Преобразователь тяговый локомотива
TRACTION CONVERTER OF LOCOMOTIVE

Изобретение относится к областям электротехники и железнодорожного транспорта, в частности - к преобразованию переменного либо постоянного тока в стабильный по напряжению постоянный с последующим преобразованием его в регулируемый переменный для питания асинхронных тяговых двигателей, собственных нужд локомотива и внешних потребителей транспортных средств, а также в постоянный для собственных нужд локомотива, в частности маневровых локомотивов с гибридной силовой установкой.
Из уровня техники известен тяговый преобразователь напряжения с интегрированным зарядным устройством по патенту РФ №175680 на полезную модель, с датой публикации 14.12.2017. Тяговый преобразователь напряжения с интегрированным зарядным устройством содержит инвертор для управления электрической машиной, который включает в себя ряд полупроводниковых ключей и полупроводниковых диодов.
Недостатками тягового преобразователя напряжения с интегрированным зарядным устройством являются отсутствие возможностей работы с дизель-генераторной установкой и управления вспомогательными машинами транспортного средства.
Известен гибридный источник энергии по патенту UA №46038 на изобретение, с датой публикации 15.05.2002. Гибридный источник энергии содержит аккумуляторную батарею, к которой подсоединен управляемый преобразователь напряжения, который запитывается от генератора.
Недостатками гибридного источника энергии являются ограничение функциональных возможностей, а именно отсутствие возможностей работы с асинхронными тяговыми двигателями, управления вспомогательными машинами транспортного средства и питания от внешней сети.
Известно изобретение «Способ управления взаимосвязанными электроприводами с рекуперацией электрической энергии» по патенту BY №19919 с датой публикации 28.02.2016. Способ реализуется при функционировании системы, которая включает в себя взаимосвязанные электроприводы с рекуперацией электрической энергии, и характеризуется частотным управлением электромеханическими системами приводов, содержащими асинхронные электродвигатели с короткозамкнутыми роторами. Статические преобразователи частоты в системе обеспечивают заданные режимы частоты вращения их роторов путем соответствующего изменения частоты и значения выходного напряжения инверторов статических преобразователей частоты, а также рекуперацией энергии торможения от асинхронных электродвигателей с короткозамкнутыми роторами, частота вращения которых превышает синхронную частоту вращения магнитного поля статора, а также параллельным подключением к питающей сети фазных обмоток статоров асинхронных электродвигателей через статические преобразователи частоты и параллельным соединением одноименных полюсов входов их инверторов.
Недостатком системы управления взаимосвязанными
электроприводами с рекуперацией электрической энергии является отсутствие возможности работы с дизель-генераторной установкой и накопителями энергии.
Известен локомотивный преобразователь собственных нужд по патенту РФ №2332777 с датой публикации 27.08.2008. Локомотивный преобразователь характеризуется тем, что к выходу звена постоянного напряжения параллельно подключен трехфазный автономный инвертор напряжения для питания трехфазных нагрузок.
Недостатком локомотивного преобразователя собственных нужд является отсутствие возможностей работы с дизель-генераторной установкой и управления тягой транспортного средства.
Из уровня техники известен преобразователь тяговый локомотива по патенту РФ №2612075 с датой публикации 02.03.2017. Преобразователь тяговый локомотива содержит n-число каналов преобразования электрической энергии, соединенных между собой промежуточной шиной питания. Каналы преобразования формируются зарядно-разрядным преобразователем, содержащий первичный источник питания. При этом зарядно-разрядный преобразователь, устройство управления током возбуждения, первичный источник питания соединены между собой. Кроме того, зарядно-разрядный преобразователь и первичный источник питания содержат программное обеспечение, позволяющее осуществлять управление, защиту и диагностику собственного канала.
Недостатками преобразователя тягового локомотива являются отсутствие возможности работы с асинхронными тяговыми двигателями, что не позволяет развить максимально возможную силу тяги по сцеплению колеса с рельсом, поскольку система управления коллекторными тяговыми двигателями обладает большой инерционностью и не успевает быстро парировать срыв колеса в боксование, что в свою очередь приводит к потере тяги.
Известно транспортное средство с системой управления вспомогательными устройствами с электроприводом по патенту ЕА №031538 с датой публикации 31.01.2019. Транспортное средство характеризуется тем, что толкает и тянет локомотив, использующий электрические двигатели колеса, которые получают питание посредством электрического распределения энергии от одного или более генераторов, размещенных в локомотиве. Транспортное средство содержит преобразователь, выполненный с возможностью приема первого напряжения от источника питания и преобразования первого напряжения во второе напряжение; электродвигатель; систему вспомогательного инвертора, электрически соединенную с выходом преобразователя и вспомогательным устройством, имеющим электродвигатель, при этом система вспомогательного инвертора выполнена с возможностью преобразования второго напряжения, принятого от преобразователя, для питания электродвигателя; линию связи между контроллером и системой вспомогательного инвертора; один тяговый инвертор, электрически соединенный с источником питания; один тяговый двигатель, электрически соединенный с тяговым инвертором. Кроме того, система вспомогательного инвертора может содержать множество вспомогательных инверторов. Кроме того, система вспомогательного инвертора может содержать устройство хранения энергии. Источник питания транспортного средства может представлять собой генератор переменного тока. Режим работы транспортного средства может являться либо режимом движения, либо режимом холостого хода, либо режимом торможения.
Недостатками транспортного средства с системой управления вспомогательными устройствами с электроприводом являются отсутствие возможности работы с асинхронными генераторами и генераторами с низким уровнем напряжения, а также низкий КПД из-за двухкаскадного преобразования энергии для электропитания вспомогательных машин.
Из уровня техники известна группа изобретений «Способ работы гибридного дизель-контактного маневрового локомотива с накопителями энергии и маневровый локомотив» по патенту РФ №2650286 с датой публикации 11.04.2018. Маневровый локомотив может быть выполнен с возможностью эксплуатации как на не электрифицированных участках, так и на электрифицированных участках с системой энергоснабжения постоянного тока. В описании изобретения раскрыты сведения о преобразовательных системах для работы на участках постоянного и переменного тока.
Наиболее близким техническим решением является преобразовательная система, характеризующаяся наличием гибридной энергетической установки с питанием тяговых асинхронных электродвигателей тяговыми аккумуляторными батареями и дизель-генератором. При этом от контактной сети электроэнергия поступает через токоприемник системы с преобразованием в автономном инверторе и питанием тяговых асинхронных электродвигателей. От преобразователя напряжения через вспомогательный преобразователь заряжают тяговые аккумуляторные батареи; преобразуют напряжения в автономном инверторе и подают питание на тяговые асинхронные электродвигатели. Тяговые асинхронные электродвигатели получают питание от тяговых аккумуляторных батарей через автономный инвертор и от дизель-генераторной установки через автономный инвертор напряжения. При торможении локомотива тяговые асинхронные электродвигатели переводят в генераторный режим, вырабатывая энергию и заряжая тяговые аккумуляторные батареи. Дизель-генераторная установка заряжает тяговые аккумуляторные батареи. Энергетическая установка состоит из дизель-генератора небольшой мощности и тяговых аккумуляторных батарей, вспомогательного преобразователя, тяговых асинхронных электродвигателей. Аккумуляторные батареи могут иметь блочную конструкцию и возможность изменения количества секций батарей. Вспомогательное оборудование может содержать внешние розетки для подключения инструмента.
Недостатками преобразовательной системы являются сложность системы электроснабжения, в которой для соединения оборудования требуются отдельные шины питания между всеми видами источников и всеми нагрузками, что приводит к большому количеству проводников и разъемных соединителей, снижающих надежность, а также отсутствие возможности работы вспомогательного оборудования от аккумуляторных батарей, что не позволяет работать при отключенных других источниках энергии, например в цехах.
Техническими задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются упрощение схемы соединения оборудования и расширение функциональных возможностей, обеспечение функционирования всех нагрузок локомотива независимо от того, от какого источника производится электропитание.
Техническими результатами изобретения являются:
- обеспечение возможности проведения внутренней диагностики оборудования и передача результатов диагностирования в систему управления локомотива;
- упрощение схемы преобразователя за счет соединения источника питания и преобразователей, работающих с нагрузкой, в одну сеть (единая промежуточная шина постоянного тока);
- обеспечение возможности питания и защит вспомогательного оборудования и внешних потребителей от любого источника энергии, в том числе от аккумуляторных батарей;
- повышение надежности преобразователя за счет образования единой шины электропитания, что привело к уменьшению количества проводников и разъемных соединителей;
- обеспечение плавного регулирования силы тяги локомотива;
- предотвращение перехода в разносное боксование в режиме тяги или в блокировку колес в режиме рекуперативного торможения, что позволяет максимально приблизиться к физическому пределу силы тяги по скольжению и увеличить максимальный вес поезда;
- обеспечение защиты всех устройств и потребителей от перенапряжений.
Технические результаты обеспечиваются за счет того, что преобразователь тяговый локомотива содержит источник электропитания, вход которого является входом преобразователя тягового от источника электрической энергии, при этом выход источника питания соединен внутренней токопроводящей шиной с единой промежуточной шиной питания постоянного тока, к которой подключены вход преобразователя частоты, выход которого соединен с обмотками тяговых электродвигателей, вход инвертора, выход которого соединен с обмотками вспомогательных машин либо с внешними нагрузками. Источник электропитания, преобразователь частоты, инвертор, преобразователь электродинамического торможения связаны между собой и с внешней системой управления локомотива кодовой линией связи.
К нагрузкам преобразователя тягового относятся тяговые двигатели, вспомогательные машины или внешние потребители, тормозной резистор, система электропитания локомотива и другие.
В качестве источника электропитания могут использоваться преобразователь частоты дизель-генератора, зарядно-разрядный преобразователь или источник питания от внешней сети, при этом совместно использоваться могут преобразователь частоты дизель-генератора и зарядно-разрядный преобразователь, либо источник питания от внешней сети и зарядно-разрядный преобразователь, либо преобразователь частоты дизель-генератора, зарядно-разрядный преобразователь и источник питания от внешней сети. Кроме того, в качестве источника питания могут использоваться несколько преобразователей частоты дизель-генератора.
Источник электропитания, преобразователь частоты, инвертор, преобразователь электродинамического торможения могут быть выполнены с возможностью управления и защиты собственного канала питания, самодиагностирования и способностью обмена диагностическими сообщениями.
Преобразователь тяговый локомотива может содержать преобразователь электродинамического торможения, вход которого подключен к единой промежуточной шиной питания постоянного тока, а выход соединен с тормозным резистором.
Преобразователь тяговый локомотива может содержать модуль охлаждения для эффективного охлаждения оборудования, что позволяет расширить температурный диапазон применения преобразователя тягового.
К каналам преобразования электрической энергии, соединенным в единую промежуточную шину питания, относятся:
- канал заряда и разряда накопителя энергии (зарядно-разрядный преобразователь);
- каналы управления током тяговых двигателей (преобразователи частоты);
- каналы питания (источник питания от внешней сети или преобразователь частоты дизель-генератора);
- каналы питания собственных нужд локомотива и внешних потребителей (инверторы);
- канал электродинамического торможения (преобразователь электродинамического торможения).
На фигуре 1 представлена структурная схема преобразователя тягового локомотива.
Преобразователь тяговый 1 локомотива содержит источник электропитания, в качестве которого может выступать источник питания 2 от внешней сети, преобразователь частоты 3 дизель-генератора и зарядно-разрядный преобразователь 4.
В общем случае преобразователь тяговый 1 локомотива содержит источник питания 2, вход которого является входом преобразователя тягового 1 от внешней сети, преобразователь частоты 3 дизель-генератора, вход которого является входом преобразователя тягового 1 от дизель-генераторной установки, зарядно-разрядный преобразователь 4, вход которого является входом преобразователя тягового 1 от накопителя энергии. При этом выходы источника питания 2, преобразователя частоты 3 дизель-генератора и зарядно-разрядного преобразователя 4 соединены внутренними токопроводящими шинами в единую промежуточную шину питания постоянного тока 5, к которой подключен преобразователь частоты 6, выход которого соединен с обмотками тяговых электродвигателей, инвертор 7, выход которого соединен с обмотками вспомогательных машин либо с внешними потребителями, преобразователь электродинамического торможения 8, выход которого подключен к тормозному резистору. Преобразователь частоты 3 дизель-генератора, зарядно-разрядный преобразователь 4, преобразователь частоты 6, инвертор 7, преобразователь электродинамического торможения 8 связаны между собой и с внешней системой управления локомотива кодовой линией связи 9.
Источник питания 2, преобразователь частоты 3 дизель-генератора, зарядно-разрядный преобразователь 4, преобразователь частоты 6, инвертор 7, преобразователь электродинамического торможения 8 выполнены с возможностью управления и защиты собственного канала питания, самодиагностирования и способностью обмена диагностическими сообщениями.
В качестве источника электропитания могут совместно использоваться преобразователь частоты 3 дизель-генератора и зарядно-разрядный преобразователь 4, либо источник питания 2 от внешней сети и зарядно-разрядный преобразователь 4, либо преобразователь частоты 3 дизель-генератора, зарядно-разрядный преобразователь 4 и источник питания 2 от внешней сети. Кроме того, в качестве источника питания 2 может использоваться несколько преобразователей частоты 3 дизель-генератора.
Преобразователь тяговый 1 локомотива дополнительно может быть снабжен модулем охлаждения 10.
Каналы заряда и разряда накопителей энергии (аккумуляторная батарея, конденсаторная батарея, либо другие накопители) формируются зарядно-разрядным преобразователем 4.
Каналы питания формируются преобразователем частоты 3 дизель-генератора, либо источником питания 2 от внешней сети.
Каналы управления током тяговых двигателей формируются преобразователем частоты 6.
Каналы питания собственных нужд локомотива и внешних потребителей (вспомогательные машины, внешние потребители) формируются инвертором 7.
Канал электродинамического торможения формируется преобразователем электродинамического торможения 8.
Зарядно-разрядный преобразователь 4, преобразователь частоты 3 дизель-генератора, источник питания 2, преобразователь частоты 6, инвертор 7 и преобразователь электродинамического торможения 8 включены в единую промежуточную шину постоянного тока 5.
Элементы 2, 3, 4, 6, 7, 8, 10 содержат систему диагностики и систему автоматического регулирования своих выходных параметров для осуществления внутренней диагностики и передачи результатов диагностирования в систему управления локомотива по линии связи 9 за счет программного обеспечения, выполняющего программный контроль.
По этой же линии связи 9 производится обмен данными о скорости вращения двигателей между преобразователями частоты 6 в случае, если их установлено более одного. Преобразователь тяговый 1 содержит модуль охлаждения 10, который может быть выполнен с воздушным охлаждением или с принудительным воздушным охлаждением с замкнутыми жидкостными контурами.
Преобразователь тяговый 1 локомотива работает следующим образом.
Описание работы преобразователя 1 в режиме тяги.
Электропитание преобразователя 1 может производиться либо от дизель-генераторной установки, либо от внешней сети, либо с накопителя энергии. Возможно совместное использование источников энергии, либо раздельное.
При питании от дизель-генераторной установки входное трехфазное напряжение с дизель-генераторной установки локомотива поступает на вход преобразователя частоты 3 дизель-генератора, который преобразует его в напряжение 600 В постоянного тока и выдает на единую промежуточную шину питания 5 постоянного тока, соответственно, для питания составных частей преобразователя тягового 1.
При использовании единой промежуточной шины питания происходит упрощение схемы соединения оборудования, повышение надежности работы преобразователя тягового, обеспечение функционирования всех нагрузок независимо от того, от какого источника производится электропитание.
При питании от внешней сети входное напряжение внешней сети (контактная сеть либо выпрямительная установка стационарного зарядного устройства) поступает на вход источника питания 2 от внешней сети, который преобразует его в напряжение 560 В постоянного тока и выдает на промежуточную шину питания 5, соответственно, для питания составных частей преобразователя тягового 1.
При питании от накопителей энергии зарядно-разрядный преобразователь 4 обеспечивает преобразование напряжения постоянного тока на накопителе в напряжение постоянного тока 600 В на шине питания 5.
При заряде накопителя зарядно-разрядный преобразователь 4 обеспечивает преобразование напряжения постоянного тока 600 В на шине питания 5 в необходимые напряжение и ток для заряда накопителя энергии, в том числе производит заряд накопителей энергии при рекуперативном торможении. Энергия для заряда накопителей энергии берется от источника питания 2 от внешней сети либо от преобразователя частоты 3 дизель-генераторных установок, а также при работе локомотива в режиме рекуперативного торможения от преобразователя частоты 6.
Инвертор 7 обеспечивает преобразование постоянного напряжения промежуточной шины питания 5 в переменное трехфазное для питания вспомогательных машин или внешних потребителей и защиту от перегрузок подключенных вспомогательных машин или внешних потребителей в процессе работы локомотива.
Преобразователь частоты 6 управляет частотой и токами тяговых двигателей и обеспечивает плавное регулирование силы тяги локомотива. При этом преобразователь частоты 6 за счет векторного управления имеет постоянно обновляющуюся информацию о точной частоте вращения тяговых двигателей. Преобразователь частоты 6 запоминает соотношение частот вращения, обусловленное разницей диаметров колесных пар, и формирует признаки начинающегося проскальзывания колеса по рельсу. При этом преобразователь частоты 6 за счет управления частотой и током тягового двигателя производит быстрое автоматическое снижение силы тяги или торможения колесной пары, у которой возникло проскальзывание по рельсу, что предотвращает переход в разносное боксование в режиме тяги или в блокировку колес в режиме рекуперативного торможения. Это позволяет максимально приблизиться к физическому пределу силы тяги по скольжению и увеличить максимальный вес поезда.
Кроме того, преобразователь частоты 3 дизель-генератора, зарядно-разрядный преобразователь 4, преобразователь частоты 6, инвертор 7, преобразователь электродинамического торможения 8 связаны между собой и с внешней системой управления локомотива кодовой линией связи 9 и выполнены с возможностью управления и защиты собственного канала питания, самодиагностирования и способностью обмена диагностическими сообщениями. Специалисту в данной области техники известно, каким образом посредством программного обеспечения и встроенных аппаратных защит реализовать управление и защиту каналов. В результате обеспечивается возможность самодиагностики оборудования и информирования о собственном состоянии системы управления локомотивом.
В режиме рекуперативного торможения преобразователь частоты 6 направляет в промежуточную шину питания 2 электроэнергию, вырабатываемую электродвигателями при торможении. Оттуда она перенаправляется в накопители энергии зарядно-разрядным преобразователем 4, либо преобразователем электродинамического торможения 8 на внешние тормозные резисторы, либо преобразователем частоты 3 дизель-генератора на дизель-генераторную установку, работающую в режиме компрессорного торможения, либо на собственные нужды локомотива.
В режиме рекуперативного торможения дизель-генератор может использоваться в качестве потребителя рекуперированной энергии. При этом генератор работает в режиме двигателя, а дизель в режиме компрессорного торможения. Преобразователь частоты 3 может производить управление генератором в качестве двигателя, при этом дизель обеспечивает утилизацию энергии за счет сжатия воздуха и преобразования ее в тепло.
При отсутствии возможности сбрасывания энергии в дизель-генераторную установку или другим потребителям, преобразователь электродинамического торможения 8 производит сброс излишней энергии торможения на внешние тормозные резисторы, чем обеспечивает защиту всех устройств и потребителей от перенапряжений.
Использование нескольких преобразователей частоты 6 для питания собственных нужд и внешних потребителей позволяет производить управление внешними потребителями, такими как снегоочиститель, независимо от режимов работы самого локомотива. Также это позволяет использовать силовую установку локомотива как электростанцию для питания потребителей промышленной сети, например электроинструмента ремонтной бригады, либо отопления и освещения.