Электрический привод электровоза
ELECTRIC LOCOMOTIVE DRIVE

Изобретение относится к области преобразовательной техники, может быть использовано для выравнивания нагрузки тяговых электродвигателей электровозов и может быть применено в транспортной отрасли промышленности.
Известен электрический привод электровоза постоянного тока, содержащий токоприемник, тяговые электродвигатели (ТЭД) постоянного тока, контакторы и средства шунтирования, подключенные к обмоткам возбуждения ТЭД, при этом средства шунтирования выполнены в виде запираемых тиристоров, осуществляющих регулирование тока возбуждения на обмотках возбуждения ТЭД [RU 2619499 C1, дата публикации: 16.05.2017 г. МПК: B60L 9/02; B60L 15/08; Н02Р 7/00].
Недостатками известного технического решения являются невозможность индивидуального, непрерывного и плавного управления токами возбуждения ТЭД электровоза. Невозможность индивидуального управления токами возбуждения ТЭД обусловлена тем, что электрическая схема электрического привода известного технического решения предусматривает лишь возможность группового управления токами возбуждения отдельных групп электродвигателей, в каждой из которых они включены парами параллельно, либо последовательно вследствие чего снижается точность управления токами ТЭД, что приводит к неравномерному распределению нагрузки между ними, поскольку, как известно, при одинаковых скоростях параллельно работающих двигателей токи нагрузки имеют значительную разницу характеристик ТЭД независимого возбуждения, превышающую в 3,5-4 раза разброс характеристик ТЭД последовательного возбуждения. Равенство токов возбуждения всех двигателей приводит к неравенству потоков возбуждения из-за разброса характеристик ТЭД, что вызывает появление различных значений токов якорей, которые тем больше, чем меньше ток возбуждения и чем выше скорость движения. Это может привести к возникновению аварийных режимов работы тяговых двигателей и снижению ресурса их изоляции и коллекторно-щеточного узла. Невозможность непрерывного и плавного управления токами возбуждения ТЭД обусловлена необходимостью разрыва силовой цепи для перехода из режима последовательного возбуждения в режим независимого возбуждения и наоборот, что приводит к короткому замыканию цепи и потере силы тяги, из-за чего не обеспечивается возможность управления токами возбуждения ТЭД по закону постоянства силы тяги и вызывает продольные толчки и рывки в поезде.
В качестве прототипа выбран электрический привод локомотива с реализацией поосного регулирования силы тяги и торможения, содержащий ТЭД, управление которыми осуществляется идентичными транзисторными преобразователями напряжения независимо друг от друга, к выходам которых подключены обмотки якоря и последовательно включенные с ними обмотки возбуждения ТЭД через попарно включенные контакторы реверсора [RU2656749C1, дата публикации: 06.06.2018 г. МПК: B60L 11/06; В61С 5/00; B60L 7/04]
Преимуществом прототипа перед известным техническим решением является возможность поосного регулирования силы тяги и торможения и обеспечение равномерности распределения токов по ТЭД.
Однако недостатком прототипа остается невозможность индивидуального управления токами обмоток возбуждения ТЭД, обусловленная тем, что электрическая схема электрического привода по прототипу предусматривает лишь возможность управления токами обмоток возбуждения совместно с токами якорей ТЭД, и обеспечивает реализацию только поосного регулирования силы тяги и торможения ТЭД. Также, в процессе работы такой схемы электрического привода часто возникают режимы короткого замыкания якоря, что является нежелательным для электрического оборудования. Помимо этого, применение такой схемы электрического привода на электровозе не является целесообразным, так как при наличии в схеме электрического привода тягового трансформатора возможно обеспечить независимое питание средств шунтирования, раздельно управляющих токами якорей и обмоток возбуждения ТЭД.
Вышеописанные недостатки известного технического решения и прототипа не обеспечивают плавное, без возникновения продольно-динамических толчков и рывков, движение электровоза как в режиме тяги, так и в режиме торможения, что существенным образом ухудшает эксплуатационные характеристики электрического привода электровоза.
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в необходимости улучшения эксплуатационных характеристик электрического привода электровоза.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в обеспечении возможности индивидуального, непрерывного и плавного управления токами возбуждения тяговых электродвигателей электровоза.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Электрический привод электровоза содержит тяговый трансформатор, тяговые электродвигатели (ТЭД), содержащие средства шунтирования, представленные индивидуальными транзисторными управляемыми преобразователями возбуждения, шунтирующими обмотки возбуждения ТЭД, и выпрямительно-инверторные преобразователи, питающие ТЭД. В отличие от прототипа электрический привод электровоза содержит индивидуальные выпрямительные установки возбуждения, питающие средства шунтирования.
Тяговый трансформатор обеспечивает преобразование высокого напряжения независимого источника питания в напряжение необходимое для питания цепей ТЭД, обмоток возбуждения и для собственных нужд ТЭД. Тяговый трансформатор содержит первичную и вторичную обмотки. Выводы первичной обмотки подключены к независимому источнику питания. Вторичная обмотка состоит из нескольких секций. К выводам разных секций подключены выпрямительно-инверторные преобразователи (ВИП) и индивидуальные выпрямительные установки возбуждения (ВУВ).
Выпрямительно-инверторные преобразователи обеспечивают преобразование переменного тока независимого источника питания в постоянный и обратно и обеспечивают питание постоянным током (током возбуждения) подключенных к нему ТЭД. Для подключения к ТЭД ВИП содержат катодную и анодную группы тиристоров.
Тяговые электродвигатели обеспечивают приведение в движение электровоза. Каждый ТЭД содержит якорь Я и обмотку ОВ возбуждения, соединенные между собой последовательно. При этом якоря ТЭД подключены к катодной группе тиристоров ВИП через сглаживающий реактор, а обмотки возбуждения ТЭД подключены к анодной группе тиристоров.
Индивидуальные выпрямительные установки возбуждения обеспечивают преобразование переменного тока независимого источника питания в постоянный и обеспечивают питание постоянным током подключенных к ним средств шунтирования, шунтирующих обмотки возбуждения ТЭД. ВУВ выполнены в виде индивидуальных вторичных обмоток, питающих мостовые диодные выпрямители, к выходам которых подключены средства шунтирования.
Дополнительно для улучшения эксплуатационных характеристик электрического привода электровоза каждая ВУВ может содержать индуктивно-емкостный фильтр (LC фильтр), подключенный к выходу мостового диодного выпрямителя, а к выходу индуктивно-емкостного фильтра подключены средства шунтирования, что обеспечивает устранение помех и пульсаций напряжения, возникающих после мостового диодного выпрямителя.
Средства шунтирования обеспечивают возможность автоматического управления токами возбуждения ТЭД. Средства шунтирования представлены индивидуальными транзисторными управляемыми преобразователями возбуждения (УПВ), шунтирующими обмотки возбуждения ТЭД. Индивидуальный транзисторный управляемый преобразователь возбуждения УПВ выполнен в виде Н-моста, содержащего управляемые IGBT-транзисторы, и нагрузку, в качестве которой выступает ОВ. IGВТ-транзисторы выступают в качестве управляемых вентилей, при открытии или закрытии которых возможно регулирование направления и величины тока, протекающего через ОВ. В зависимости от направления тока, протекающего через ОВ, он может выступать в качестве тока подпитки или отпитки и соответствующим образом изменять величину тока возбуждения, в различных режимах работы ТЭД. При этом плавность изменения тока возбуждения обеспечивается за счет того, что изменение величины токов подпитки и отпитки позволяет регулировать величину тока возбуждения таким образом, чтобы сумма тока возбуждения и тока подпитки или отпитки имела постоянную заданную величину, вследствие чего достигается постоянство силы тяги и мощности ТЭД.
Изобретение может быть выполнено из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Изобретение характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, что электрический привод электровоза содержит индивидуальные выпрямительные установки возбуждения, питающие средства шунтирования, что позволяет регулировать величину тока возбуждения индивидуально не только на каждом из ТЭД, но и индивидуально на обмотках возбуждения и обмотках якорей ТЭД, что обеспечивает плавность регулирования величины токов возбуждения ТЭД, при этом непрерывность регулирования величины токов возбуждения обеспечивается за счет отсутствуя необходимости размыкания электрической цепи при переходе из одного режима работы ТЭД в другой.
Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в обеспечении возможности индивидуального, непрерывного и плавного управления токами возбуждения тяговых электродвигателей электровоза, а следовательно, и его силой тяги, что улучшает эксплуатационные характеристики электрического привода электровоза.
Изобретение обладает ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «новизна».
Из уровня техники известен электрический привод электровоза, в котором возможно только групповое управление токами возбуждения всех ТЭД одновременно или отдельных групп ТЭД, в каждой из которых они включены парами параллельно, либо последовательно, а для переключения между режимами работы ТЭД необходимо размыкание электрической цепи. Также из уровня техники известен электрический привод электровоза, в котором возможно одновременное управление токами возбуждения параллельно включенных ТЭД, за счет подключения средств шунтирования к якорям этих ТЭД.
Однако из уровня техники не известен электрический привод электровоза, в котором индивидуальность, плавность и непрерывность управления токами возбуждения каждого ТЭД обеспечивается за счет питания средств шунтирования от независимого источника, представленного индивидуальными выпрямительными установками возбуждения. Ввиду этого изобретение соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется следующими фигурами.
Фиг. 1 - Функциональная схема электрического привода электровоза.
Фиг. 2 - Электрическая схема средства шунтирования, выполненного в виде индивидуального транзисторного управляемого преобразователя возбуждения, шунтирующего обмотку возбуждения.
Для иллюстрации возможности реализации и более полного понимания сути изобретения ниже представлен вариант его осуществления, который может быть любым образом изменен или дополнен, при этом настоящее изобретение ни в коем случае не ограничивается представленным вариантом.
Электрический привод электровоза содержит тяговый трансформатор 1, первичная обмотка которого подключена к независимому источнику 2 питания. Ко вторичной обмотке тягового трансформатора 1, подключены два ВИП 3, обозначенных на фиг. 2 как ВИП. К каждому ВИП 3 подключена пара ТЭД 4, параллельно включенных между собой. Каждый ТЭД 4 содержит якорь Я и обмотку ОВ возбуждения. Также ко вторичной обмотке тягового трансформатора 1, подключены четыре индивидуальных ВУВ 5, обозначенные на фиг. 2 как ИП (источник питания). Каждая из ВУВ 5 выполнена в виде индивидуальной вторичной обмотки с подключенным к ее выводам мостовым диодным выпрямителем, к выходам которого подключены средства 6 шунтирования. Средства 6 шунтирования, выполнены в виде индивидуальных транзисторных управляемых преобразователей возбуждения (УПВ), содержащих вентили VT1, VT2, VT3 и VT4, и шунтирующих обмотку ОВ. При этом каждая ВУВ 5 дополнительно содержит LC фильтр, подключенный к выходам мостового диодного выпрямителя перед средствами 6 шунтирования.
Изобретение работает следующим образом.
в
На первичную обмотку тягового трансформатора 1 подается напряжение от источника 2 питания. Со вторичной обмотки тягового трансформатора 1 питающее напряжение подается на ВИП 3, которые преобразуют переменный ток от источника питания в постоянный ток i возбуждения.
в
При работе ТЭД 4 в режиме тяги ток i возбуждения проходит последовательно через якори Я и обмотки ОВ и возвращается обратно к источнику 2 питания через ВИП 3, за счет чего реализуется схема последовательного возбуждения ТЭД 4.
в
пв
в
При работе ТЭД 4 в режиме независимого возбуждения ток i возбуждения проходит последовательно через якори Я и обмотки ОВ. Одновременно с этим, со вторичной обмотки тягового трансформатора 1 питающее напряжение подается на индивидуальные ВУВ 5, которые питают средства 6 шунтирования. При включении вентилей VT1 и VT4 происходит подпитка обмоток ОВ током i, и он суммируется с током i возбуждения, проходящим через эти обмотки, что описывается следующим выражением:
нв
в
пв
где i - ток независимого возбуждения, i - ток возбуждения, i - ток подпитки.
ов
в
При включении вентилей VT2 и VT3 происходит отпитка обмоток ОВ током i, который так же суммируется с током i возбуждения, проходящим через эти обмотки, что описывается выражением:
нв
в
ов
где i - ток независимого возбуждения, i - ток возбуждения, i - ток отпитки.
За счет прохождения токов подпитки и отпитки через обмотки ОВ ТЭД 4 и изменения величины этих токов таким образом, чтобы ток независимого возбуждения имел постоянную величину, реализуется схема независимого возбуждения ТЭД 4 с точным регулированием величины тока независимого возбуждения.
Управление токами ТЭД 4 на основе выражения (1) позволяет реализовать тяговую характеристику электровоза, изменяющуюся по закону постоянства силы тяги. Управление токами ТЭД 4 на основе выражения (2) позволяет реализовать тяговую характеристику электровоза, изменяющуюся по закону постоянства мощности.
Также при реализации отпитки обмоток ОВ возможно обеспечение работы ТЭД 4 в режиме последовательного возбуждения с уменьшением тока возбуждения, что описывается следующим выражением:
ув
в
ов
где i - ток уменьшения возбуждения, i - ток возбуждения, i - ток отпитки.
Таким образом обеспечивается реализация режимов последовательного и независимого возбуждения, а также режима последовательного возбуждения с уменьшением тока возбуждения ТЭД 4 и переход из одного режима в другой без разрыва электрической цепи и без потери силы тяги вследствие ее разрыва.
Таким образом обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в обеспечении возможности индивидуального, непрерывного и плавного управления токами возбуждения тяговых электродвигателей электровоза, тем самым улучшаются эксплуатационные характеристики электрического привода электровоза.