ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА
DC ELECTRIC TRACTION DRIVE

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта и может быть применено на транспортных средствах с тяговыми электродвигателями постоянного тока, в частности на маневровых тепловозах с тяговыми электродвигателями постоянного тока.
Известен тяговый электропривод транспортного средства, содержащий тяговые электродвигатели постоянного тока последовательного возбуждения, которые посредством преобразователей постоянного напряжения через входной LC-фильтр подключены к источнику питания, сглаживающие реакторы, включенные последовательно с якорными обмотками тяговых электродвигателей, шунтирующие резисторы, включенные параллельно обмоткам возбуждения тяговых электродвигателей, балластные резисторы с контакторами шунтирования, тормозные резисторы, соединенные последовательно с силовыми полупроводниковыми ключами, регуляторы токов возбуждения, диодные мосты, в диагонали постоянного тока которых включены обмотки возбуждения тяговых электродвигателей, причем параллельно обмоткам возбуждения включены регуляторы токов возбуждения, при этом каждый преобразователь постоянного напряжения состоит из четырех силовых полупроводниковых ключей с обратной проводимостью, соединенных между собой в виде моста, диагональ постоянного тока которого с включенным в нее тормозным резистором и силовым полупроводниковым ключом подключена к входному LC-фильтру, в диагональ переменного тока преобразователя включены соединенные последовательно якорные обмотки тяговых электродвигателей, сглаживающий реактор, балластный резистор с контактором шунтирования и диагональ переменного тока диодного моста (патент на изобретение RU №2215660 С1, МПК B60L 7/12, опубл. в 2003 г.).
Известный тяговый электропривод транспортного средства обладает широкими функциональными возможностями. Недостатками известного тягового электропривода являются недостаточная надежность, связанная со сложностью средств регулирования скоростью электродвигателей и потерей энергии при ее передаче от электродвигателя.
Известен тяговый электропривод транспортного средства, содержащий тяговые электродвигатели постоянного тока последовательного возбуждения, подключенные к выходу преобразователя напряжения, параллельно обмоткам возбуждения тяговых электродвигателей включены регуляторы токов возбуждения, преобразователь напряжения состоит из двух регулируемых тиристорных выпрямителей, входы которых подключены к источнику трехфазного переменного напряжения, а их выходы соединены последовательно и являются выходом преобразователя напряжения, регулятор токов возбуждения выполнен в виде блока резисторов, каждый из которых подключен к обмотке возбуждения соответствующего тягового электродвигателя через контактор, а через второй контактор параллельно блоку резисторов включен шунтирующий элемент, при этом цепи управления контакторов и входы управления тиристорных выпрямителей подключены к соответствующим выходам контроллера (патент на изобретение RU №2309057 С2, МПК B60L 9/08, опубл. в 2007 г.).
Недостатками тягового электропривода являются недостаточная надежность работы тягового электропривода при обеспечении работы его в расширенном диапазоне скоростей, в том числе в режиме плавного регулирования скорости при глубоком регулировании тиристорных выпрямителей и потере энергии из-за возможной потери синхронизации.
Известен тяговый электропривод постоянного тока, принятый за прототип, содержащий тяговые электродвигатели постоянного тока последовательного возбуждения, подключенные к выходу преобразователя напряжения, вход которого предназначен для подключения источника трехфазного напряжения, причем к якорной обмотке первого тягового электродвигателя постоянного тока подключены последовательно соединенные обмотка возбуждения первого тягового электродвигателя постоянного тока, первый датчик тока, к якорной обмотке второго тягового электродвигателя постоянного тока подключены последовательно соединенные обмотка возбуждения второго тягового электродвигателя постоянного тока, второй датчик тока, свободные выходы якорных обмоток первого и второго тяговых двигателей постоянного тока подключены к плюсовой клемме преобразователя напряжения, свободные выходы первого и второго датчиков тока соединены с коллекторами соответственно первого и второго биполярных транзисторов с изолированными затворами, эмиттеры биполярных транзисторов с изолированным затвором соединены между собой и подключены к минусовому выводу преобразователя напряжения, к плюсовому выводу источника питания и к коллекторам каждого биполярного транзистора с изолированным затвором подключены два датчика напряжения, выходы которых соединены, соответственно, с третьим и четвертым входами блока управления, параллельно-последовательно соединенным якорным обмоткам и обмоткам возбуждения каждого тягового электродвигателя постоянного тока подключены диоды, причем катоды диодов подключены к плюсовой клемме источника питания, а аноды подключены к коллекторам первого и второго биполярного транзистора с изолированным затвором (патент на изобретение RU №2440900 С1, МПК B60L 9/00, опубл. в 2012 г.).
Недостатком тягового электропривода является отсутствие возможности использования электрического торможения, в том числе использования рекуперации энергии торможения в источник питания, а также отсутствие возможности использования альтернативных источников питания.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности, расширение функциональных возможностей тягового электропривода постоянного тока путем обеспечения его работы в режиме электрического торможения, а также обеспечение возможности использования тягового электропривода постоянного тока в гибридном и другом автономном транспорте.
Указанный технический результат достигается тем, что тяговый электропривод постоянного тока, содержащий тяговый электродвигатель постоянного тока, преобразователь напряжения, биполярный транзистор с изолированным затвором, соединенные последовательно якорную обмотку и обмотку возбуждения тягового электродвигателя постоянного тока, параллельно которым в непроводящем направлении подключен диод, анод которого подключен к коллектору биполярного транзистора с изолированным затвором, дополнительно снабжен накопителем энергии, двумя дополнительными диодами, тормозным резистором и восемью коммутационными элементами, причем плюсовой вывод накопителя энергии подключен непосредственно к плюсовой клемме преобразователя напряжения и катоду первого дополнительного диода и соединен через первый коммутационный элемент с катодом второго дополнительного диода и одним из выводов обмотки возбуждения тягового электродвигателя постоянного тока, второй вывод обмотки возбуждения которого соединен с коллектором биполярного транзистора с изолированным затвором, минусовый вывод накопителя энергии через второй коммутационный элемент соединен с общей точкой соединения третьего, четвертого и пятого коммутационных элементов, шестой коммутационный элемент подключен между соответствующими точками соединения обмотки возбуждения тягового электродвигателя постоянного тока и катодом второго дополнительного диода и свободным выводом якорной обмотки тягового электродвигателя постоянного тока, который через седьмой коммутационный элемент соединен с одним из выводов тормозного резистора, другой вывод которого соединен с общей точкой подключения анода первого дополнительного диода, катода диода и якорной обмотки тягового электродвигателя постоянного тока, которая соединена через восьмой коммутационный элемент с плюсовой клеммой преобразователя напряжения, свободный вывод четвертого коммутационного элемента соединен с коллектором биполярного транзистора с изолированным затвором, эмиттер которого соединен с минусовой клеммой преобразователя напряжения и свободным выводом пятого коммутационнного элемента, а второй дополнительный диод включен в непроводящем направлении параллельно обмотке возбуждения тягового электродвигателя постоянного тока, причем преобразователь напряжения может быть выполнен в виде дизель-генераторной установки постоянного тока или в виде неуправляемого выпрямителя, а накопитель энергии может быть выполнен в виде аккумуляторной батареи или в виде конденсатора большой емкости.
На чертеже изображена принципиальная электрическая схема предлагаемого тягового электропривода постоянного тока.
Тяговый электропривод постоянного тока содержит тяговый электродвигатель Э1 постоянного тока, преобразователь 1 напряжения, биполярный транзистор 2 с изолированным затвором, соединенные последовательно якорную обмотку 3 и обмотку 4 возбуждения тягового электродвигателя Э1 постоянного тока, параллельно которым в непроводящем направлении подключен диод 5, анод которого подключен к коллектору биполярного транзистора 2 с изолированным затвором, накопитель 6 энергии, два дополнительных диода 7 и 8, тормозной резистор 9 и восемь коммутационных элементов 10-17, причем плюсовой вывод накопителя энергии 6 подключен непосредственно к плюсовой клемме преобразователя 1 напряжения и катоду первого дополнительного диода 7, через первый коммутационный элемент 10 с катодом второго дополнительного диода 8 и одним из выводов обмотки возбуждения 4 тягового электродвигателя Э1 постоянного тока, второй вывод обмотки возбуждения 4 которого соединен с коллектором биполярного транзистора 2 с изолированным затвором, минусовый вывод накопителя 6 энергии через второй коммутационный элемент 11 соединен с общей точкой соединения третьего 12, четвертого 13 и пятого 14 коммутационных элементов, шестой коммутационный элемент 15 подключен между соответствующими точками соединения обмотки возбуждения 4 тягового электродвигателя Э1 постоянного тока и катодом второго дополнительного диода 8 и свободным выводом якорной обмотки 3 тягового электродвигателя Э1 постоянного тока, которая через седьмой коммутационный элемент 16 соединена с одним из выводов тормозного резистора 9, другой вывод которого соединен с общей точкой подключения анода первого дополнительного диода 7, катода диода 5 и якорной обмотки 3 тягового электродвигателя Э1 постоянного тока, которая соединена через восьмой коммутационный элемент 17 с плюсовой клеммой преобразователя 1 напряжения, свободный вывод четвертого коммутационного элемента 13 соединен с коллектором биполярного транзистора 2 с изолированным затвором, эмиттер которого соединен с минусовой клеммой преобразователя 1 напряжения и свободным выводом пятого коммутационного элемента 14, а второй дополнительный диод 8 включен в непроводящем направлении параллельно обмотке 4 возбуждения тягового электродвигателя Э1 постоянного тока.
Тяговый электропривод постоянного тока работает следующим образом.
В режиме тяги с питанием от накопителя 6 энергии с выходов блока управления (на чертеже не показан) подаются импульсы управления на затвор биполярного транзистора 2 с изолированным затвором, коэффициент заполнения которых соответствует заданному значению напряжения на тяговом электродвигателе постоянного тока. С помощью блока управления включают второй 11, пятый 14, шестой 15 и восьмой 17 коммутационные элементы, во время импульса обеспечивающие протекание тягового тока по контуру: плюсовой зажим накопителя 6 энергии, замкнутый восьмой коммутационный элемент 17, якорная обмотка 3 тягового электродвигателя Э1 постоянного тока, замкнутый шестой коммутационный элемент 15, обмотка 4 возбуждения тягового электродвигателя Э1 постоянного тока, включенный биполярный транзистор 2 с изолированным затвором, замкнутый пятый коммутационный элемент 14, замкнутый второй коммутационный элемент 11, минусовый зажим накопителя 6 энергии. В режиме паузы (когда биполярный транзистор 2 с изолированным затвором выключен) энергия от накопителя 6 энергии не потребляется, электромагнитная энергия, запасенная в индуктивности якорной обмотки 3 и обмотки 4 возбуждения тягового электродвигателя Э1 постоянного тока циркулирует по контуру: якорная обмотка 3 тягового электродвигателя Э1 постоянного тока, замкнутый шестой коммутационный элемент 15, обмотка 4 возбуждения тягового электродвигателя Э1 постоянного тока, открытый диод 5. Напряжение, приложенное к якорной обмотке 3 и обмотке возбуждения 4 тягового электродвигателя Э1 постоянного тока, определяется выражением:
,
дв
где: U - напряжение на тяговом электродвигателе Э1 постоянного тока;
6
U - напряжение накопителя 6 энергии;
1
λ - коэффициент заполнения управляющих импульсов биполярного транзистора 2 с изолированным затвором.
1
1
Путем изменения коэффициента заполнения λ от 0 до 1 напряжение на тяговом электродвигателе Э1 постоянного тока изменяется от 0 до U, что обеспечивает плавное регулирование тягового электропривода постоянного тока во всем диапазоне скоростей.
В режиме тяги с питанием от преобразователя 1 напряжения аналогично предыдущему режиму с выходов блока управления (на чертеже не показан) подаются импульсы управления на затвор биполярного транзистора 2 с изолированным затвором, коэффициент заполнения которых соответствует заданному значению напряжения на тяговом электродвигателе Э1 постоянного тока. С помощью блока управления включают шестой 15 и восьмой 17 коммутационные элементы, во время импульса обеспечивающие протекание тягового тока по контуру: плюсовая клемма преобразователя 1 напряжения, замкнутый восьмой коммутационный элемент 17, якорная обмотка 3 тягового электродвигателя Э1 постоянного тока, замкнутый шестой коммутационный элемент 15, обмотка 4 возбуждения тягового электродвигателя Э1 постоянного тока, включенный биполярный транзистор 2 с изолированным затвором, минусовая клемма преобразователя 1 напряжения.
Напряжение, приложенное к якорной обмотке 3 и обмотке возбуждения 4 тягового электродвигателя Э1 постоянного тока в этом режиме, определяется выражением:
,
дв
где: U - напряжение на тяговом электродвигателе Э1 постоянного тока;
1
U - напряжение преобразователя 1 напряжения;
1
λ - коэффициент заполнения управляющих импульсов биполярного транзистора 2 с изолированным затвором.
При электрическом торможении тягового электропривода постоянного тока ток возбуждения тягового электродвигателя Э1 постоянного тока регулируется путем изменения коэффициента заполнения импульсов управления на затворе биполярного транзистора 2 с изолированным затвором, при этом ток возбуждения тягового электродвигателя Э1 постоянного тока определяется при питании от преобразователя 1 напряжения следующим выражением:
,
вдв
где J - ток возбуждения тягового электродвигателя Э1 постоянного тока;
1
U - напряжение преобразователя 1 напряжения;
ов
R - сопротивление обмотки 4 возбуждения тягового электродвигателя Э1 постоянного тока
1
λ - коэффициент заполнения управляющих импульсов биполярного транзистора 2 с изолированным затвором.
В случае питания от накопителя 6 энергии ток возбуждения тягового электродвигателя Э1 постоянного тока определяется следующим выражением:
5
вдв
где U - напряжение на тяговом электродвигателе Э1 постоянного тока;
6
U - напряжение накопителя 6 энергии;
ов
R - сопротивление обмотки 4 возбуждения тягового электродвигателя Э1 постоянного тока
1
λ - коэффициент заполнения управляющих импульсов биполярного транзистора 2 с изолированным затвором.
При работе тягового электропривода постоянного тока в режиме электрического тормоза возможны три случая:
1. Электрическое реостатное торможение, при котором энергия торможения, вырабатываемая в якорной обмотке 3 тягового электродвигателя Э1 постоянного тока, преобразуется в тепловую энергию, рассеиваемую в тормозном резисторе 9. Цепь протекания тормозного тока образуется включением блоком управления (на чертеже не показан) седьмого коммутационного элемента 16, а цепь питания обмотки 4 возбуждения тягового электродвигателя Э1 постоянного тока образуется включением блоком управления (на чертеже не показан) первого коммутационного элемента 10, при этом образуется следующий контур для протекания тока возбуждения: плюсовые клеммы преобразователя 1 напряжения и накопителя 6 энергии, замкнутый первый коммутационный элемент 10, обмотка возбуждения 4 тягового электродвигателя Э1 постоянного тока, биполярный транзистор 2 с изолированным затвором, минусовая клемма преобразователя 1 напряжения для случая питания от преобразователя 1 напряжения или замкнутые пятый 14 и второй 11 коммутационные элементы, и минусовая клемма накопителя 6 энергии для случая питания от накопителя 6 энергии.
2. Электрическое рекуперативное торможение, при котором энергия торможения, вырабатываемая в якорной обмотке 3 тягового электродвигателя Э1 постоянного тока, преобразуется в энергию заряда накопителя 6 энергии. Цепь протекания тормозного тока образуется включением блоком управления (на чертеже не показан) второго 11 и третьего 12 коммутационных элементов, а цепь питания обмотки 4 возбуждения тягового электродвигателя Э1 постоянного тока образуется включением блоком управления (на чертеже не показан) первого коммутационного элемента 10, при этом образуется следующий контур для протекания тока возбуждения: плюсовая клемма накопителя 6 энергии, замкнутый первый коммутационный элемент 10, обмотка возбуждения 4 тягового электродвигателя Э1 постоянного тока, биполярный транзистор 2 с изолированным затвором, замкнутые пятый 14 и второй 11 коммутационные элементы, минусовая клемма накопителя 6 энергии.
3. Электрическое рекуперативное торможение, при котором энергия торможения, вырабатываемая в якорной обмотке 3 тягового электродвигателя Э1 постоянного тока, преобразуется в механическую энергию вращения выполненного в виде дизель-генераторной установки постоянного тока преобразователя 1 напряжения. Цепь протекания тормозного тока образуется первым дополнительным диодом 7 в цепи плюсового зажима преобразователя 1 напряжения, а также включением блоком управления (на чертеже не показан) третьего 12 и пятого 14 коммутационных элементов в цепи минусового зажима преобразователя 1 напряжения, а цепь питания обмотки 4 возбуждения тягового электродвигателя Э1 постоянного тока образуется включением блоком управления (на чертеже не показан) первого коммутационного элемента 10, при этом образуется следующий контур для протекания тока возбуждения: плюсовая клемма накопителя 6 энергии, замкнутый первый коммутационный элемент 10, обмотка возбуждения 4 тягового электродвигателя Э1 постоянного тока, биполярный транзистор 2 с изолированным затвором, минусовая клемма преобразователя 1 напряжения. Дизель-генераторная установка постоянного тока в этом режиме принимает энергию торможения от якорной обмотки 3 тягового электродвигателя Э1 постоянного тока, работающего в режиме генератора постоянного тока независимого возбуждения, и преобразует ее в механическую энергию вращения вала дизель-генераторной установки постоянного тока, при этом уменьшается потребление дизельного топлива.
При работе тягового электропривода постоянного тока в режиме заряда накопителя 6 энергии от преобразователя 1 напряжения цепь заряда накопителя 6 энергии образуется следующим образом: с выходов блока управления (на чертеже не показан) подаются импульсы управления на затвор биполярного транзистора 2 с изолированным затвором, коэффициент заполнения которых соответствует заданному значению зарядного тока. С помощью блока управления (на чертеже не показан) включают второй 11 и четвертый 13 коммутационные элементы, во время импульса обеспечивающие протекание тягового тока по контуру: плюсовая клемма преобразователя 1 напряжения, накопитель 6 энергии, замкнутый второй коммутационный элемент 11, замкнутый четвертый коммутационный элемент 13, включенный биполярный транзистор 2 с изолированным затвором, минусовая клемма преобразователя 1 напряжения. Преобразователь 1 напряжения в этом случае выполняется в виде неуправляемого выпрямителя, питающегося от внешнего источника переменного напряжения, например от промышленной сети 380 В, 50 Гц (на чертеже не показано).
Предлагаемое изобретение реализует поставленную задачу - повышает надежность тягового электропривода постоянного тока, расширяет функциональные возможности за счет использования электрического торможения, в том числе использования рекуперации энергии торможения в источник питания, а также обеспечивает возможность использования альтернативных источников питания.
Тяговый электропривод постоянного тока опробован на стенде и показал положительные результаты.