Электрическая передача электровоза
ELECTRIC LOCOMOTIVE ELECTRIC TRANSMISSION

Изобретение относится к электрической передаче электровозов железнодорожного транспорта.
К
Известна электрическая передача электровоза, содержащая тяговый трансформатор, первичная обмотка которого подключена к контактной сети, а две вторичные обмотки, каждая из которых состоит из несекционной и секционных обмоток, посредством группового переключателя подключены соответственно к входам первой и второй выпрямительных установок, выходы которых соответственно подключены через поездные контакторы к попарно соединенным тяговым двигателям постоянного тока с последовательным возбуждением. («Электровоз ВЛ80. Руководство по эксплуатации», Москва «Транспорт», 1973, стр. 5-8).
Недостатками известной электрической передачи электровоза являются ступенчатое регулирование выходного напряжения
выпрямительных установок, низкий коэффициент мощности, невозможность рекурперации энергии в сеть.
Известен преобразователь однофазно-постоянного тока, содержащий трансформатор с тремя вторичными обмотками, выпрямительно-инверторный преобразователь с не менее четырьмя полупроводниковыми плечами вентилей, сглаживающий реактор и двигатель, причем одна половина полупроводниковых плеч вентилей соединена анодами и образует анодную группу, другая половина - катодами и образует катодную группу, первичная обмотка трансформатора подключена к питающей сети переменного тока, выводы его вторичной обмотки - к общим точкам соединения анодов катодной и катодов анодной групп выпрямительно-инверторного преобразователя, сглаживающий реактор и последовательно соединенный с ним двигатель соединены с выводами анодной и катодной групп выпрямительно-инверторного преобразователя (RU, патент №2368060, МПК Н02М 7/162, опубл. 20.09. 2009 г.).
Недостатками известного преобразователя однофазно-постоянного тока являются низкий коэффициент мощности, искажение формы тока в контактной сети.
Известна электрическая передача электровоза, принятая за прототип, которая содержит микропроцессорную систему управления, тяговый трансформатор, первичная обмотка которого подключена к контактной сети, а две вторичные секционные обмотки через групповой переключатель подключены соответственно к двум преобразователям напряжения, собранным по мостовой схеме из четырех цепочек тиристоров, которые управляются микропроцессорной системой управления по принципу зонно-фазового регулирования и выходы которых через первую (третью) и вторую (четвертую) индуктивности и поездные контакторы подключены соответственно к первому и второму моторным блокам, каждый из которых содержит тяговые двигатели с последовательным возбуждением, при этом обмотки возбуждения подключены к тяговым двигателям через контакты реверсора и параллельно каждой обмотке возбуждения через контакты контактора ослабления поля подключаются резисторы ослабления поля («Локомотив» №10, 2016 г., стр. 27 «Электрические схемы электровоза 3ЭС5К»).
Недостатками известной электрической передачи электровоза являются низкий коэффициент мощности, невозможность осуществления поосного регулирования тяговыми двигателями, искажение формы тока в контактной сети.
Техническим результатом изобретения являются увеличение коэффициента мощности, обеспечение синусоидальной формы тока в контактной сети, поосное регулирование силы тяги и торможения.
Указанный технический результат достигается тем, что в электрической передаче электровоза, содержащей тяговый трансформатор, первичная обмотка которого подключена к контактной сети, а четыре вторичные независимые обмотки подключены соответственно к первым и вторым входам четырех преобразователей напряжения, первые выходы которых через контакты поездного контактора соединены с входами якорных обмоток четырех тяговых двигателей с встроенными датчиками частоты вращения, выходы якорных обмоток через соответствующие обмотки возбуждения и попарно включенные и попарно выключенные контакты реверсора соединены со вторыми выходами преобразователей напряжения, при этом параллельно каждой обмотке возбуждения тяговых двигателей через контакты контактора ослабления поля подключаются резисторы ослабления поля, при этом входы управления включением/выключением поездного контактора, реверсора и контактора ослабления поля подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам системы управления, в состав которой входят четыре блока управления, каждый из которых управляет своим преобразователем напряжения, каждый преобразователь напряжения содержит модуль 4QS, емкость, регулятор напряжения, при этом модуль 4QS собран на IGBT-транзисторах с обратными диодами по мостовой схеме, на один вход которой подключена индуктивность, а на другой - входной датчик тока, положительный и отрицательный выходы модуля 4QS измеряются датчиком напряжения и подключены к емкости и к входам регулятора напряжения, собранного на включенных последовательно IGBT-транзисторах с обратными диодами и к точке соединения которых через выходной датчик тока подключен контакт поездного контактора, при этом каждый информационный выход входных датчиков тока, датчиков напряжения, выходных датчиков тока преобразователей напряжения и выходы датчиков частоты вращения тяговых двигателей соответственно подключены к первому, второму, третьему и четвертому входам каждого блока управления системы управления, первые и вторые выходы которых управляют соответственно модулями 4QS и регуляторами напряжения преобразователей напряжения.
На фиг.1 и 2 представлена структурная схема электрической передачи электровоза.
Электрическая передача электровоза содержит тяговый трансформатор 1, первичная обмотка 2 которого подключена к контактной сети, а четыре вторичные независимые обмотки 3.1…3.4 подключены соответственно к первым Вх.1.4.1…Вх.1.4.4 и вторым Вх.2.4.1…Вх.2.4.4 входам четырех преобразователей напряжения 4.1…4.4, первые выходы Вых. 1.4.1…Вых.1.4.4 которых через контакты 5.1…5.4 поездного контактора 5 соединены с входами якорных обмоток 7.1…7.4 четырех тяговых двигателей 6.1…6.4 с встроенными датчиками частоты вращения 8.1…8.4, выходы якорных обмоток 7.1…7.4 через соответствующие обмотки возбуждения 9.1…9.4 и попарно включенные контакты 10.1 и 10.4…, 10.13 и 10.16 и попарно выключенные контакты 10.2 и 10.3,…,10.14 и 10.15 реверсора 10 соединены со вторыми выходами Вых.2.4.1…Вых.2.4.4 преобразователей напряжения 4.1…4.4, при этом параллельно каждой обмотке возбуждения 9.1…9.4 тяговых двигателей 6.1…6.4 через контакты 11.1…11.4 контактора 11 ослабления поля подключаются резисторы 12.1…12.4 ослабления поля, при этом входы управления включением/выключением поездного контактора 5, реверсора 10 и контактора 11 ослабления поля подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам системы управления 13, в состав которой входят четыре блока управления 13.1…13.4, каждый из которых управляет своим преобразователем напряжения 4.1…4.4, при этом каждый преобразователь напряжения 4.1…4.4 (см. фиг. 2) содержит модули 4QS 14.1…14.4, емкости 15.1…15.4, регуляторы напряжения 16.1…16.4, при этом модули 4QS собраны на IGBT-транзисторах 17.1, 18.1, 19.1, 20.1…17.4, 18.4, 19.4, 20.4 с обратными диодами 21.1, 22.1, 23.1, 24.1…21.4, 22.4, 23.4, 24.4 по мостовой схеме, на одни входы которых подключены индуктивности 25.1…25.4, а на другие - входные датчики тока 26.1…26.4, положительные и отрицательные выходы модулей 4QS 14.1…14.4 измеряются датчиками напряжения 27.1…27.4 и подключены к емкостям 15.1…15.4 и к входам регуляторов напряжения 16.1…16.4, собранных на включенных последовательно IGBT - транзисторах 28.1, 29.1…28.4, 29.4 с обратными диодами 30.1, 31.1…30.4, 31.4 и к точке соединения которых через выходные датчики тока 32.1…32.4 подключены контакты 5.1…5.4 поездного контактора 5, при этом каждый информационный выход входных датчиков тока 26.1…26.4, датчиков напряжения 27.1…27.4, выходных датчиков тока 32.1…32.4 преобразователей напряжения 4.1…4.4 и выходы датчиков частоты вращения 8.1…8.4 тяговых двигателей 6.1…6.4 соответственно подключены к первым, вторым, третьим и четвертым входам каждого блока управления 13.1…13.4 системы управления 13, первые и вторые выходы которых управляют соответственно модулями 4QS 14.1…14.4 и регуляторами напряжения 16.1…16.4 преобразователей напряжения 4.1…4.4.
Модуль 4QS 14.1 (фиг. 2) представляет собой однофазный обратимый преобразователь переменного напряжения в постоянное и обеспечивает преобразование однофазного напряжения контактной сети, изменяющегося в широких пределах, в стабилизированное постоянное напряжение, поддерживает синусоидальную форму тока контактной сети, поддерживает работу привода с заданным коэффициентом мощности, осуществляет передачу энергии нагрузке в режиме тяги и возврат энергии в сеть при торможении.
Регулятор напряжения 16.1 в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ) преобразует напряжение с выхода модуля 4QS 14.1 в регулируемое по величине постоянное напряжение.
Обратные диоды 21.1…24.1 модуля 4QS 14.1 и обратные диоды 30.1, 31.1 регулятора напряжения 16.1 осуществляют защиту IGBT-транзисторов от обратных напряжений при их работе в ключевом режиме и совместно с конденсатором 15.1 обеспечивают обмен реактивной энергией между тяговым двигателем 6.1, звеном постоянного тока (выход модуля 4QS 14.1) и контактной сетью.
Предлагаемая электрическая передача электровоза реализует способ поосного регулирования силы тяги и торможения, при котором управление тяговыми двигателями 6.1…6.4 осуществляется идентичными преобразователями напряжения 4.1…4.4 независимо друг от друга, что позволяет описывать работу электрической передачи электровоза с использованием первого преобразователя напряжения 4.1, первого тягового двигателя 6.1, блока управления 13.1 (см. фиг. 2).
Электрическая передача электровоза работает следующим образом.
Напряжение контактной сети поступает на первичную обмотку 2 тягового трансформатора 1, на вторичной обмотке 3.1 которого формируется пониженное значение напряжения контактной сети, поступающее на входы Вх.1.4.1, Вх.2.4.1 преобразователя напряжения 4.1. В режиме тяги система управления 13 включает поездной контактор 5, контактом 5.1 которого подключают выход Вых.1.4.1 преобразователя напряжения 4.1 к тяговому двигателю 6.1 с последовательным возбуждением. В зависимости от направления движения электровоза системой управления 13 переключают реверсор 10, при этом замкнуты контакты 10.1 и 10.4 и разомкнуты контакты 10.2 и 10.3 или разомкнуты контакты 10.1 и 10.4 и замкнуты контакты 10.2 и 10.3. По сигналам с блока управления 13.1 переменное напряжение вторичной обмотки 3.1 тягового трансформатора 1, изменяющееся в широких пределах, модулем 4QS 4.1 преобразуют в стабилизированное постоянные напряжение, которое фильтруют емкостью 15.1. При этом обеспечивается форма тока в первичной обмотке 2 тягового трансформатора 1 близкая к синусоидальной. Регулятором напряжения 16.1 в режиме широтно-импульсной модуляции преобразуют напряжение с выхода модуля 4QS 14.1 в регулируемое по величине постоянное напряжение. Блоком управления 13.1 включают транзистор 28.1 регулятора напряжения 16.1 и напряжение с положительного выхода (+) модуля 4QS 14.1 через выходной датчик тока 32.1 прикладывают к тяговому двигателю 6.1 с последовательным возбуждением и он начинает вращаться. При этом ток якорной обмотки 7.1 плавно нарастает, а при выключении транзистора 28.1 плавно спадает, замыкаясь через обратный диод 31.1. По сигналам с выходного датчика тока 32.1 и датчика частоты вращения 8.1, блоком управления 13.1 изменением скважности ШИМ сигнала поддерживают постоянным ток якоря двигателя 6.1, исходя из заданного значения силы тяги и скорости электровоза. При боксовании электровоза, когда резко возрастает частота вращения тягового двигателя 6.1, по сигналам с блока управления 13.1 регулятором напряжения 16.1 резко снижают напряжение, подводимое к тяговому двигателю 6.1, что позволяет ему выйти из режима боксования. При необходимости увеличения скорости электровоза системой управления 13 включают контактор 11 ослабления поля, через контакт 11.1 которого резистор 12.1 ослабления поля подключают параллельно обмотке возбуждения 9.1. Ток через якорную обмотку 7.1 увеличивается, а через обмотку возбуждения 9.1 снижается, что ведет к увеличению частоты вращения тягового двигателя 6.1.
В режиме рекурперативного тормоза системой управления 13 переключают реверсор 10 в противоположное состояние, блоком управления 13.1 выключают транзистор 28.1 и включают транзистор 29.1 регулятора напряжения 16.1 в режиме ШИМ, которым кратковременно шунтируют включенные последовательно якорную обмотку 7.1 и обмотку возбуждения 9.1. За счет остаточного магнитного потока и работы транзистора 29.1 в режиме ШИМ обеспечивается самовозбуждение тягового двигателя 6.1 и он переходит в генераторный режим. Напряжение с тягового двигателя 6.1 через обратный диод 30.1 начинает дополнительно заряжать конденсатор 15.1 на выходе модуля 4QS 14.1. Напряжение в звене постоянного тока (выход модуля 4QS 14.1) возрастает и начинает превышать заданное значение и блоком управления 13.1 в режиме ШИМ попарно включают транзисторы 17.1, 20.1 и 18.1, 19.1 модуля 4QS 14.1. При этом модуль 4QS 14.1 переводится в режим формирования фазового сдвига 180 эл. градусов между током и напряжением на его входе и обмотка 3.1 тягового трансформатора 1 начинает потреблять активную энергию из звена постоянного тока. Тормозной ток замыкается по цепи: вход якорной обмотки 7.1 тягового двигателя 6.1, поездной контакт 5.1, выходной датчик тока 32.1, обратный диод 30.1, транзистор 17.1 (19.1), индуктивность 25.1 (входной датчик тока 26.1), вторичная обмотка 3.1, входной датчик тока 26.1 (индуктивность 25.1), транзистор 20.1 (18.1), контакт 10.4 реверсора 10, обмотка возбуждения 9.1, контакт 10.1 реверсора 10, выход якорной обмотки 7.1 тягового двигателя 6.1. По мере снижения скорости электровоза э.д.с. двигателя 6.1 снижается и блок управления 13.1 изменением скважности ШИМ сигнала, управляющего включением/выключением транзистора 29.1, поддерживает постоянным тормозной ток, что позволяет осуществлять процесс торможения практически до полной остановки электровоза.
Заявленный технический результат достигается использованием в преобразователях напряжения 4.1…4.4 модулей 4QS 14.1…14.4 и регуляторов напряжения 16.1…16.4, при этом увеличивается коэффициент мощности электровоза, снижается искажение формы тока в контактной сети и реализуется поосное регулирование силы тяги и торможения.