ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД
TRACTION ELECTRIC DRIVE

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использовано в качестве тягового привода трамваев, троллейбусов, электровозов, электромобилей.
В качестве тягового электропривода в настоящее время все чаще используется электропривод переменного тока с синхронными электродвигателями или асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором. Синхронные электродвигатели, по сравнению с асинхронными электродвигателями, имеют несколько меньшие габариты и более высокий коэффициент мощности, однако при их использовании требуется источник для электропитания ротора. Асинхронные электродвигатели, хотя и уступают синхронным электродвигателям по упомянутым критериям, более надежны в эксплуатации и не нуждаются в источнике электроэнергии для возбуждения ротора. Для регулирования скорости вращения тяговых электродвигателей трехфазного переменного тока используются инверторы тока или напряжения, обеспечивающие преобразование постоянного тока в трехфазный переменный ток с регулируемыми частотой и напряжением.
Известно устройство управления асинхронным электродвигателем по патенту RU 2193814 C1 (Н02Р 21/00, 2002), которое может быть использовано в электроприводах с векторным управлением в качестве тяговых электроприводов на электропоездах. Известное устройство содержит инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный с регулированием частоты при регулируемом напряжении посредством схемы формирования сигналов управления инвертора с широтно-импульсной модуляцией, и преобразователь полярных координат для регулирования выходного напряжения, которое осуществляется по команде на изменение намагничивающей составляющей тока в первичной обмотке тока асинхронного двигателя, на который подается напряжение от инвертора, и по команде на изменение компоненты напряжения, которые формируются схемой формирования команд на изменение напряжения в соответствии с упомянутыми соответствующими компонентами и выполняются в соответствии с командой на изменение моментообразующей тока статора. Также устройство содержит преобразователь координат для измерения моментообразующей составляющей тока статора в соответствии с током в первичной обмотке асинхронного двигателя, регулятор тока для коррекции отклонения величины измеренной моментообразующей составляющей тока статора от величины соответствующего сигнала команды и формирования скорректированного сигнала команды на изменение моментообразующей составляющей тока статора, схему формирования команд на изменение угловой частоты скольжения для коррекции выходной частоты инвертора в соответствии со скорректированной величиной сигнала команды на изменение моментообразующей составляющей тока статора, схему формирования команд на изменение глубины модуляции для ограничения величины глубины модуляции предварительно заданной большей величиной ограничения или произвольной величиной. При этом в течение времени, когда величина глубины модуляции ограничена больше, чем предварительно заданная величина ограничения, генератор команд на изменение тока генерирует команду на изменение намагничивающей составляющей тока, соответствующую предварительно заданной величине, и команду на изменение моментообразующей составляющей тока статора. Известное устройство позволяет осуществлять надежное векторное управление асинхронным электродвигателем без каких-либо изменений системы управления при переходе от низких скоростей к высоким скоростям, когда величина сигнала команды на изменение напряжения (глубина модуляции) превышает максимально возможное выходное напряжение инвертора, определяемое напряжением источника постоянного тока.
Известен тяговый электропривод, охарактеризованный в патентном описании RU 2209144 C1 (B60L 9/22, Н02Р 7/42, 2003). Известный тяговый электропривод содержит тяговый асинхронный электродвигатель, подключенный к преобразователю, который через входной фильтр, содержащий реактор и конденсатор, подключен к источнику питания - контактной сети постоянного тока. Электродвигатель снабжен датчиком частоты вращения. Управление преобразователем осуществляется устройством, на входы которого поступают сигналы заданной величины вращающего момента, фактической скорости вращения двигателя от датчика скорости и напряжения на реакторе входного фильтра от датчика напряжения. Управление тяговым асинхронным электродвигателем осуществляют путем изменения величины и частоты питающего напряжения. Задают требуемое значение вращающего момента тягового электродвигателя и в зависимости от величины сигнала с датчика частоты вращения электродвигателя формируют импульсы управления преобразователем с частотой и в последовательности, обеспечивающие необходимое изменение величины и частоты питающего электродвигатель напряжения для получения требуемого момента электродвигателя. При этом преобразователь преобразует постоянное напряжение на конденсаторе входного фильтра, поступающее от контактной сети через реактор, в переменное, регулируемое по величине и частоте в соответствии с сигналами устройства управления. Измеряют падение напряжения на реакторе входного фильтра, выделяют переменную составляющую измеренного напряжения, сравнивают ее с заданной величиной, определяя величину и знак рассогласования, и при отрицательном рассогласовании увеличивают частоту питающего электродвигатель напряжения так же пропорционально величине рассогласования, а при положительном - уменьшают частоту питающего электродвигатель напряжения так же пропорционально величине рассогласования. Известное устройство позволяет снизить уровень помех, генерируемых тяговым электроприводом в контактную сеть, и повысить его энергетические показатели.
Известен тяговый электропривод по патенту RU 2299512 C2 (Н02М 7/757, 2007). Известный электропривод содержит асинхронные тяговые электродвигатели, снабженные системой питания с источниками тока. Система питания состоит из входного однозвенного фильтра, состоящего из реактора, подключенного к контактной сети через быстродействующий выключатель и первый пневматический контактор и установленный параллельно ему резистор, и двух последовательно соединенных первого и второго конденсаторов, параллельно каждому из которых подключены соответственно первый и второй тиристорные ограничители напряжения, последовательно каждому из которых подключены первый и второй тормозные резисторы соответственно. Положительная обкладка первого конденсатора соединена со входом первого тиристорного прерывателя, а отрицательная обкладка второго конденсатора - с выходом первого тиристорного прерывателя. Выход первого тиристорного прерывателя и вход второго тиристорного прерывателя подключены через соответствующие обратные диоды к средней точке конденсаторной батареи из первого и второго конденсаторов. К выходу первого тиристорного прерывателя через первый сглаживающий реактор подключен вход первого автономного инвертора тока, последовательно с которым через второй пневматический контактор включен второй автономный инвертор тока, а параллельно второму пневматическому контактору установлена цепь: первый резистор - первый тиристор - второй тиристор - второй резистор, выход которого через второй сглаживающий реактор соединен со входом второго тиристорного прерывателя. Выход первого автономного инвертора соединен с положительной обкладкой первого конденсатора посредством диода, а вход второго автономного инвертора тока через другой диод соединен с отрицательной обкладкой второго конденсатора.
Относительно тяговых частотных электроприводов можно отметить, что характерным для известных устройств является наличие преобразователя частоты, подключенного к электродвигателю. При этом процесс преобразования питающего постоянного тока в трехфазный переменный ток с регулируемыми частотой и напряжением осуществляется без использования в процессе преобразования самого электродвигателя. Во всех рассмотренных устройствах используется асинхронный электродвигатель, который питается от источника постоянного тока через преобразователь частоты. При этом обеспечение необходимых режимов работы тягового электропривода, как правило, предполагает использование ряда дополнительных устройств, например устройства пуска, устройства рекуперации энергии в сеть постоянного тока, фильтров, что усложняет электропривод. К недостаткам известных тяговых электроприводов можно отнести большие массогабаритные показатели, низкий коэффициент полезного действия и высокую стоимость.
Также известен регулируемый электропривод с повышенными характеристиками по патенту RU 2488216 C1 (Н02Р 25/22, Н02Р 27/06, 2013). Известный электропривод содержит питающую сеть постоянного тока и нестандартный трехфазный шестиобмоточный асинхронный электродвигатель. Электропривод имеет три пары одинаковых статорных обмоток, шесть полупроводниковых ключей (транзисторов), которые соединены с питающей сетью постоянного тока и предназначены для соединения со статорными обмотками нестандартного трехфазного шестиобмоточного асинхронного электродвигателя таким образом, чтобы коллекторы нечетных транзисторов были подключены к входам статорных обмоток, а коллекторы четных - к выходам. Эмиттеры транзисторов объединены в общую точку и подключены к минусу питающей сети постоянного тока. При этом выходы нечетных и входы четных обмоток нестандартного шестиобмоточного асинхронного электродвигателя подключены к плюсу питающей сети постоянного тока. Управление транзисторами осуществляется таким образом, чтобы обеспечить подачу на соответствующие стандартные обмотки соответствующего однополупериодного синусоидального напряжения.
В известном электроприводе процесс преобразования питающего постоянного тока в трехфазный переменный ток с регулируемыми частотой и напряжением осуществляется с использованием в процессе преобразования самого электродвигателя. Однако известный электропривод имеет сложную схему управления, что обусловлено использованием для полупроводниковых ключей режима широтно-импульсной модуляции. Кроме того, в известном устройстве не обеспечивается устойчивая работа электропривода на низких частотах из-за невозможности получения на обмотках статора напряжения с приемлемым гармоническим составом.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков с заявляемым изобретением является устройство, приведенное в описании изобретения по патенту RU 2239274 C1 (Н02М 5/297, 2004). Известное устройство содержит преобразователь частоты, который подключен к трехфазной нагрузке. В качестве последней может быть, например, электродвигатель. Преобразователь частоты подключен к трехфазной питающей сети и содержит трансформаторное звено с трехфазными входными и выходными обмотками и коммутирующие элементы, выполненные в виде трехфазных диодных мостов с электронными ключами в цепи постоянного тока. Для получения в первичных обмотках трансформатора трехфазного напряжения повышенной частоты входные цепи преобразователя выполнены аналогично выходным цепям, а именно с применением трех одинаково выполненных трехфазных групп первичных обмоток и трех коммутирующих элементов, каждый в виде трехфазного диодного моста с зажимами переменного тока, подключенными к одноименным выводам первичных обмоток одной из трехфазных групп, а зажимами постоянного тока - к силовым выводам включенного в проводящем направлении транзисторного ключа. При этом другие выводы каждых трех первичных обмоток фаз и групп подключены к одной из фаз питающей сети.
К недостаткам известного решения можно отнести необходимость реализации процессов модуляции и демодуляции при преобразовании переменного тока одной частоты на входе преобразователя частоты в трехфазный переменный ток другой частоты на выходе преобразователя частоты. Кроме того, выходное напряжение содержит весь спектр высших гармонических составляющих. Отмеченные недостатки делают процесс модулирования (преобразования) не эффективным, ограничивают функциональные возможности. Вместе с этим известное техническое решение предполагает использование питающей сети переменного тока и не может быть использовано для преобразования постоянного тока в трехфазный переменный ток с необходимыми частотой и напряжением. Также можно отметить, что в известном техническом решении процесс преобразования питающего трехфазного переменного тока одной частоты в трехфазный переменный ток с регулируемыми частотой и напряжением осуществляется без использования в процессе преобразования самого электродвигателя. Отмеченные недостатки ограничивают функциональные возможности и область использования известного устройства.
Задачей настоящего изобретения является создание тягового частотного электропривода, в котором обмотки статора электродвигателя используются в процессе преобразования (модулирования), что обеспечивает повышение эффективности процесса преобразования, расширение функциональных возможностей и области использования тягового электропривода.
Указанная задача решается тем, что предложен тяговый электропривод, содержащий входные зажимы A, B, C для подключения питающей сети постоянного тока, коммутирующие элементы и асинхронный электродвигатель, включающий ротор, окруженный статором, содержащим трехфазные обмотки, которые выполнены с возможностью обеспечения совместно с соответствующими им коммутирующими элементами модулирования параметров электроэнергии постоянного тока питающей сети. Одни выводы фазных обмоток трехфазных обмоток статора подключены к соответствующим входным зажимам A, B, C, а другие выводы - к соответствующим трехфазным обмоткам коммутирующим элементам. Один из входных зажимов подключен к плюсовому выводу питающей сети, а два других - к минусовому выводу последней.
Вместе с этим статор имеет три одинаково выполненных части, которые расположены последовательно вдоль ротора. Каждая из частей включает две трехфазные обмотки. При этом в каждой из частей статора начальные выводы фазных обмоток одной трехфазной обмотки и концы фазных обмоток другой трехфазной обмотки подключены к соответствующим входным зажимам A, B и C, а другие выводы каждой из трехфазных обмоток подключены к соответствующему этой трехфазной обмотке коммутирующему элементу. Фазные обмотки трехфазных обмоток одной части статора последовательно подключены соответственно к входным зажимам A, B, C, а фазные обмотки трехфазных обмоток других частей статора последовательно подключены соответственно к входным зажимам B, C, А и C, А, В.
Кроме того, коммутирующий элемент выполнен в виде трехфазного диодного моста с электронным ключом в цепи постоянного тока.
В варианте выполнения тяговый электропривод в качестве электронного ключа содержит транзистор.
В другом варианте выполнения тяговый электропривод в качестве электронного ключа содержит тиристор.
Вместе с этим в варианте выполнения тяговый электропривод в качестве электродвигателя содержит асинхронный электродвигатель.
В последнем варианте выполнения ротор электродвигателя выполнен короткозамкнутым
Возможен вариант выполнения, когда тяговый электропривод в качестве электродвигателя содержит синхронный электродвигатель.
Технический результат использования изобретения состоит в том, что оно обеспечивает возможность повышение эффективности процесса преобразования (модулирования) постоянного тока в трехфазный переменный ток с регулируемыми частотой и напряжением, расширение функциональных возможностей и области использования электропривода. Вместе с этим изобретение обеспечивает возможность уменьшения массогабаритных показателей тягового электропривода и снижение стоимости.
A1
B1
C1
A
На фиг. 1 представлена общая схема заявляемого тягового электропривода (на схеме номера позиций для частей статора электродвигателя условно показаны дважды); на фиг. 2 - схема подключения обмоток статора электродвигателя к входным зажимам и коммутирующим элементам; на фиг. 3 - диаграммы формирования напряжения на статорных обмотках статора электродвигателя; на фиг. 4 - диаграммы формирования напряжения на обмотках статора электродвигателя при регулировании напряжения. На диаграммах: U - напряжение, формируемое на фазных обмотках трехфазных обмоток 7, 8 части 4 статора электродвигателя; U - напряжение, формируемое на фазных обмотках трехфазных обмоток 9, 10 части 5 статора электродвигателя; U - напряжение, формируемое на фазных обмотках трехфазных обмоток 11, 12 части 6 статора; U - суммарное фазное напряжение, формируемое в фазе А статора; ω - круговая частота; t - время; 22-27 - интервалы включения соответствующих электронных ключей.
В варианте осуществления изобретения тяговый электропривод в качестве электродвигателя содержит, например, асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором.
Устройство содержит входные зажимы 21 (A, B, C) для подключения питающей сети 20 постоянного тока, асинхронный электродвигатель 1, включающий статор 2 и короткозамкнутый ротор 3. Статор 2 имеет три одинаково выполненных части 4-6, которые расположены последовательно вдоль окруженного статором ротора 3. Каждая из частей статора 2 содержит две трехфазные обмотки. При этом одни выводы фазных обмоток трехфазных обмоток статора подключены к соответствующим входным зажимам A, B, C, а другие выводы - к соответствующим трехфазным обмоткам коммутирующим элементам 13-18. На части 4 статора расположены трехфазные обмотки 7 и 8. На части 5 статора расположены трехфазные обмотки 9 и 10. На части 6 статора расположены трехфазные обмотки 11 и 12. Трехфазные обмотки 7-12 включают фазные обмотки. Начальные выводы фазных обмоток трехфазных обмоток 7, 9, 11, а также концы фазных обмоток трехфазных обмоток 8, 10, 12 подключены к соответствующим входным зажимам A, В и С. Другие выводы фазных обмоток трехфазных обмоток 7-12 подключены к переменным входам соответствующих коммутирующих элементов 13-18, каждый из которых выполнен в виде трехфазного диодного моста с электронным ключом (22-27) в цепи постоянного тока. Коммутирующие элементы подключены к блоку 19 управления.
В другом варианте выполнения (на чертеже не показано) тяговый электропривод в качестве электродвигателя содержит синхронный электродвигатель. В этом варианте, по сравнению с вариантом с асинхронным электродвигателем, электропривод имеет несколько меньшие габариты и более высокий коэффициент мощности, однако при использовании синхронного электродвигателя требуется источник для электропитания ротора.
Тяговый электропривод работает следующим образом.
Преобразование постоянного тока в трехфазный переменный ток с регулируемыми частотой и напряжением в тяговом электроприводе основано на принципе трехполосной модуляции, в котором модулирующая функция формирования выходной частоты и выходного напряжения в каждой фазе статора реализуется путем циклических подключений трехфазных обмоток 7-12 к питающей сети 20 постоянного тока через равные интервалы времени одновременно по трем фазам по круговой диаграмме, а их отключение осуществляется в пределах прямой и обратной полуволн фаз формируемого напряжения.
На фазах обмоток статора электродвигателя формируется переменное трехфазное напряжение с частотой, равной частоте следования управляющих импульсов, поступающих от блока 19 управления на электронные ключи 22-27.
Амплитуда напряжения в фазах статора электродвигателя является суммой напряжений, формируемых на фазных обмотках частей статора электродвигателя.
Плавное регулирование амплитуды напряжений на статоре электродвигателя осуществляется за счет изменения продолжительности включенного состояния электронных ключей 22-27 (транзисторов или тиристоров).
A
На фиг. 3 показана диаграмма формирования напряжения в фазе A (U) статора электродвигателя при включенном состоянии ключей 22-27 в течение 1/2 периода формируемого трехфазного напряжения. На фиг. 4 - то же при включенном состоянии ключей 22-27 в течение 1/6 периода формируемого трехфазного напряжения.
Из диаграмм фиг. 3, 4 видно, что форма выходного напряжения при его регулировании остается неизменной.
Простота управления, широкий и плавный диапазон регулирования частоты и напряжения в фазах электродвигателя (с сохранением гармонического состава напряжения при регулировании), возможность обмена энергией между нагрузкой и питающей сетью (за счет двухсторонней проводимости коммутирующих элементов), исключение фильтров обеспечивают тяговому электроприводу высокий коэффициент полезного действия, меньшие массогабаритные показатели и невысокую стоимость.
Таким образом, благодаря особенности исполнения тягового электропривода изобретение обеспечивает возможность повышения эффективности процесса преобразования постоянного тока в трехфазный переменный ток с регулируемыми частотой и напряжением, расширение функциональных возможностей и области использования тягового электропривода. Вместе с этим изобретение обеспечивает возможность уменьшения массогабаритных показателей и снижение стоимости электропривода.