ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
VEHICLE TRACTION DRIVE

Изобретение относится к транспортным средствам, в частности к тяговому электроприводу, и может быть применено на электротранспортных средствах с двигателями постоянного тока, питаемых от генератора переменного тока.
Известен тяговый электропривод автономного транспортного средства, содержащий генератор переменного тока с изолированными друг от друга m-фазными обмотками на статоре с нулевыми выводами и по числу обмоток статора подключенные к их силовым выводам управляемые мостовые выпрямители, к которым подключены тяговые двигатели с последовательным возбуждением, обмотка якоря каждого из которых зашунтирована соединенными последовательно тормозным резистором и диодом, и группы управляемых вентилей, в каждой из которых одни из одноименных выводов вентилей объединены, он снабжен на каждую обмотку статора управляемым вентилем, включенным между нулевым выводом обмотки статора и точкой соединения обмотки возбуждения тягового двигателя и управляемого мостового выпрямителя, причем к точке соединения обмоток тягового двигателя подключена точка соединения одних из выводов группы управляемых вентилей (SU, авторское свидетельство №1197880, Кл. B60L 11/06, опубликованное в 1985 г.).
Недостатком тягового электропривода является то, что число обмоторенных осей транспортного средства ограничено двумя осями.
Известен тяговый электропривод транспортного средства, принятый за прототип, содержащий приводимый во вращение тепловым двигателем тяговый синхронный генератор с двумя статорными трехфазными обмотками, к которым подключены управляемые мостовые выпрямители, по числу тяговых электродвигателей постоянного тока с последовательным возбуждением электропривода транспортного средства, каждый из которых соединен обмоткой якоря и обмоткой возбуждения через коммутационные элементы обмотки возбуждения с выходом своего управляемого выпрямителя, параллельно обмоткам якорей электродвигателей через разделительные диоды и коммутационные элементы подключены тормозные резисторы, при этом разделительные диоды соединены с плюсовыми шинами управляемых мостовых выпрямителей и последовательно с каждым разделительным диодом включен уравнивающий тормозной резистор, каждый из которых соединен с одним общим входом основного тормозного резистора, другой вход основного тормозного резистора через другие дополнительные уравнивающие тормозные резисторы и коммутационные элементы соединен с обмотками якорей тяговых электродвигателей, а обмотки возбуждения тяговых электродвигателей через коммутационные элементы соединены последовательно и подключены к выходу одного из управляемых мостовых выпрямителей (RU, Патент №2317217, Кл. B60L 11/06, опубл. 20.02.2008, Бюл. №5).
Недостатком известного тягового электропривода является то, что в зоне малых скоростей движения от скорости, соответствующей максимальному тормозному усилию, до скорости движения 2-3 км/ч торможение осуществляется при линейном падении тормозного усилия, что соответствует тормозной характеристике, формируемой при постоянном значении тока возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей, и делает работу привода в тормозном режиме малоэффективной.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение зоны скоростей движения, в которой торможение производят с постоянным максимальным тормозящим усилием, создаваемым тяговыми электродвигателями, при повышенном падении напряжения на тормозных резисторах.
Указанный технический результат достигается тем, что в тяговом электроприводе транспортного средства, содержащем приводимый во вращение тепловым двигателем тяговый синхронный генератор со статорной трехфазной обмоткой, к которой подключен мостовой выпрямитель, на выход которого через коммутационные элементы подключены тяговые электродвигатели последовательного возбуждения, параллельно обмоткам якорей электродвигателей через разделительные диоды подключены тормозные резисторы, якори тяговых электродвигателей попарно через соединительные диоды включены в последовательные цепи, число которых соответствует числу пар тяговых электродвигателей, и каждая пара последовательно соединенных тяговых электродвигателей через свой разделительный диод и уравнивающий тормозной резистор, зашунтированный полупроводниковым коммутационным элементом, соединена с общим входом основного тормозного резистора, другой вход которого через коммутационные элементы соединен с якорями тяговых электродвигателей, а обмотки возбуждения тяговых электродвигателей через коммутационные элементы соединены последовательно и подключены к выходу мостового выпрямителя.
На Фиг.1 представлена электрическая схема тягового электропривода транспортного средства.
На Фиг.2 представлена тормозная характеристика электропривода транспортного средства.
Тяговый электропривод транспортного средства (Фиг.1), например шестидвигательный привод, содержит тяговый синхронный генератор 1 с трехфазной статорной обмоткой 2, обмоткой возбуждения 3, приводимой во вращение тепловым двигателем 4. К статорным обмоткам 2 синхронного генератора 1 подключен мостовой выпрямитель 5, содержащий силовые диоды 6…11, и на выход которого подключены тяговые электродвигатели последовательного возбуждения 12…17, каждый из тяговых электродвигателей 12…17 соединен обмоткой якоря через коммутационные элементы поездных контакторов 18…23 и обмоткой возбуждения через коммутационные элементы обмотки возбуждения и коммутационные элементы тормозного переключателя с выходом мостового выпрямителя 5. Так тяговый электродвигатель 12 через коммутационный элемент 18 поездного контактора одним концом своего якоря соединен с плюсовой шиной 24 мостового выпрямителя 5, а другим концом якоря через коммутационный элемент 25 тормозного переключателя соединен через коммутационные элементы 26, 27 или 28, 29 реверсивного переключателя со своей обмоткой возбуждения 30 и через коммутационный элемент 31 тормозного переключателя соединен с минусовой шиной 32 мостового выпрямителя 5.
Тяговый электродвигатель 13 через коммутационный элемент 19 поездного контактора одним концом своего якоря соединен с плюсовой шиной 24 мостового выпрямителя 5, а другим концом якоря через коммутационный элемент 33 тормозного переключателя соединен через коммутационные элементы 34, 35 или 36, 37 реверсивного переключателя со своей обмоткой возбуждения 38 и через коммутационный элемент 39 тормозного переключателя соединен с минусовой шиной 32 мостового выпрямителя 5.
Тяговый электродвигатель 14 через коммутационный элемент 20 поездного контактора одним концом своего якоря соединен с плюсовой шиной 24 мостового выпрямителя 5, а другим концом якоря через коммутационный элемент 40 тормозного переключателя соединен через коммутационные элементы 41, 42 или 43, 44 реверсивного переключателя со своей обмоткой возбуждения 45 и через коммутационный элемент 46 тормозного переключателя соединен с минусовой шиной 32 мостового выпрямителя 5.
Тяговый электродвигатель 15 через коммутационный элемент 21 поездного контактора одним концом своего якоря соединен с плюсовой шиной 24 мостового выпрямителя 5, а другим концом якоря через коммутационный элемент 47 тормозного переключателя соединен через коммутационные элементы 48, 49 или 50, 51 реверсивного переключателя со своей обмоткой возбуждения 52 и через коммутационный элемент 53 тормозного переключателя соединен с минусовой шиной 32 мостового выпрямителя 5.
Тяговый электродвигатель 16 через коммутационный элемент 22 поездного контактора одним концом своего якоря соединен с плюсовой шиной 24 мостового выпрямителя 5, а другим концом якоря через коммутационный элемент 54 тормозного переключателя соединен через коммутационные элементы 55, 56 или 57, 58 реверсивного переключателя со своей обмоткой возбуждения 59 и через коммутационный элемент 60 тормозного переключателя соединен с минусовой шиной 32 мостового выпрямителя 5.
Тяговый электродвигатель 17 через коммутационный элемент 23 поездного контактора одним концом своего якоря соединен с плюсовой шиной 24 мостового выпрямителя 5, а другим концом якоря через коммутационный элемент 61 тормозного переключателя соединен через коммутационные элементы 62, 63 или 64, 65 реверсивного переключателя со своей обмоткой возбуждения 66 и через коммутационный элемент 67 тормозного переключателя соединен с минусовой шиной 32 мостового выпрямителя 5.
Коммутационные элементы 68, 69, 70, 71, 72, 73 являются контактами группового контактора ослабления поля тяговых электродвигателей 12, 13, 14, 15, 16 и 17 и подключают параллельно обмоткам возбуждения 30, 38, 45, 52, 59, 66 резисторы ослабления поля 74, 75, 76, 77, 78, 79. Между якорями тяговых электродвигателей 12 и 13 включен соединительный диод 80, тяговых электродвигателей 14 и 15 включен соединительный диод 81, тяговых электродвигателей 16 и 17 включен соединительный диод 82, образуя последовательные цепи, число которых соответствует числу пар тяговых электродвигателей 12…17, причем соединительные диоды 80, 81 и 82 включены в непроводящем направлении относительно напряжений шин 24 и 32 мостового выпрямителя 5.
Коммутационные элементы 26, 27, 28, 29, 34, 35, 36, 37, 41, 42, 43, 44, 48, 49, 50, 51, 55, 56, 57, 58, 62, 63, 64, 65 являются контактами реверсора, осуществляющего изменение направления движения транспортного средства.
В электрическую цепь, состоящую из коммутационного элемента 18 якоря тягового электродвигателя 12, диода 80, якоря тягового электродвигателя 13, включен разделительный диод 83, уравнивающий тормозной резистор 84, зашунтированный полупроводниковым коммутационным элементом 85.
В электрическую цепь, состоящую из коммутационного элемента 20 якоря тягового электродвигателя 14, диода 81, якоря тягового электродвигателя 15, включен разделительный диод 86, уравнивающий тормозной резистор 87, зашунтированный полупроводниковым коммутационным элементом 88.
В электрическую цепь, состоящую из коммутационного элемента 22 якоря тягового электродвигателя 16, диода 82, якоря тягового электродвигателя 17, включен разделительный диод 89, уравнивающий тормозной резистор 90, зашунтированный полупроводниковым коммутационным элементом 91.
Уравнивающие тормозные резисторы 84, 87 и 90 подключены на общий вход основного тормозного резистора 92, другим входом который подключен к шине 24 мостового выпрямителя 5 и к коммутационным элементам 18, 20 и 22 и соединен с якорями тяговых электродвигателей 12…17.
Обмотки возбуждения тяговых электродвигателей 12…17 привода соединены последовательно, образуя цепь: шина 32 мостового выпрямителя 5, коммутационные элементы 93, 62, обмотка возбуждения 66, коммутационные элементы 63, 94, 55, обмотка возбуждения 59, коммутационные элементы 56, 95, 48, обмотка возбуждения 52, коммутационные элементы 49, 96, 41, обмотка возбуждения 45, коммутационные элементы 42, 97, 34, обмотка возбуждения 38, коммутационные элементы 35, 98, 26, обмотка возбуждения 30, коммутационные элементы 27, 99, шина 24, - и подключены к выходу мостового выпрямителя 5.
Работа электропривода в режиме тяги происходит следующим образом.
Первичный тепловой двигатель 4 приводит во вращение тяговый генератор 1.
Тормозным переключателем, содержащим коммутационные элементы 25, 31, 33, 39, 40, 46, 47, 53, 54, 60, 61, 67, 93, 94, 95, 96, 97 и 98, включают коммутационные элементы 25, 31, 33, 39, 40, 46, 47, 53, 54, 60, 61 и 67 и отключают коммутационные элементы 93, 94, 95, 96, 97 и 98. При выбранном направлении движения транспортного средства, например, «вперед», реверсором, содержащим коммутационные элементы 26, 27, 28, 29, 34, 35, 36, 37, 41, 42, 43, 44, 48, 49, 50, 51, 55, 56, 57, 58, 62, 63, 64 и 65, включают коммутационные элементы 26, 27, 28, 29, 34, 35, 36, 37, 41, 42, 43, 44, 48, 49, 50, 51, 55, 56, 57, 58, 62 и 63 и отключают коммутационные элементы 28, 29, 36, 37, 43, 44, 50, 51, 57, 58, 64 и 65, а при выбранном направлении движения транспортного средства «назад» включают коммутационные элементы 28, 29, 36, 37, 43, 44, 50, 51, 57, 58, 64 и 65 и отключают коммутационные элементы 26, 27, 34, 35, 41, 42, 48, 49, 55, 56, 62 и 63. Включают коммутационные элементы 18, 19, 20, 21, 22 и 23 и подключают к шинам 24 и 32 силового выпрямителя 5: тяговый электродвигатель 12 с последовательной обмоткой возбуждения 30, тяговый электродвигатель 13 с последовательной обмоткой возбуждения 38, тяговый электродвигатель 14 с последовательной обмоткой возбуждения 45, тяговый электродвигатель 15 с последовательной обмоткой возбуждения 52, тяговый электродвигатель 16 с последовательной обмоткой возбуждения 59, тяговый электродвигатель 17 с последовательной обмоткой возбуждения 61. Регулируют ток возбуждения через обмотку возбуждения 3 тягового генератора 1 и возбуждают тяговый генератор 1. Со статорных обмоток 2 тягового генератора 1 переменное трехфазное напряжение подают на вход мостового выпрямителя 5, с выхода которого выпрямленное напряжение подают на тяговые электродвигатели 12…17. Тяговые электродвигатели 12…17 нагружаются токами и моментами, которые определяются сопротивлением движения транспортного средства. Регулирование подводимой к тяговым электродвигателям 12…17 мощности осуществляют изменением тока возбуждения в обмотке 3 тягового генератора 1 по закону постоянства мощности с ограничением последней по максимальному току и напряжению, допустимому для тяговых электродвигателей 12…17.
В режиме тяги привод предусматривает ступенчатое ослабление поля тяговых электродвигателей 12…17, для чего через коммутационные элементы 68, 69, 70, 71, 72 и 73 группового контактора ослабления поля подключают параллельно обмоткам возбуждения 30, 38, 45, 52, 59 и 61 резисторы 74, 75, 76, 77, 78 и 79 ослабления поля.
Работа электропривода в режиме реостатного торможения происходит следующим образом.
Для обеспечения перехода из режима тяги в режим реостатного торможения снимают возбуждение тягового генератора 1, для чего уменьшают до нуля ток возбуждения в обмотке возбуждения 3 тягового генератора 1. Отключают коммутационные элементы 18, 19, 20, 21, 22 и 23 поездных контакторов в цепях питания тяговых электродвигателей 12, 13, 14, 15, 16 и 17. Отключают коммутационные элементы 25, 31, 33, 39, 40, 46, 47, 53, 54, 60, 61 и 67, и включают коммутационные элементы 93, 94, 95, 96, 97 и 98 тормозного переключателя.
Якори тяговых электродвигателей 12 и 13, 14 и 15, 16 и 17 попарно через соединительные диоды 80, 81 и 82, разделительные диоды 83, 86 и 89, а также уравнивающие тормозные резисторы 84, 87 и 90, каждый из которых зашунтирован своим полупроводниковым коммутационным элементом 85, 88, 91, образуют последовательные цепи, соединенные с одним входом основного тормозного резистора 92. Включают коммутационные элементы 18, 20 и 22 поездных контакторов и соединяют другой вход основного тормозного резистора 92 с якорями тяговых электродвигателей 12, 14 и 16 и замыкают силовые тормозные цепи тяговых электродвигателей 12…17. Включают коммутационный элемент 99, который является контактом тормозного контактора. Обмотки возбуждения 30, 38, 45, 52, 59 и 61 тяговых электродвигателей 12…17 соединяются последовательно, образуя цепь, например, при включении реверсора в направлении движения «вперед»: плюсовая шина 24 мостового выпрямителя 5, коммутационные элементы 99, 27, обмотка возбуждения 30, коммутационные элементы 26, 98, 37, обмотка возбуждения 38, коммутационные элементы 34, 97, 42, обмотка возбуждения 45, коммутационные элементы 41, 96, 49, обмотка возбуждения 52, коммутационные элементы 48, 95, 56, обмотка возбуждения 59, коммутационные элементы 55, 94, 63, обмотка возбуждения 61, коммутационные элементы 62, 93, шина 32 мостового выпрямителя 5.
Регулируя ток возбуждения в обмотке возбуждения 3 тягового генератора 1, устанавливают ток возбуждения в цепи последовательно включенных обмоток возбуждения 30, 38, 45, 52, 59 и 61 тяговых электродвигателей 12…17. Тяговые электродвигатели возбуждаются, и на их якорях появляется ЭДС обратной полярности по сравнению с ЭДС, действующей на этих якорях в режиме тяги, поскольку изменилось направление протекания тока в обмотках возбуждения. Величина ЭДС тормозящих электродвигателей определяется током возбуждения и частотой вращения тормозящих электродвигателей 12…17 (скоростью движения транспортного средства).
Через тормозные резисторы 84, 87, 90 и 92 протекают токи торможения электродвигателей 12…17. Численное значение токов торможения регулируют изменением тока возбуждения тягового генератора 1 и изменением величины сопротивления уравнивающих тормозных резисторов 84, 87 и 90, для чего шунтирующие уравнивающие резисторы 84, 87 и 90 полупроводниковые коммутационные элементы 85, 88 и 91 переводят в режим ШИМ-модуляции.
1
2
Тормозная характеристика в зависимости от скорости движения транспортного средства формируется следующим образом. Если транспортное средство в режиме торможения перемещается в диапазоне скоростей движения V-V, то тормозная характеристика 1 (Фиг.2) формируется при постоянной тормозной мощности Ртор=Const, неизменной величины сопротивления тормозных резисторов 84, 87, 90 и 92, регулированием тока возбуждения тормозящих электродвигателей, и регулирование тока возбуждения производят до достижения допустимого максимального значения тока возбуждения, и это соответствует максимальному значению тормозного усилия (точка «б», Фиг.2).
2
3
Если транспортное средство в режиме торможения перемещается в диапазоне скоростей движения V-V, то тормозная характеристика 2 (Фиг.2) формируется при постоянном допустимом максимальном значении тока возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей и постоянном допустимом максимальном значении тока тормозящих электродвигателей при изменяющемся сопротивлении тормозных резисторов 84, 87 и 90 за счет работы в режиме ШИМ-модуляции шунтирующих эти резисторы полупроводниковых коммутационных элементов 85, 88 и 91.
3
Точка «в» на тормозной характеристике 2, Фиг.2, соответствует режиму торможения полностью закороченных коммутационными элементами 85, 88 и 91 резисторов 84, 87 и 90, и дальнейший режим торможения в зоне скоростей движения V- 0 производится при постоянном максимальном допустимом значении тока возбуждения тормозящего электродвигателя и постоянном значении сопротивления тормозных резисторов по характеристике 3, Фиг.2.
Для создания условий для работы привода в зоне малых скоростей движения транспортного средства при постоянном значении тормозного усилия, когда ЭДС двигателей незначительна, с целью повышения напряжения на основном тормозном резисторе 92, который применен для подключения к части этого резистора электродвигателя вентилятора охлаждения тормозных резисторов (на чертеже не показан), якори тормозящих электродвигателей попарно включены последовательно.
Предложенный тяговый привод позволяет обеспечить режим торможения транспортного средства, близкий к остановочному тормозу.
Предложенный тяговый привод предполагается использовать на вновь проектируемом маневровом тепловозе для тяжелых горочных работ.