ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ЭЛЕКТРОВОЗА

Полезная модель относится к области тягового электропривода, направлена на усовершенствование тягового оборудования и может быть использована на электрическом транспорте, особенно электрическом железнодорожном.
Известен тяговый электропривод высокоскоростного электропоезда «Сапсан» серии Velaro RUS производства компании «Сименс Транспортные Системы» с двухсистемными двигателями: для контактной сети 3 кВ постоянного и 25 кВ/50 Гц переменного тока соответственно (А. Липп, Д. Йон, Р. Манглер, В.А. Гапанович, А.С. Назаров, О.Н. Назаров, В.П. Шилкин. Высокоскоростной поезд Velaro для России // «Железные дороги мира». - 2009. - №1. - С. 36-50). Тяговая установка электропоезда содержит два тяговых блока, каждый из которых содержит тяговый преобразователь, блок управления приводом (БУП), четыре параллельно подключенных тяговых двигателя (трехфазных асинхронных с короткозамкнутым ротором), один блок тормозных резисторов, а также ввод для подключения преобразователей собственных нужд к промежуточному звену тягового преобразователя. Тяговый преобразователь состоит из двух четырехквадрантных регуляторов, промежуточного контура постоянного напряжения, импульсного инвертора, тормозного регулятора и поглощающего контура.
Основными недостатками данного тягового электропривода являются сложность и повышенные габариты, связанные с наличием поглощающего контура, а также низкие энергетические и эксплуатационные показатели, обусловленные, малой перегрузочной способностью и большим номинальным скольжением электродвигателя.
Известен тяговый электропривод многосистемного электроподвижного состава, принятый за прототип, содержащий автономный инвертор напряжения и асинхронный тяговый двигатель (Патент RU №2248892, МПК B60L 9/14, B60L 9/22, 27.03.2005).
Недостатками данного тягового электропривода являются низкие энергетические показатели, обусловленные малой перегрузочной способностью и большим номинальным скольжением, присущими самому электродвигателю, а также вследствие наличия высших гармоник в напряжении, питающем электродвигатель, вызывающим пульсации его момента.
Задачей полезной модели является повышение энергетических показателей электропривода.
Технический результат, заключающийся в повышении перегрузочной способности, уменьшении номинального скольжения электродвигателя и использовании высших гармоник напряжения, питающего электродвигатель, достигается тем, что в тяговом электроприводе электровоза, содержащем автономный инвертор напряжения и тяговый асинхронный двигатель, согласно настоящей полезной модели, тяговый асинхронный двигатель выполнен многофазным с количеством фаз статора, превышающим шесть.
Увеличение количества фаз статора двигателя приводит к увеличению перегрузочной способности электродвигателя, снижению номинального скольжения, а высшие гармоники питающего напряжения создают в многофазном электродвигателе магнитные поля, вращающиеся синхронно с полем основной гармоники, не приводящие к пульсациям момента и дополнительным потерям.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан тяговый электропривод электровоза, в котором обмотки фаз статора 9-фазного асинхронного двигателя соединены в звезду, пространственный сдвиг магнитных осей обмоток равен 40°, и питание обмоток осуществляется от автономного инвертора напряжения, обеспечивающего фазовый сдвиг питающих напряжений равный 40°.
На фиг. 1 цифрами обозначены:
1 - многофазный асинхронный двигатель;
2 - автономный инвертор напряжения;
3 - выводы обмотки статора асинхронного двигателя;
4 - обмотка статора асинхронного двигателя;
5 - нейтральная точка;
6 - выводы автономного инвертора напряжения.
Фиг. 2 поясняет структуру магнитного поля в многофазном асинхронном двигателе, образованного гармониками тока разных порядков на примере девятифазного двигателя с числом пар полюсов 2р=2 для гармоник ν с порядковыми номерами 1, 3, 5, 17. Пазам, обозначенным буквами А, В, С, D, F, G, H, J, К, по окружности поперечного разреза статора соответствуют пазы, в которых располагается первая половина витка обмотки фазы, пазам обозначенным буквами со штрихом А′, В′, С′, Q′, F′, G′, Н′, J′, К′, соответствуют пазы, в которых располагается вторая половина витка обмотки фазы.
На фиг.2  представлены случаи:
а) гармоника тока порядка ν=1 (основная гармоника) образует вращающееся магнитное поле с количеством полюсов 2р=2;
б) гармоника тока порядка ν=3 (высшая гармоника) образует вращающееся магнитное поле с количеством полюсов 2p=6;
в) гармоника тока порядка ν=5 (высшая гармоника) образует вращающееся магнитное поле с количеством полюсов 2р=10;
г) гармоника тока порядка ν=17 (высшая гармоника) образует вращающееся магнитное поле с количеством полюсов 2р=2.
Тяговый электропривод электровоза содержит автономный инвертор 2 напряжения, тяговый асинхронный двигатель 1.
Система питания, система управления и передаточный механизм тягового электропривода электровоза для упрощения на чертеже не показаны.
Отличием предлагаемого тягового электропривода электровоза является то, что тяговый асинхронный двигатель 1 выполнен многофазным с количеством фаз статора, превышающим шесть.
Предлагаемый тяговый электропривод электровоза работает следующим образом.
В автономном инверторе 2 напряжения формируются многофазные питающие напряжения, поступающие с выводов 6 инвертора 2 через выводы 3 на статорные обмотки 4 многофазного асинхронного двигателя 1. Выходные напряжения инвертора 2 формируются методом широтно-импульсной модуляции и представляют собой импульсы напряжения прямоугольной формы, смоделированные по широте и частоте. Токи, протекающие по обмоткам 4 статора двигателя 1, содержат нечетные высшие гармоники. Магнитные поля образованные, высшими гармониками порядка ν=3 и ν=5, представленные на фиг.2б и фиг.2в, вращаются синхронно с основным полем (ν=1) и создают вращающий момент, действующий согласно с основным электромагнитным моментом двигателя.
Если рассматривать вращающиеся поля, образованные гармониками с порядковыми номерами до 21 включительно в многофазных двигателях с разным количеством фаз статора, то в девятифазном двигателе положительный вращающий синхронный момент создают гармоники с порядковыми номерами 3, 5, 7, в пятнадцатифазном 3, 5, 9, 13, а в двадцатичетырехфазном - 3, 5, 7, 9, 11. Таким образом, учитывая количество фаз статора многофазного двигателя можно выбирать квазиоптимальное соотношение количества фаз статора с формой моделированного управляющего сигнала для требуемого уровня эффективности привода.
Использование предлагаемой полезной модели позволит повысить энергетические показатели тягового электропривода.