжение выпрямителя 5 В результате уменьшается ток через тяговый электродвигатель с обмоткой якоря 54 и обмоткой возбуждения 78, уравнивается момент, развиваемый этим электродвигателем, с моментом, обусловленным коэффициентом сцепления боксующей колесной пары. При этом системой управления 46 по каналам управления «Канал 7» - «Канал 9» угол управления тиристорами 16-18 устанавливается в пределах от нуля до 40 эл. градусов, в результате чего боксование колесной пары электродвигателя устраняется.
При боксовании других колесных пар или боксовании одновременно нескольких колесных пар система управления 46 и выпрямители 6-9 работают аналогично. Исключение составляет выпрямитель 4, в котором система управления 46 по каналам управления «Канал 1» - «Канал 6» управляет шестью тиристорами 10-15. Как было показано выше, в диапазоне регулирования от нуля до 40 эл. градусов работа выпрямители 4 и 5-9 работают идентично.
В режиме электрического реостатного торможения (см. фиг. 1) коммутационные элементы 59-64 замкнуты, коммутационные элементы 71-76 разомкнуты, коммутационные элементы 83, 85-89 замкнуты, коммутационные элементы 91-95 разомкнуты; коммутационные элементы 47-52 и 90 замкнуты. При этом обмотки якоря 53-58 тяговых электродвигателей включены на индивидуальные тормозные резисторы 65-70, соответственно. Обмотки возбуждения 77-82 всех тяговых электродвигателей включены последовательно и подключены к выводам постоянного тока первого выпрямителя 4.
По цепи: плюсовой выход выпрямителя 4, коммутационный элемент 90, обмотка возбуждения 82, коммутационный элемент 89, обмотка возбуждения 81, коммутационный элемент 88, обмотка возбуждения 80, коммутационный элемент 87, обмотка возбуждения 79, коммутационный элемент 86, обмотка возбуждения 78, коммутационный элемент 85, обмотка возбуждения 77, плюсовой выход выпрямителя 4 протекает ток возбуждения тяговых электродвигателей. Ток возбуждения задается системой управления 46 по каналам управления «Канал 1» - «Канал 6», сигналы от которых поступают на тиристоры 10-15 выпрямителя 4. Благодаря использованию в выпрямителе 4 шести управляемых тиристоров 10-15 напряжение на выходе выпрямителя и, следовательно, ток возбуждения тяговых электродвигателей в обмотках возбуждения 77-82 может задаваться в широких пределах с допустимым уровнем пульсаций.
Энергия торможения рассеивается в тормозных резисторах 65-70, замкнутых на обмотки якоря 53-58 тяговых электродвигателей через коммутационные элементы 47-52, 59-64, соответственно.
Полупроводниковые приборы 16-45 выпрямителей 5-9 в режиме электрического реостатного торможения не работают благодаря отключению коммутационных элементов 84-95.
Сопоставительные испытания на заводе-изготовителе тяговых электродвигателей при их питании в режиме тяги от управляемых (тиристорных) и полууправлямых (тиристорно-диодных) преобразователей напряжения показали, что качество коммутации токов в обоих случаях является идентичным и соответствует действующим нормам. При этом вместо 15-ти тиристоров используется 15 более дешевых диодов, исключается 15 узлов формирования управляющих импульсов, в системе управления вместо 36 каналов управления тиристорами остается 21 канал. Стоимость комплектации выпрямителя уменьшается на 10-15%, на 10-15% уменьшаются потери мощности в силовых элементах в связи с меньшим падением напряжения на диодах по сравнению с тиристорами. Кроме того, значительно улучшается тепловой режим системы управления, расположенной в изолированном отсеке, так как тепловыделение уменьшается почти наполовину.