МНОГОДВИГАТЕЛЬНЫЙ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту, точнее к электровозам и моторным вагонам с питанием от контактной сети постоянного тока, а конкретно к многодвигательным электроприводам вспомогательного назначения (мотор-вентиляторы и мотор-компрессоры).
Известен и широко применяется многодвигательный вспомогательный электропривод электровозов постоянного тока, содержащий две группы вспомогательных электродвигателей постоянного тока (мотор-вентиляторы и мотор-компрессоры), которые подключены к токоприемнику электровозу [1].
Недостаток такого решения связан с тем, что в качестве указанных электродвигателей небольшой мощности 20-40 кВт приходится использовать высоковольтные двигатели на полное напряжение контактной сети до 4 кВ при наличии кратковременных перенапряжений до 9 кВ. Это существенно осложняет конструктивное исполнение этих двигателей, снижает их надежность в эксплуатации из-за опасности пробоя изоляции.
Кроме того, весьма затруднительно регулирование мотор-вентиляторов в зависимости от требуемого режима охлаждения основного оборудования, например, тяговых электродвигателей электровоза.
Эти недостатки частично устранены в многодвигательном вспомогательном электроприводе электроподвижного состава постоянного тока, содержащем асинхронные электродвигатели, разделенные на группы по условиям регулирования и подключенные к токоприемнику электроподвижного состава через электропреобразовательную установку с гальваническим разделением входных и выходных цепей [2].
Это техническое решение может быть принято в качестве прототипа; оно широко применяется на электропоездах постоянного тока, причем в качестве преобразовательной установки используют мотор-генераторный агрегат, что существенно усложняет вспомогательный электропривод и не обеспечивает возможности регулирования мотор-вентиляторов (в данном случае они предназначены для вентиляции пассажирских салонов).
Техническое решение по данной полезной модели заключается в том, что преобразовательная установка выполнена в виде соединенных последовательно автономного инвертора и трансформатора, а для каждой из групп асинхронных электродвигателей предусмотрен отдельный непосредственный преобразователь частоты, посредством которого соответствующая группа подключена ко вторичной обмотке трансформатора.
Сущность заявленной полезной модели иллюстрируется на конкретном примере ее исполнения, показанном на чертеже, где:
- фиг. 1 - блочная схема электропривода;
- фиг. 2 - принципиальная схема электропривода;
- фиг. 3 - диаграммы напряжений на асинхронных двигателях.
Предполагаемый электропривод (фиг. 1) содержит две группы асинхронных двигателей 1 и 2, которые выполняют функции мотор-вентиляторов МВ и мотор-компрессоров МК. Эти двигатели подключены к выходам непосредственных преобразователей частоты НПЧ соответственно 3 и 4. Входы этих НПЧ подключены ко вторичной обмотке трансформатора Тр 5, первичная обмотка которого соединена с выходом автономного инвертора напряжения АИН 6. Входы этого АИН подключены к токоприемнику 7 и заземляющему устройству 8 электровоза.
На фиг. 2 более подробно показан пример выполнения электропривода в виде принципиальной схемы. В качестве инвертора 5 использована типовая схема АИН [3] с однофазным выходом, нагруженного на первичную обмотку трансформатора 5. Инвертор выполнен на переключателях 6а - 6г (тиристоры с узлами принудительной коммутации или силовые транзисторы). Ко вторичной обмотке трансформатора 5 через НПЧ 3 подключен двигатель 1. Это подключение выполнено посредством контакторов 8-10. НПЧ 3 выполнен по типовой схеме на тиристорах [4].
Аналогичным образом к той же вторичной обмотке трансформатора 5 через контакторы 11-13 и НПЧ 4 подключен двигатель 2. НПЧ 4 выполнен на тиристорах по схеме, аналогичной НПЧ 3.
ф
ф
Предложенный электропривод работает следующим образом. Постоянное напряжение 3 кВ от токоприемника 7 и заземляющего устройства 8 преобразуется АИН 6 в однофазное переменное (фиг. 3а) постоянной частоты f; в рассматриваемом примере принято f=150 Гц. Далее это напряжение понижают трансформатором 5 (до значения 220/380 В) и далее в зависимости от требуемой ступени регулирования двигателей 1-2 преобразуют в трехфазное переменное с величиной фазного напряжения U и частоты f, которые согласно закону частотного регулирования АД должны быть примерно пропорциональны требуемой частоте вращения n, т.е.
ф
ф
В рассматриваемом примере использовано трехступенчатое регулирование, т.е. предусмотрены три ступени для каждой из величин, входящих в выражение (1). Но для группы двигателей 1 (МВ) эти ступени предполагают продолжительный режим, а для группы 2 (МК) ступени с пониженными значениями U и f используют только для пуска.
Рассмотрим реализацию этих ступеней по фиг. 2-3 на примере НПЧ 3 и АД1.
ф
ф
На ступени номинальной частоты вращения n и частоты f=50 Гц включен контактор 10, а контакторы 8-9 выключены. При этом на входы 14-15 НПЧ 3 поступает полное напряжение вторичной обмотки 5. В соответствии с известным алгоритмом работы НПЧ [4] включением его тиристоров формируют на выходе напряжение с частотой 50 Гц (фиг. 3,б), причем каждая полуволна напряжения с частотой 50 Гц формируется из трех полуволн входного напряжения с частотой 150 Гц. На фиг. 3,б показано трехфазное напряжение U с величиной основной гармоники, равной 220 В, что соответствует номинальному режиму АД 1-2.
ф
На ступени f=25 Гц включен контактор 9, а контакторы 8 и 10 выключены. При этом на входы 14-15 НПЧ 3 поступает половина напряжения вторичной обмотки 5. НПЧ 3 формирует трехфазное напряжение по фиг. 3,в. При этом двигатель 1 работает с пониженной в два раза частотой вращения.
Аналогичным образом реализуют еще одну ступень: включен контактор 8, контакторы 9-10 выключены, на входы 14-15 поступает ¼ напряжения обмотки 5. НПЧ 3 формирует трехфазное напряжение 12,5 Гц (фиг. 3,г). При этом двигатель 1 работает с пониженной в 4 раза частотой вращения.
На рис. 3,в и 3,г показана только одна фаза выходного напряжения, т.е. фаза A.
Для МВ 1 обычно используют длительную работу на любой из рассмотренных ступеней в зависимости от фактической нагрузки силового оборудования, в основном тяговых электродвигателей.
Для МК2 ступени 12,5 Гц и 25 Гц используют для пуска, а ступень 50 Гц - для нормальной работы МК.
Возможны варианты выполнения предложенного электропривода. Инвертор 6 и трансформатор 5 могут быть выполнены и на более высокую частоту Г, что позволит увеличить число ступеней регулирования. Для этого следует также увеличить число отпаек вторичной обмотки трансформатора 5.
Практическое использование данной полезной модели на электровозах обеспечивает повышение надежности вспомогательных машин и за счет регулирования мотор-вентиляторов позволяет экономить электроэнергию.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания полезной модели
1. Калинин В.К. Электровозы и электропоезда. М., Транспорт, 1991;
2. Амелин В.М. и др. Электропоезда. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2000;
3. Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи. М., Транспорт, 1999;
4. Устройства силовой электроники железнодорожного подвижного состава. В.М. Антюхин, А.А. Богомяков, Ю.А. Евсеев и др.; под ред. Ю.М. Инькова и Ф.И. Ковалева. - М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2011.