ТЯГОВЫЙ ПРИВОД ЭЛЕКТРОПОЕЗДА ПОСТОЯННОГО ТОКА С ИМПУЛЬСНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ
LOCOMOTIVE DC PULSED-CONTROL TRACTION DRIVE

Изобретение относится к электрооборудованию и преобразовательной технике электроподвижного состава постоянного тока с коллекторными тяговыми двигателями.
Известен тяговый привод электропоезда постоянного тока с импульсным регулированием, содержащий электрический фильтр, четыре тяговых двигателя постоянного тока, соединенных последовательно-параллельно, импульсные регуляторы, питающие цепи последовательно соединенных двигателей, каждый импульсный регулятор содержит тиристор, коммутирующий конденсатор и дроссель. Между каждым импульсным регулятором и двигателем установлен сглаживающий реактор (Б.Н.Тихменев, Л.М.Трахтман / Подвижной состав электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт, 1980, рис.238, стр.244).
Недостатком привода является наличие узла принудительной коммутации тиристоров, приводящего к ухудшению качества регулирования и преобразования напряжения тяговых двигателей. В случае короткого замыкания привод не обеспечивает быстрой ликвидации нарастания аварийного тока, что снижает эффективность защиты от аварийных режимов.
Наиболее близким по технической сущности является привод электропоезда постоянного тока с импульсным регулированием (Патент РФ 2006168), содержащий последовательно подключенные к контактной сети токоприемник, входной дроссель, импульсные преобразователи, каждый из которых содержит импульсный регулятор, параллельно которому подключен фильтровый конденсатор, двигатели, имеющие обмотки якоря и возбуждения, диод, включенный между общей точкой соединения обмоток двигателя, прерывателя и токоприемника, первый и второй коммутационные элементы, конденсатор и дополнительный диод, причем первый коммутационный элемент включен последовательно в цепь импульсного прерывателя и к его контактам подключен конденсатор, а дополнительный диод и второй коммутационный элемент соединены последовательно, и эта цепочка включена параллельно обмоткам двигателя.
Привод обладает повышенной склонностью к боксованию, низкими тяговыми свойствами. Обладая возможностью реализации реостатного торможения, приводом не обеспечивается рекуперативное торможение на сериесном и сериесно-параллельном соединении.
Также приводом не обеспечивается должная защита в режиме короткого замыкания.
Задачей изобретения является обеспечение двух видов электрического торможения: реостатного и рекуперативного, повышение тяговых свойств и эффективности системы защиты тягового привода электропоезда с импульсным регулированием от короткого замыкания за счет совершенствования схемы привода. Второстепенной задачей является обеспечение перехода с одного вида соединения тяговых двигателей на другой без разбора силовой схемы.
Поставленная задача решается тем, что тяговый привод электропоезда постоянного тока с импульсным регулированием, содержащий последовательно подключенные к контактной сети токоприемник, входной дроссель, импульсные преобразователи, каждый из которых содержит импульсный регулятор, параллельно которому подключен фильтровый конденсатор, двигатели, имеющие обмотки якоря и возбуждения, дополнительно содержит новые признаки - импульсные преобразователи выполнены следующим образом: между обмотками якоря и обмотками возбуждения подключена контактная пара обеспечения независимого возбуждения, зашунтированная защитным тиристором, анодом подключенным к общей точке соединения одного из контактов контактной пары обеспечения независимого возбуждения, входной клеммы первой обмотки возбуждения и одного из контактов линейной контактной пары. Другой контакт этой пары подключен к выходу импульсного регулятора, при этом импульсный регулятор и обмотки якоря шунтированы тормозным резистором и контактной парой подключения тормозного резистора. Импульсный регулятор шунтирован контактной парой обеспечения последовательного возбуждения, параллельно импульсному регулятору и линейной контактной паре якорной цепи подключен диод, катодом подключенный к входу импульсного регулятора и анодом к общей точке входа сглаживающего реактора и контактной паре подключения тормозного резистора, а к выходу якорной цепи и катоду защитного тиристора подключена контактная пара выключателя быстродействующего и шунтирующий ее резистор. При этом выход обмотки возбуждения первого импульсного преобразователя имеет связь с «землей» нормально открытой контактной парой и с анодом первого диода перехода, а катод этого диода перехода подключен к выходу выключателя быстродействующего первого импульсного преобразователя, аноду второго диода перехода шунтированного так же, как и первый диод перехода, нормально закрытой контактной парой, катод второго диода перехода подключен к одному из контактов контактной пары якорной цепи и к входу сглаживающего реактора второго импульсного преобразователя.
Положительный эффект изобретения проявляется в том, что предлагаемое техническое решение позволяет реализовать в приводе защиту от к.з., обеспечивает два вида электрического торможения: реостатное и рекуперативное. Дополнительно привод обеспечивает переход с одного вида соединения тяговых двигателей на другой без разбора силовой схемы.
На чертеже представлен тяговый привод электропоезда постоянного тока с импульсным регулированием.
Тяговый привод содержит последовательно подключенные к контактной сети 1 токоприемник 2, входной дроссель 3, два импульсных преобразователя 4 и 5, каждый из которых состоит из двух последовательно соединенных коллекторных тяговых двигателей с обмотками якорей 6 и 7 и обмотками возбуждения 8 и 9. Каждый импульсный преобразователь 4 и 5 содержит также импульсный регулятор (ИР) 10 (чоппер), тормозной резистор 11 подключенный параллельно обмоткам якоря 6 и 7, сглаживающий реактор (СР) 12, включенный между импульсным регулятором 10 и обмотками якорей 6 и 7. Между обмоткой якоря 7 и обмоткой возбуждения 9 подключена нормально замкнутая контактная пара обеспечения независимого возбуждения 13, шунтирующий эту пару защитный тиристор 14, анодом подключенный к общей точке соединения одного контакта контактной пары обеспечения независимого возбуждения 13, входной клеммы первой обмотки возбуждения 9 и одного из контактов линейной контактной пары 15, другой контакт контактной пары 15 подключен к выходу импульсного регулятора 10, при этом импульсный регулятор 10 и обмотки якоря 6 и 7 шунтированы тормозным резистором 11 и контактной парой 16 подключения тормозного резистора 11. Импульсный регулятор 10 каждого импульсного преобразователя 4 и 5 шунтирован контактной парой последовательного возбуждения 18. Параллельно импульсному регулятору 10 и линейной контактной паре 19 якорной цепи подключен диод 20, катодом подключенный к входу импульсного регулятора 10, а анодом подключенный к общей точке соединения входа сглаживающего реактора 12 и одного из контактов контактной пары 16, другой контакт которой соединен с тормозным резистором 11. Диод перехода 17 зашунтирован нормально закрытой контактной парой 23 и подключен к выходу обмотки возбуждения 8, а катодом к выходу контактной пары выключателя быстродействующего 26. К общей точке соединения катода диода перехода 17 и выходу обмотки возбуждения 8 тягового двигателя импульсного преобразователя 4 подключен неподвижный нормально замкнутый контакт контактной пары 24, другой (подвижный) контакт которого подключен к «земле» 25. Между катодом диода перехода 17 и анодом защитного тиристора 14 каждого импульсного преобразователя 4 и 5 подключен контакт контактной пары выключателя быстродействующего 26, шунтированный резистором 27, а общая точка соединения катода диода перехода 17 соединена с анодом другого (второго) диода перехода 28, при этом общая точка катода диода перехода 28 и нормально замкнутой контактной пары 29 его шунтирующей подключена к входу сглаживающего реактора 12 и аноду диода 20 второго импульсного преобразователя 5. Каждый импульсный регулятор 10 подключен к входному дросселю 3 контактной парой 30, к входному дросселю 3 подключен также фильтровый конденсатор 31, последовательно с которым анодом подключен диод 32, катодом подключенный к выходу импульсного регулятора 10.
Схемой предусмотрено 2 группировки соединения тяговых двигателей: последовательное (сериесное-С) четырех последовательно соединенных тяговых двигателя и последовательно-параллельное соединение (сериесно-параллельное-СП) тяговых двигателей - две параллельно соединенные группы из двух последовательно соединенных двигателей.
Ниже приведено назначение специфических элементов привода.
Дроссель 3 и конденсатор 31 образуют фильтр. Тормозной резистор 11 обеспечивает реостатное торможение. Контакты тормозного резистора обеспечивают ступенчатое изменение сопротивления тормозного резистора, а следовательно, величины тока, протекающего через тормозной резистор 11. СР 12 сглаживает пульсации тока якоря, вызванные работой ИР 10 или переключениями секций тормозного резистора 11. Контактная пара 13 обеспечивает независимое возбуждение в режиме электрического торможения. В режиме электрического торможения при независимом возбуждении контактная пара 13 разомкнута. В случае короткого замыкания при работе в режиме последовательного возбуждения обмоток возбуждения 8 и 9 контактную пару 13 размыкают. Защитный тиристор 14 обеспечивает реверсирование тока возбуждения при коротком замыкании в режиме рекуперативного торможения. Контактная пара 15 в замкнутом состоянии обеспечивает режим последовательного возбуждения двигателей. Контактная пара 16 обеспечивает подключение тормозного резистора в случае сбора схемы реостатного или реостатно-рекуперативного торможения. Диоды 17 (первый диод перехода) и 28 (второй диод перехода) обеспечивают перегруппировку двигателей без разрыва силовой цепи, без толчка силы тяги на валу двигателей. Контактная пара 18 обеспечивает шунтирование ИР 10 в случае его выхода из строя, или при работе привода на ходовой позиции электропоезда, или при работе на последовательном возбуждении для снижения потерь энергии в ИР 10. Контактная пара 19 в замкнутом состоянии образует цепь тяги. В режиме электрического торможения контактную пару 19 размыкают. Диод 20 обеспечивает протекание тока рекуперации при ПВ, т.е. минуя ИР 10. Выключатель быстродействующий токоограничивающий (ВБТ) 26 - обеспечивает защиту от перегрузок на всем участке тяговой цепи в режимах тяги и электрического торможения. Резистор 27 обеспечивает ограничение аварийного тока при коротком замыкании. Диод 32 - для развязывания входной цепи питания и «земли» 25.
Подключение подвижных и неподвижных контактов контактных пар к элементам схемы может быть изменено на противоположное. Указанные контактные пары могут являться контактами таких аппаратов как: переключатели, выключатели, контакторы и других коммутационных электрических и пневматических аппаратов и устройств.
Возможно исполнение схемы, согласно которой дроссель 12 может быть установлен между импульсным регулятором 10 и контактной парой 19.
Диаграмма замыкания силовых контактов тягового привода, включая прямые и обратные переходы, с одной группировки тяговых двигателей на другую, представлена ниже в таблице.
Нормальное состояние контактных пар на чертеже соответствует режиму тяги с последовательным (сериесным) включением четырех тяговых двигателей (С-соединение). Количество двигателей в тяговом приводе может быть больше как последовательно, так и параллельно.
Тяговый привод электропоезда работает следующим образом.
В режиме тяги на сериесном соединении (С-соединение) путь тока составит: контактная сеть 1, токоприемник 2, дроссель 3, контактная пара 30, ИР 10, контактная пара 19, сглаживающий реактор 12, обмотки якорей (ОЯ) 6 и 7, контактная пара (переключатель) 13, обмотки возбуждения (OB) 8 и 9 импульсного преобразователя 4, нормально закрытые контактные пары 23 и 29 и далее, аналогичные элементы ИП 5: сглаживающий реактор 12, ОЯ 6 и 7, переключатель 13, OB 8 и 9 импульсного преобразователя 5, «земля» 25.
1
4
При этом максимальное напряжение на каждом из двигателей составит / от напряжения контактной сети 1. Значение напряжения на тяговых двигателях 6 и 7 можно понизить, регулируя его импульсным регулятором 10 одного из ИП, например ИП 4. Для этого открывают/закрывают транзистор ИР 10, уменьшая тем самым длительность проводящего состояния коммутируемого тока.
Для перехода с сериесного соединения (С) на сериесно-параллельное (СП) соединение тяговых двигателей (две параллельные группы из двух последовательно соединенных двигателей) размыкают контактные пары 23 и 29, подготавливая схему к группировке 2×2. Завершают процесс перехода на соединение СП замыканием контактной пары 24.
На соединении СП путь тока составит: контактная сеть 1, токоприемник 2, дроссель 3. Далее цепь разделяется на две параллельные цепи.
Первая цепь: ИП 4 в составе: контактная пара 30, ИР 10, контактная пара 19, сглаживающий реактор 12, ОЯ 6 и 7, контактная пара (переключатель) 13, OB 8 и 9, контактная пара 24, «земля» 25.
Вторая цепь: ИП 5 в составе: контактная пара 30, ИР 10, контактная пара 19, сглаживающий реактор 12, ОЯ 6 и 7, контактная пара (переключатель) 13, OB 8 и 9, «земля» 25.
D
DMIN
DMIN
На соединении СП оба ИР 10 ИП 4 и ИП 5 работают с одинаковой частотой тактирования вентилей. При этом неравенство напряжения в параллельных цепях на тяговых двигателях можно исключить, применив регулирование напряжения в цепи с большим напряжением в соответствии с выражением U=U, где U - напряжение в ветви двигателя с меньшим напряжением. Таким образом решается задача повышения тяговых свойств. Т.е. плавностью преобразования энергии и устранением бросков и пульсаций тока обеспечиваются сцепные свойства колеса с рельсом электропоезда.
На ходовой позиции замыкают контактную пару 18 тем самым, шунтируя ИР 10, и через ОЯ 6 и 7 протекает продолжительный (номинальный) ток. При этом в ИР 10 не происходит электрических потерь, вызванных коммутацией его полупроводниковых элементов, что повышает экономичность привода.
В конце каждой группировки выполняют ослабление поля двигателей. На последовательном возбуждении для этого подключают тормозные резисторы 11, выводя последовательно их ступени.
Переход с одного вида торможения на другой, например с реостатного на рекуперативное, осуществляют в приводе без разбора силовой схемы. Для этого понижают ток возбуждения и выполняют переключения контактов в соответствии с диаграммой замыкания.
При плохих условиях сцепления защита от боксования обеспечивается шунтированием обмоток якорей 6 и 7 резистором 11. Для этого замыкают контакты контактной группы 16.
Защита тягового электропривода работает следующим образом.
При возникновении в тяговой цепи аварийного тока, превышающего уставку срабатывания ВБТ 26, контактную пару ВБТ 26 размыкают, и аварийный ток протекает через резистор 27, тем самым, ограничивая себя по амплитуде и размагничивая цепь возбуждения. При этом тиристором 14 реверсируется (меняет направление) ток возбуждения.
Измерительные устройства - датчики тока и напряжения на схеме привода не показаны.
Контактная пара ВБТ 26 в режиме тяги может быть отключена.
Предлагаемое изобретение позволило уменьшить количество диодов, импульсных преобразователей, конденсаторов и контактов в приводе.
Технический результат изобретения - наличие реостатного и рекуперативного торможения с независимым возбуждением, сокращение массы, снижение массогабаритных показателей, переход с одного вида торможения на другой без разбора силовой схемы. Едиными защитными средствами обеспечивается защита привода от аварийных режимов в реостатном и рекуперативном режимах за счет плавного импульсного управления обеспечивается переход с одного вида соединения тяговых двигателей на другой без разбора силовой схемы.
За счет индивидуального управления обеспечивается выравнивание напряжений последовательно включенных тяговых двигателей.
Таблица
Диаграмма состояния контактов коммутационной аппаратуры тягового электропривода электропоезда с импульсным регулированием
Соединение ТД и режим
Состояние силовых контактов аппаратов
Импульсный преобразователь 4
Импульсный преобразователь 5
13
15
16
18
19
26
30
13
15
16
18
19
26
30
23
24
29
Тяга С-соединение
+
+
+
+
+
+
Тяга С-соединение ходовая позиция
+
+
+
+
+
+
+
Тяга прямой переход С→СП
+
+
+
+
+
Тяга СП-соединение
+
+
+
+
+
+
+
Тяга СП-соединение ходовая позиция
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Тяга, обратный переход СП→С
+
+
+
+
+
+
Переход в рекуперацию СП-соединение
+
+
+
+
+
Рекуперация СП-соединение
+
+
+
+
+
+
+
Рекуперация, переход СП→С
+
+
+
+
+
+
Рекуперация, С-соединение
+
+
+
+
+
+
+
+
Реостатное торможение с независимым возбуждением
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+ контакты замкнуты