ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ВАГОНА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области электрифицированного железнодорожного транспорта и касается электрооборудования транспортных средств с асинхронным тяговым приводом, работающим от контактной электросети переменного тока.
Известен тяговый электропривод вагона, включающий подключенный к железнодорожной контактной сети переменного тока через тяговый инвертор напряжения асинхронный электродвигатель, соединенный с колесной парой вагона, блок управления приводом, при этом асинхронный электродвигатель содержит статор с комплектом обмоток и ротор, выполненный в виде магнитного сердечника с обмоткой, состоящей из короткозамкнутых витков, включающих изолированные токопроводящие стержни, расположенные в пазах ротора параллельно оси его вращения (патент РФ на изобретение №2434761, МПК B60L 9/16, публ. 2011 г.). Недостатками данного тягового электропривода являются низкие технические, энергетические, эксплуатационные и удельные технико-экономические показатели, обусловленные как отсутствием возможности согласования параметров электропитания асинхронного электродвигателя и частоты вращения его ротора, так и недостаточным КПД и коэффициентом мощности, большими пусковым током и током холостого хода, малым пусковым моментом, мягкой механической характеристикой и большим номинальное скольжением, присущими самому электродвигателю. При этом известный тяговый электропривод имеет неравномерности вращающего момента по развороту ротора без достаточного увеличения пускового момента.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому как по первому, так и по второму варианту, является тяговый электропривод вагона, включающий подключенный к железнодорожной контактной сети переменного тока через тяговый инвертор напряжения асинхронный электродвигатель, соединенный с колесной парой вагона, блок управления приводом, при этом асинхронный электродвигатель содержит статор с комплектом обмоток и ротор, выполненный в виде магнитного сердечника с обмоткой, состоящей из короткозамкнутых витков, включающих изолированные токопроводящие стержни, расположенные в пазах ротора параллельно оси его вращения (патент РФ на изобретение №2422299, МПК B60L 9/16, публ. 2011 г.). Недостатками данного тягового электропривода являются низкие технические, энергетические, эксплуатационные и удельные технико-экономические показатели, обусловленные как отсутствием возможности согласования параметров электропитания асинхронного электродвигателя и частоты вращения его ротора, так и недостаточным КПД и коэффициентом мощности, большими пусковым током и током холостого хода, малым пусковым моментом, мягкой механической характеристикой и большим номинальным скольжением, присущими самому электродвигателю. При этом известный тяговый электропривод имеет неравномерности вращающего момента по развороту ротора без достаточного увеличения пускового момента, что приводит к вибрациям и повышенному износу.
Предлагаемая полезная модель направлена на решение задачи, состоящей в улучшении технических, энергетических, эксплуатационных и удельных технико-экономических показателей тягового электропривода за счет возможности оптимизации параметров электропитания электродвигателя в зависимости от условий его эксплуатации, а также путем повышения коэффициента мощности электродвигателя при обеспечении равномерности вращающего момента.
Данная задача решается по первому варианту тем, что в тяговом электроприводе вагона, включающем подключенный к железнодорожной контактной сети переменного тока через тяговый инвертор напряжения асинхронный электродвигатель, соединенный с колесной парой вагона, блок управления приводом, при этом асинхронный электродвигатель содержит статор с комплектом обмоток и ротор, выполненный в виде магнитного сердечника с обмоткой, состоящей из короткозамкнутых витков, включающих изолированные токопроводящие стержни, расположенные в пазах ротора параллельно оси его вращения, на валу электродвигателя установлен датчик частоты вращения, связанный с блоком управления, а в асинхронном электродвигателе каждый короткозамкнутый виток включает в себя два последовательно соединенных изолированных токопроводящих стержня, отстоящих один относительно другого на расстоянии, определяемом половиной полюсного деления статора, и расположенных в пазах ротора в зонах, прилегающих к его соответствующим границам.
По второму варианту данная задача решается тем, что в тяговом электроприводе вагона, включающем подключенный к железнодорожной контактной сети переменного тока через тяговый инвертор напряжения асинхронный электродвигатель, соединенный с колесной парой вагона, блок управления приводом, при этом асинхронный электродвигатель содержит статор с комплектом обмоток и ротор, выполненный в виде магнитного сердечника с обмоткой, состоящей из короткозамкнутых витков, включающих изолированные токопроводящие стержни, расположенные в пазах ротора параллельно оси его вращения, на валу электродвигателя установлен датчик частоты вращения, связанный с блоком управления, а в асинхронном электродвигателе каждый короткозамкнутый виток включает в себя четыре последовательно соединенных стержня, два из которых размещены в одном пазу ротора, а два других расположены в двух смежных пазах ротора на расстоянии от первого паза, определяемом половиной полюсного деления статора, и прилежащих с двух сторон к его границе.
При этом, как по первому, так и второму варианту выполнения полезной модели, валы электродвигателя и колесной пары могут быть соединены при помощи муфты с поперечной и/или продольной компенсацией смещения валов.
Установка на валу электродвигателя датчика частоты вращения, связанного с блоком управления, обеспечивает возможность согласования параметров электропитания асинхронного электродвигателя от инвертора и частоты вращения ротора электродвигателя и оптимизировать режимы эксплуатации. Такая оптимизация достигается при помощи известных методов регулировки асинхронных электродвигателей.
Выполнение в асинхронном электродвигателе каждого короткозамкнутого витка, включающим в себя два последовательно соединенных изолированных токопроводящих стержня, отстоящих один относительно другого на расстоянии, определяемом половиной полюсного деления статора, и расположенных в пазах ротора в зонах, прилегающих к его соответствующим границам, обеспечивает повышение коэффициента мощности электродвигателя при обеспечении равномерности вращающего момента по следующим причинам. Подведенная к статору машины энергия переменного тока создает в нем первичное вращающееся магнитное поле, которое благодаря магнитному сцеплению с ротором наводит в его короткозамкнутых витках электрический ток для создания вторичного магнитного поля. Причем витки, представляющие собой пары короткозамкнутых стержней, расположены по периметру ротора таким образом, что ток от стержней каждой пары, находящихся в области генерирования его максимальных значений и, как следствие, наименьшей интенсивности магнитного поля статора и с минимальным электромеханическим взаимодействием со статором, направляется к стержням соответствующих пар с максимальными значениями магнитного поля статора, создавая тем самым условия для дополнительного воздействия вторичного поля ротора на первичное поле статора как в поперечном, так и в продольном направлении с помощью первой, второй и последующих четных гармоник. Это увеличивает эффективность электромеханического взаимодействия между ротором и статором и повышает механическую мощность, передаваемую на вал.
Соединение валов электродвигателя и колесной пары при помощи муфты с поперечной и/или продольной компенсацией смещения валов повышает эксплуатационную надежность электропривода.
На фиг.1 представлена схема предлагаемого тягового электропривода вагона; на фиг.2 - вид с торца на электродвигатель для 1-го варианта; на фиг.3 - вид с торца на электродвигатель для 2-го варианта.
Тяговый электропривод вагона включает в себя подключенный к железнодорожной контактной сети переменного тока через тяговый инвертор 1 напряжения асинхронный электродвигатель 2, соединенный с колесной парой 3 вагона. Также электропривод содержит блок 4 управления приводом, связанный с тяговым инвертором 1 напряжения и установленным на валу электродвигателя 2 датчиком 5 частоты вращения.
По первому варианту (фиг.2) полезной модели асинхронный электродвигатель 2 представляет собой асинхронную короткозамкнутую электрическую машину (число пар полюсов не регламентируется). Электродвигатель 2 содержит, например, двухполюсный статор 6 и ротор 7 с восемнадцатью изолированными токопроводящими стержнями 8-8′ ротора 7, размещенными попарно в девяти пазах 9 (количество стержней ротора не регламентируется), причем концы каждого стержня 8 из одного паза соединены, например, при помощи проводников 10 с концами каждого соответствующего стержня 8′ из другого паза, который сдвинут по периметру ротора 7 на расстояние, определяемое величиной, ближайшей к величине половины полюсного деления статора 6, образуя, таким образом, отдельные короткозамкнутые витки из двух последовательно соединенных стержней 8-8′.
По второму варианту (фиг.3) асинхронный двигатель 2 также представляет собой, асинхронную короткозамкнутую электрическую машину. Электродвигатель 2 содержит двухполюсный статор 6 и ротор 7 с тридцатью шестью изолированными токопроводящими стержнями 8-8′, 8″-8′′′ ротора 7, размещенными по четыре в девяти пазах 9, причем концы каждой пары стержней 8-8′ соединены соответственно с концами стержня 8″, который отнесен по периметру ротора 7 на расстояние, определяемое величиной, ближайшей к величине половины полюсного деления статора 6 в его пределах, и с концами стержня 8′′′, который отнесен по периметру ротора 7 на расстояние, определяемое величиной, ближайшей к величине половины полюсного деления статора 6 за его пределами. При этом стержни 8-8′-8″-8′′′ каждой группы соединены между собой в последовательную цепь, образуя отдельные короткозамкнутые витки.
Первый вариант исполнения целесообразно применять в тяговых электроприводах с асинхронными электродвигателями для общего применения с жесткой механической характеристикой.
Второй вариант исполнения целесообразно применять в тяговых электроприводах с тяговыми асинхронными электродвигателями с повышенным пусковым моментом.
Предлагаемый тяговый электропривод работает следующим образом.
Переменное напряжение от контактной сети подается на тяговый инвертор 1, где формируется рабочее напряжение для асинхронного электродвигателя.
···
···
При этом первичные обмотки статора 6 присоединяются к питающей сети от тягового инвертора 1 с чередованием во времени двух (или более) фаз, сдвинутых относительно друг друга. Через обмотки начинают протекать токи, устанавливающие вращающееся магнитное поле статора. Магнитное поле имеет нерегулярную структуру, обусловленную проходящими токами. Причем в местах максимальных токов поле максимально, а там, где кривая тока переходит через ноль, поле практически отсутствует. Эти две области отстоят друг от друга на величину, равную половине полюсного деления. Следует обратить внимание на тот факт, что в области максимального поля кривая первичного тока испытывает перегиб и ее производная равна нулю, а в области минимального поля кривая тока пересекает свое нулевое значение и ее производная имеет максимальное значение. Такое вращающееся магнитное поле, установленное в пакете статора, взаимодействует с пакетом неподвижного ротора, в котором при скольжении - 1 устанавливается такое же нерегулярное вращающееся вторичное магнитное поле. Вторичное поле индуцирует вторичные токи в короткозамкнутых стержнях 8 ротора 7, и эти токи устанавливают свое магнитное поле. Вторичные токи, так же как и первичные, имеют нерегулярную структуру со сдвигом между максимумом и минимумом на величину, равную половине полюсного деления. Причем там, где первичный ток и поле имеют максимальное значение, вторичный ток и поле равны нулю из-за нуля производной от тока и потока, а там, где первичный ток и поток имеют минимальные значения с максимумом производной, вторичный ток и поле имеют максимальное значение. Поскольку стержни 8 ротора 7 с максимальным значением тока замыкаются на стержни 8′, отстоящие на угол до величины половины полюсного деления или после нее с максимальным значением поля, в последних при пересечении поля индуцируется ток, который устанавливает свое дополнительное вторичное поле в области максимума первичного поля. Этим обеспечивается повышенное электромеханическое взаимодействие между ротором 7 и статором 6 без увеличения пусковых токов. Пусковой момент увеличивается, и это приводит к уменьшению времени разгона. Следует обратить внимание на то, что подача тока из активного стержня 8 в пассивный происходит плавно без возникновения каких либо ударов, так как на максимуме тока работает только один источник ЭДС, в результате работа осуществляется на первой гармонике, что уменьшает потери и в стали пакета. После установления электромеханического взаимодействия между ротором 7 и статором 6 возникает вращающий момент и ротор 7 начинает свое вращение. По мере разгона частота вторичного поля уменьшается и пассивные стержни 8 начинают все больше намагничивать области максимальных токов первичной цепи в продольном направлении, отдавая в нее все большую долю циркулирующей через них энергии, что характеризует так называемую "реакцию якоря", потребляемый ток уменьшается, и как следствие вращающий момент несколько уменьшается. При уменьшающемся токе снижается степень насыщенности стали, увеличивается индуктивность обмоток ротора 7, увеличивается их постоянная времени. Благодаря этому активные стержни 8 по мере разгона все ближе подходят к областям статора 1 с максимальным полем. И теперь не только пассивные, но и активные стержни 3 начинают отдавать свою неиспользованную энергию в первичную цепь при падающей частоте тока вторичной цепи. И при скольжениях -0,25-0,15 наступает перегиб электромеханической характеристики, а машина выходит на номинальные режимы работы двигателя, которые заканчиваются холостым ходом при скольжениях - 0,005-0,001.
Вращающий момент от вала электродвигателя 2, который может быть соединен с колесной парой 3 при помощи муфты 11 с поперечной и/или продольной компенсацией смещения валов, передается этой колесной паре 3, приводит ее во вращение, за счет чего и происходит движение вагона. Управление электроприводом осуществляется при помощи блока 4 управления приводом, от которого подаются управляющие сигналы на тяговый инвертор 1 напряжения, вырабатываемые с учетом сигналов от датчика 5 частоты вращения. При этом от тягового инвертора 1 к асинхронному двигателю подается электропитание оптимальных параметров.
Предлагаемый тяговый электропривод вагона имеет повышенные технические, энергетические, эксплуатационные и удельные технико-экономические показатели, как, например, КПД и коэффициент мощности, и работает в условиях больших электромеханических нагрузок на обмотки ротора и статора, в нем обеспечивается большая эксплуатационная надежность при продолжительном ресурсе работы.