ЭЛЕКТРОДВИЖИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА С КАСКАДНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ
ELECTRICALLY-DRIVEN PLANT WITH CASCADE ELECTRIC CONVERTER

Предложение относится к электрическому приводу движительного комплекса автономного транспортного средства, содержащему несколько генераторов электрической энергии с электромагнитными системами возбуждения, каскадный электрический преобразователь и тяговый электродвигатель, выполненные на переменном токе, и может быть использовано в качестве устройства регулирования тяги, упора, мощности и скорости транспортного средства. Технический результат предложения заключается в возможности реализации электрической передачи мощности тягового транспортного средства большой мощности с высокими показателями качества синтезируемого напряжения для питания тягового электродвигателя с целью улучшения виброшумовых характеристик (ВШХ) электропривода.
Известна электродвижительная установка судна (Григорьев А.В., Ляпидов К.С., Макаров Л.С. Единая электроэнергетическая установка гидрографического судна на базе системы электродвижения переменного тока. // Судостроение, 2006, №4, с. 33-34), содержащая первичные тепловые двигатели, с которыми механически соединены синхронные генераторы переменного тока, трехфазные обмотки статора которых подключены к трехфазной линии главного распределительного щита. К шинам трехфазной линии главного распределительного щита подключены потребители собственных нужд и первичные обмотки трансформаторов, к вторичным обмоткам которых подключены входы преобразователей частоты, к выходам которых подключены гребные электродвигатели переменного тока. Недостатком известной электроэнергетической установки является то, что преобразователи частоты выполнены по схеме двухзвенных преобразователей частоты с двухуровневым инветором напряжения, который имеет низкий показатель качества синтезируемого выходного напряжения для питания гребных электродвигателей, а также то, что преобразователи частоты питаются не напрямую от главного распределительного щита, а через согласующие трансформаторы, что снижает энергетические характеристики судовой электроэнергетической установки, повышает ее стоимость, массу и габариты. К недостаткам также относится искажение напряжения на шинах главного распределительного щита, вызванные работой преобразователей частоты, так как мощность гребных электроприводов может значительно превышать мощность потребителей собственных нужд.
Известна гребная электрическая установка судна (МПК B60L 11/00, В63Н 21/17, Н02М 7/00, патент RU 2475376 (С1), дата подачи заявки 24.06.2011, Калинин И.М., Хомяк В.А., Балабанов В.А., Гребная электрическая установка с многоуровневыми преобразователями частоты), содержащая генераторные агрегаты с источниками электроэнергии, коммутационные аппараты, главный распределительный щит, многообмоточные трансформаторы, разъединитель, выпрямительные модули, конденсаторы звена постоянного тока, многоуровневые инверторы и двухобмоточный гребной электродвигатель. Достоинством такой структуры является использование многоуровневых инверторов напряжения, которые синтезируют переменное напряжение более высокого качества по сравнению со схемой двухуровневых инверторов напряжения. Недостатками известной структуры является то, что силовые каналы электродвижительного комплекса имеют гальваническую связь, а следовательно аварийная ситуация в одном из них может привести к возникновению аварии в другом. Еще одним недостатком известной структуры является наличие согласующих трансформаторов, установленных в силовом канале и рассчитанных на полную мощность электродвижительного комплекса. Кроме того к недостаткам известной структуры относится отсутствие питания потребителей собственных нужд.
Известна электродвижительная установка (МПК В63Н 21/17, В63Н 23/24, патент RU 2529090 (C1), дата подачи заявки 27.03.2013, Калмыков А.Н., Кузнецов В.И., Сеньков А.П., Судовая электроэнергетическая установка), содержащая главные первичные тепловые двигатели, многофазные главные синхронные генераторы, главный распределительный щит, многоуровневые преобразователи частоты, гребные электродвигатели, аварийный дизель-генератор, аварийный распределительный щит, согласующие многофазные трансформаторы и потребители собственных нужд. На статоре каждого главного синхронного генератора размещены многофазные обмотки, подключенные к раздельным шинам главного распределительного щита, к которому также подключены выпрямители многоуровневых преобразователей частоты и согласующие многообмоточные трансформаторы потребителей собственных нужд. К выходу многоуровневых преобразователей частоты подключены гребные электродвигатели, а к шинам вторичного распределительного щита подключены аварийный и стояночный дизель-генератор. Достоинством известной структуры является высокое качество синтезируемого напряжения на выходе многоуровневых преобразователей частоты для питания гребных электродвигателей. Недостатками известной судовой электроэнергетической установки является сложная структура системы распределения электроэнергии, наличие нестандартного, громоздкого и сложного электрооборудования, а также искажения напряжения на шинах главного распределительного щита, вызванные работой преобразователей частоты. К недостаткам известной установки также можно отнести невозможность использования высокочастотного генераторного агрегата, так как шины главного распределительного щита должны быть рассчитаны на напряжение промышленной частоты 50 Гц для последующего питания потребителей собственных нужд.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранная в качестве прототипа судовая электродвижительная установка (МПК В63Н 21/17, В63Н 23/24, H02J 3/16, патент RU 2458819 (С1), Заявка: 2011107510/11, 25.02.2011, Васин И.М., Сеньков А.П., Токарев Л.Н., Судовая электроэнергетическая установка (варианты)). Известная установка содержит главные первичные тепловые двигатели, главные синхронные генераторы, главный распределительный щит, преобразователи частоты, гребные электродвигатели, аварийный дизель-генератор, аварийный распределительный щит, согласующие трансформаторы и потребители собственных нужд. На статоре каждого главного синхронного генератора размещены несколько изолированных друг от друга трехфазных обмоток, подключенных к раздельным шинам главного распределительного щита, к которому также подключены выпрямители многоуровневых инверторов напряжения и согласующие трансформаторы потребителей собственных нужд. К выходу многоуровневых инверторов напряжения подключены гребные электродвигатели, а к шинам вторичного распределительного щита подключены аварийный и стояночный дизель-генератор. Технический результат такой конструкции обеспечивает повышение качества синтезируемого напряжения для питания гребных электродвигателей, а также повышение К.П.Д. и надежности судовой установки за счет исключения трансформаторов между линиями главного распределительного щита и преобразователями частоты. Недостатками известного прототипа является сложная структура системы распределения электроэнергии, большое количество коммутационных аппаратов, сложная схемотехническая реализация многоуровневых преобразователей частоты на основе многоуровневых инверторов напряжения, а также искажения напряжения на шинах главного распределительного щита, вызванные работой преобразователей частоты. К недостаткам известной установки также можно отнести невозможность использования высокочастотного генераторного агрегата, так как шины главного распределительного щита должны быть рассчитаны на напряжение промышленной частоты 50 Гц для последующего питания потребителей собственных  нужд, причем необходимо осуществлять стабилизацию этой частоты для обеспечения качественного питания потребителей собственных нужд. К недостаткам известной структуры также можно отнести отсутствие масштабируемости схемы и использование ее при больших единичных мощностях гребного электродвигателя.
Предлагаемая электродвижительная установка позволит получить еще более высокое качество синтезируемого напряжения а, следовательно, и тока для питания гребного электродвигателя (практически синусоидальное напряжение на выходе электрического преобразователя), что позволит значительно улучшить ВШХ электропривода движительного комплекса. Достоинством предложенной структуры и схемы является то, что качество синтезируемого напряжения может быть улучшено не только аппаратными средствами - количеством однофазных преобразователей частоты в фазе электрического преобразователя, но и алгоритмическими средствами - совместным согласованным управлением электростанцией и электрическим преобразователем. Предложенный вариант движительного комплекса позволит реализовать электропривод для любого автономного транспортного средства и практически для любой установленной мощности тягового электродвигателя. Достоинством предложенной электроэнергетической установки является и то, что она может быть построена с использованием высокооборотных безредукторных генераторных агрегатов с выходным напряжением повышенной частоты а, следовательно, такое конструктивное решение позволит улучшить массогабаритные и энергетические характеристики. К достоинствам предложения также следует отнести возможность использования в долевых режимах работы электродвижительной установки только одного генераторного агрегата а, следовательно, повышается надежность, экономичность при работе и значительно повышается загрузка и ресурс использования первичных тепловых двигателей. Таким образом, предлагаемая электроэнергетическая установка движительного комплекса позволяет улучшить эксплуатационные характеристики системы электродвижения, повысить надежность и характеризуется простой структурой построения и используемыми однотипными простыми и надежными элементами в составе каскадного электрического преобразователя - однофазными преобразователями частоты.
Описанные преимущества достигаются тем, что для управления тяговым электродвигателем используется каскадный электрический преобразователь частоты, элементарные однофазные ячейки которого получают питание от независимых многофазных обмоток электрических генераторов, каждый из которых имеет электромагнитную систему возбуждения. Кроме того для синтеза напряжения более высокого качества предусмотрено совместное согласованное управление электростанцией и каскадным электрическим преобразователем.
Поставленные задачи решаются благодаря тому, что в электродвижительной установке с каскадным электрическим преобразователем, содержащей систему управления, первичные тепловые двигатели с электрическими генераторами переменного тока, автоматические выключатели, электрический преобразователь и тяговый электродвигатель, причем каждый первичный тепловой двигатель механически соединен с валом своего электрического генератора переменного тока, на статоре каждого электрического генератора переменного тока размещены изолированные друг от друга многофазные обмотки, к выходу каждой из которых подключен свой автоматический выключатель, а на выход электрического преобразователя подключен тяговый электродвигатель предусмотрены следующие отличия: электрический преобразователь состоит из однофазных преобразователей частоты, количество которых равно суммарному количеству многофазных обмоток электрических генераторов переменного тока и количеству автоматических выключателей, число которых кратно числу фаз тягового электродвигателя, причем выходы каждого автоматического выключателя подключены к входу своего однофазного преобразователя частоты, а однофазные преобразователи частоты сгруппированы по фазам электрического преобразователя, количество фаз электрического преобразователя равно количеству фаз тягового электродвигателя и количеству изолированных многофазных обмоток каждого из электрических генераторов переменного тока, причем каждая из фаз электрического преобразователя содержит такое количество однофазных преобразователей частоты, количество которых равно числу первичных тепловых двигателей, однофазные преобразователи частоты в каждой из фаз электрического преобразователя своими выходными контактами соединены последовательно, начала фаз электрического преобразователя соединены между собой, а концы фаз электрического преобразователя подключены к фазам тягового электродвигателя, при этом каждый из электрических генераторов переменного тока имеет электромагнитную систему возбуждения, состоящую из обмотки возбуждения электрического генератора и дополнительного электрического преобразователя обмотки возбуждения, выходы каждого из дополнительных электрических преобразователей обмоток возбуждения подключен каждый к своей обмотке возбуждения электрического генератора переменного тока, кроме того электродвижительная установка с каскадным электрическим преобразователем содержит датчики многофазного напряжения, число которых равно числу электрических генераторов переменного тока, измерительный вход каждого датчика многофазного напряжения подключен к одной из многофазных обмоток своего электрического генератора переменного тока, а информационные выходы датчиков многофазного напряжения заведены в систему управления, управление однофазными преобразователями частоты и дополнительными электрическими преобразователями обмоток возбуждения электрических генераторов переменного тока осуществляется от системы управления.
Кроме того электродвижительная установка с каскадным электрическим преобразователем может быть выполнена так, что она дополнительно содержит коммутационные аппараты с электромагнитным приводом дом управления, количество коммутационных аппаратов с электромагнитным приводом управления равно количеству однофазных преобразователей частоты электрического преобразователя, причем силовые контакты каждого из коммутационных аппаратов с электромагнитным приводом управления подключены параллельно выходным контактам каждого однофазного преобразователя частоты, а электромагнитный привод управления каждого из коммутационных аппаратов с электромагнитным приводом управления подключен к системе управления.
Кроме того электродвижительная установка с каскадным электрическим преобразователем может быть выполнена так, что она дополнительно содержит автоматические выключатели, дополнительный электрический преобразователь, главный распределительный щит, вспомогательный дизель-генератор, накопитель электрической энергии с согласующим электрическим преобразователем, потребители собственных нужд, причем часть автоматических выключателей, количество которых равно суммарному количеству изолированных многофазных обмоток электрических генераторов переменного тока, включены между изолированными многофазных обмотками электрических генераторов переменного тока и входами дополнительного электрического преобразователя выход, которого через автоматический выключатель подключен к главному распределительному щиту, к которому подключены: через автоматический выключатель вспомогательный дизель-генератор; через согласующий электрический преобразователь накопитель энергии; потребители собственных нужд.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На Фиг. 1 - представлена электродвижительная установка с каскадным электрическим преобразователем, с тремя (S=3) фазами тягового электродвигателя, тремя фазами электрического преобразователя и таким же количеством изолированных друг от друга многофазных обмоток каждого из электрических генераторов, с двумя (G=2) электрическими генераторами, двумя дополнительными электрическими преобразователями обмоток возбуждения электрических генераторов, двумя тепловыми двигателями, двумя датчиками многофазного напряжения, с шестью (N=6) однофазными преобразователями частоты и шестью многофазными изолированными обмотками электрических генераторов переменного тока N=G⋅S (где N - количество однофазных преобразователей частоты, количество автоматических выключателей, количество многофазных изолированных обмоток электрических генераторов переменного тока; S - количество фаз электрического преобразователя, количество фаз тягового электродвигателя, количество изолированных друг от друга многофазных обмоток каждого из электрических генераторов переменного тока, G - количество генераторов переменного тока, количество дополнительных электрических преобразователей обмоток возбуждения электрических генераторов, количество датчиков многофазного напряжения и количество первичных тепловых двигателей), на Фиг. 2 - представлена электродвижительная установка с каскадным электрическим преобразователем с двумя тепловыми двигателями, двумя электрическими генераторами переменного тока, каждый из которых содержит по три изолированные друг от друга трехфазные обмотки (шесть трехфазных изолированных обмоток электрических генераторов переменного тока), тремя фазами тягового электродвигателя и электрического преобразователя и шестью коммутационными аппаратами с электромагнитным приводом управления предназначенными для исключения вышедшего из строя однофазного преобразователя частоты, на Фиг. 3- представлена электродвижительная установка с каскадным электрическим преобразователем с двумя тепловыми двигателями, двумя электрическими генераторами переменного тока, каждый из которых содержит по три изолированные друг от друга трехфазные обмотки, тремя фазами тягового электродвигателя и электрического преобразователя с возможностью питания потребителей собственных нужд и промежуточным накопителем электрической энергии, на Фиг. 4 - представлена осциллограмма синтезируемого фазного напряжения электрического преобразователя, который получает питание от двух электрических генераторов переменного тока с одинаковым уровнем генерируемого напряжения; на Фиг. 5 - представлена осциллограмма синтезируемого фазного напряжения электрического преобразователя, который получает питание от двух электрических генераторов переменного тока с различным уровнем генерируемого напряжения (в соотношении 1/3 и 2/3), при этом мгновенные уровни выходного напряжения определяются суммой напряжении синтезируемых двумя однофазными преобразователями частоты в фазе электрического преобразователя, на Фиг. 6 - представлена осциллограмма синтезируемого фазного напряжения электрического преобразователя, который получает питание от двух электрических генераторов переменного тока с различным уровнем генерируемого напряжения (в соотношении 1/4 и 3/4), при этом мгновенные уровни выходного напряжения определяются суммой и разностью напряжении синтезируемых двумя однофазными преобразователями частоты в фазе электрического преобразователя, на Фиг. 7 - представлена таблица, которая отображает связь числа электрических генераторов переменного тока и однофазных преобразователей частоты включенных последовательно в каждой из фаз электрического преобразователя с количеством уровней напряжения на его выходе при различных алгоритмах управления электростанцией электродвижительной установки и каскадным электрическим преобразователем.
Электродвижительная установка с каскадным электрическим преобразователем, схема которой представлена на Фиг. 1 (для варианта электродвижительной установки транспортного средства, с каскадным электрическим преобразователем с двумя электрическими генераторами переменного тока G=2, тремя фазами тягового электродвигателя S=3, и шестью однофазными преобразователями частоты N=6), содержит систему управления 1, первичные тепловые двигатели 2-1÷2-G с электрическими генераторами переменного тока 3-1÷3-G, автоматические выключатели 4-l÷4-N, электрический преобразователь 5 и тяговый электродвигатель 6. Каждый первичный тепловой двигатель 2-1 (2-2÷2-G) механически соединен с валом своего электрического генератора переменного тока 3-1 (3-2÷3-G). На статоре каждого электрического генератора переменного тока 3-1 (3-2÷3-G) размещены изолированные друг от друга многофазные обмотки, к выходу каждой из которых подключен свой автоматический выключатель 4-1 (4-2÷4-G). На выход электрического преобразователя 5 подключен тяговый электродвигатель 6. Электрический преобразователь 5 состоит из однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N, количество которых равно суммарному количеству многофазных обмоток электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-G и количеству автоматических выключателей 4-1÷4-N, число которых кратно числу фаз тягового электродвигателя 6. Выходы каждого автоматического выключателя 4-1÷4-N подключены к входу своего однофазного преобразователя частоты 7-1÷7-N. Однофазные преобразователи частоты 7-1÷7-N сгруппированы по фазам 8-1÷8-S электрического преобразователя 5. Количество фаз 8-1÷8-S электрического преобразователя 5 равно количеству фаз тягового электродвигателя 6 и количеству изолированных многофазных обмоток каждого из электрических генераторов переменного тока 3-1 (3-2÷3-G). Каждая из фаз 8-1÷8-S электрического преобразователя 5 содержит такое количество однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N, количество которых равно числу первичных тепловых двигателей 2-1÷2-G. Однофазные преобразователи частоты 7-1÷7-N в каждой из фаз 8-1÷8-S электрического преобразователя 5 своими выходными контактами соединены последовательно. Начала фаз 8-1÷8-S электрического преобразователя 5 соединены между собой, а концы фаз 8-1÷8-S электрического преобразователя 5 подключены к фазам тягового электродвигателя 6. Каждый из электрических генераторов переменного тока 3-1 (3-2÷3-G) имеет электромагнитную систему возбуждения, состоящую из обмотки возбуждения 9-1 (9-2÷9-G) электрического генератора переменного тока 3-1 (3-2÷3-G) и дополнительного электрического преобразователя 10-1 (10-2÷10-G) обмотки возбуждения 9-1 (9-2÷9-G). Выходы каждого из дополнительных электрических преобразователей 10-1 (10-2÷10-G) обмоток возбуждения 9-1 (9-2÷9-G) подключен каждый к своей обмотке возбуждения 9-1 (9-2÷9-G) электрического генератора переменного тока 3-1 (3-2÷3-G). Электродвижительная установка с каскадным электрическим преобразователем содержит датчики многофазного напряжения 11-1 (11-2÷11-G), число которых равно числу электрических генераторов переменного тока 3-1 (3-2÷3-G). Измерительный вход каждого датчика многофазного напряжения 11-1 (11-2÷11-G) подключен к одной из многофазных обмоток своего электрического генератора переменного тока 3-1 (3-2÷3-G), а информационные выходы датчиков многофазного напряжения 11-1 (11-2÷11-G) заведены в систему управления 1. Управление однофазными преобразователями частоты 7-1÷7-N и дополнительными электрическими преобразователями 10-1÷10-G обмоток возбуждения 9-1÷9-G электрических генераторов переменного тока 3-1-÷3-G осуществляется от системы управления 1. где N - количество однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N, количество автоматических выключателей 4-1÷4-N, количество многофазных изолированных обмоток электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-G; S - количество фаз 8-1÷8-S электрического преобразователя 5, количество фаз тягового электродвигателя 6, количество изолированных друг от друга многофазных обмоток каждого из электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-G, G - количество генераторов переменного тока 3-1÷3-G, количество первичных тепловых двигателей 2-1÷2-G и количество дополнительных электрических преобразователей 10-1÷10-G.
Электродвижительная установка с каскадным электрическим преобразователем, схема которой представлена на Фиг. 2 (для варианта электродвижительной установки транспортного средства, с каскадным электрическим преобразователем с двумя электрическими генераторами переменного G=2, тремя фазами тягового электродвигателя S=3, и шестью однофазными преобразователями частоты N=6), может дополнительно содержать коммутационные аппараты с электромагнитным приводом управления 12-1÷12-N, количество которых равно количеству однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N электрического преобразователя 5. Силовые контакты каждого из коммутационных аппаратов с электромагнитным приводом управления 12-1÷12-N подключены параллельно выходным контактам каждого однофазного преобразователя частоты 7-1÷7-N. Электромагнитный привод управления каждого из коммутационных аппаратов с электромагнитным приводом управления 12-1÷12-N подключен к системе управления 1.
Электродвижительная установка с каскадным электрическим преобразователем, схема которой представлена на Фиг. 3 (для варианта электродвижительной установки транспортного средства, с каскадным электрическим преобразователем с двумя электрическими генераторами переменного тока G=2, тремя фазами тягового электродвигателя S=3, и шестью однофазными преобразователями частоты N=6), может дополнительно содержать автоматические выключатели 13-l÷13-(N+2), дополнительный электрический преобразователь 14, главный распределительный щит 15, вспомогательный дизель-генератор 16, накопитель электрической энергии 17 с согласующим электрическим преобразователем 18, потребители собственных нужд 19. Часть автоматических выключателей 13-1÷13-N, количество которых равно суммарному количеству изолированных многофазных обмоток электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-G, включены между изолированными многофазных обмотками электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-G и входами дополнительного электрического преобразователя 14. Выход дополнительного электрического преобразователя 14 через автоматический выключатель 13-(N+1) подключен к главному распределительному щиту 15, к которому подключены: через автоматический выключатель 13-(N+2) вспомогательный дизель-генератор 16; через согласующий электрический преобразователь 18 накопитель энергии 17; потребители собственных нужд 19.
Работа электродвижительной установки с каскадным электрическим преобразователем происходит следующим образом.
d
d
d
В электродвижительной установке с каскадным электрическим преобразователем, представленной на Фиг. 1 источниками электрической энергии являются электрические генераторы переменного тока 3-1÷3-G, приводимые во вращение каждый своим первичным тепловым двигателем 2-1÷2-G. Благодаря тому, что каждый из электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-G содержит изолированные многофазные обмотки, количество которых равно числу фаз 8-1÷8-S электрического преобразователя 5 и числу фаз тягового электродвигателя 6, появляется возможность независимого питания однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N электрического преобразователя 5. При этом каждый из электрических генераторов переменного тока 3-1 (3-2÷3-G) имеет электромагнитную систему возбуждения, состоящую из обмотки возбуждения 9-1 (9-2÷9-G) электрического генератора переменного тока 3-1 (3-2÷3-G) и дополнительного электрического преобразователя 10-1 (10-2÷10-G) обмотки возбуждения 9-1 (9-2÷9-G), что позволяет осуществлять регулирование напряжения на выходе изолированных многофазных обмоток электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-G. Контроль за уровнем напряжения на выходе многофазных обмоток электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-G осуществляется датчиками многофазного напряжения 11-1÷11-G, информационные выходы которых заведены в систему управления 1. При этом электрический преобразователь 5 выполнен по схеме каскадного преобразователя частоты с использованием простых и надежных однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N сгруппированных по фазам 8-1÷8-S электрического преобразователя 5, количество которых равно количеству фаз тягового электродвигателя 6. Фазы 8-1÷8-S электрического преобразователя 5 состоят из групп последовательно соединенных однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N. Каждый однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N выполнен на стандартных низковольтных компонентах и может иметь различную схему, при этом на выходе каждого преобразователя частоты 7-1÷7-N могут быть синтезированы три различных мгновенных уровня выходного напряжения: U, 0 и -U, где U - средний уровень напряжения звена постоянного тока однофазного преобразователя частоты 7-1÷7-N. При этом мгновенные уровни напряжении синтезируемые однофазными преобразователями частоты 7-1÷7-N формируются совместно согласованно для того чтобы получить требуемые уровни мгновенного фазного (линейного) напряжения на выходе электрического преобразователя 5 для питания тягового электродвигателя 6. Так при одинаковом номинальном напряжении каждого из электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-G и при количестве последовательно включенных однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N, в каждой из фаз 8-1÷8-S электрического преобразователя 5, равным G обеспечивается 2⋅G+1 уровней выходного фазного напряжения. Благодаря такой топологии электрического преобразователя 5 можно синтезировать практически синусоидальное напряжение для питания тягового электродвигателя 6.
G+1
G
max
max
Однако благодаря электромагнитной системе возбуждения каждого из электрических генераторов переменного тока 3-1 (3-2÷3-G) в долевых режимах работы электродвижительной установки появляется возможность синтеза большего числа уровней при той же схеме и количестве последовательно включенных однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N, в каждой из фаз 8-1÷8-S электрического преобразователя 5. Используя управление дополнительными электрическими преобразователями 10-1÷10-G обмоток возбуждения 9-1÷9-G в стационарных режимах работы электродвижительной установки можно осуществлять регулирование напряжения на выходе изолированных многофазных обмоток электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-G. При этом если учесть что двухуровневые однофазные преобразователи частоты 7-1÷7-N будут работать согласованно только с суммированием выходного напряжения, то число уровней синтезируемого фазного напряжения на выходе каждой фазы 8-1 (8-2÷8-S) электрического преобразователя 5 будет равно 2-1, где G - число последовательно включенных двухуровневых однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N в каждой из фаз 8-1 (8-2÷8-S) электрического преобразователя 5, при этом амплитуда выходного напряжение однофазного преобразователя частоты 7-1 (7-2÷7-N) К-ого уровня (где K=1…G) в каждой из фаз 8-1 (8-2÷8-S) электрического преобразователя 5 определяется согласно зависимости  где U - максимальное напряжение фазы 8-1 (8-2÷8-S) электрического преобразователя 5. Если двухуровневые однофазные преобразователи частоты 7-1÷7-N будут работать совместно согласованно как с суммированием так и вычитанием выходного напряжения, то число уровней синтезируемого напряжения будет равно 3, где G - число последовательно включенных однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N в каждой из фаз 8-1 (8-2÷8-S) электрического преобразователя 5, при этом полная амплитуда выходного напряжение однофазного преобразователя частоты 7-1 (7-2÷7-N) К-ого уровня в каждой из фаз 8-1 (8-2÷8-S) электрического преобразователя 5 определяется согласно зависимости  где U - максимальное напряжение фазы 8-1 (8-2÷8-S) электрического преобразователя 5. Таким образом, используя регулирование тока обмоток возбуждения 9-l÷9-G электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-G и реализации соответствующих алгоритмов управления однофазными преобразователями частоты 7-1÷7-N электрического преобразователя 5 в долевых режимах работы электродвижительной установки появляется возможность значительно увеличить число уровней синтезируемого напряжения. Что позволит повысить качество синтезируемого напряжения при работе в стационарных режимах работы, а также улучшить ВШХ электропривода движительной установки.
Достоинством предложенной структуры электродвижительной установки является возможность использования высокооборотных первичных тепловых двигателей 2-1÷2-G которые обладают лучшими массогабаритными и энергетическими характеристиками, а так же значительно увеличенным ресурсом по сравнению с тихоходными аналогами. Еще одним достоинством предложенной схемы электродвижительной установки является то что, используя регулирование тока обмоток возбуждения 9-1÷9-G электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-G можно осуществлять плавный заряд конденсаторов звена постоянного тока однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N электрического преобразователя 5. При этом нет необходимости использования в такой структуре электродвижительной установки большого количества устройств мягкого пуска.
Несмотря на то, что частота коммутации в каждом однофазном преобразователе частоты 7-1÷7-N ограничена частотой коммутации используемых полностью управляемых силовых полупроводниковых ключей, появляется возможность сдвига мгновенного синтезируемого напряжения каждым из однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N, при этом эквивалентная частота коммутации модулированного напряжения, приложенного к нагрузке, увеличивается кратно числу однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N в каждой из фаз 8-1÷8-S электрического преобразователя 5. Увеличение эквивалентной частоты коммутации модулированного напряжения ведет к уменьшению потерь на переключение силовых ключей в каждом из однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N. Предложенная структура электрического преобразователя 5 позволяет снизить скорость нарастания напряжения (dU/dt) на нагрузке и помогает избежать резонансов электромагнитных процессов, происходящих в электроприводе.
Кроме того в долевых режимах работы электродвижительной установки с каскадным электрическим преобразователем с ограничением выходной мощности для повышения загрузки первичного теплового двигателя 2-1 (2-2÷2-G) и повышения экономичности, а так же увеличения их ресурса работы может быть использован один или несколько электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-G из всего их количества. При этом в однофазных преобразователях частоты 7-1÷7-N, подключенных к многофазным изолированным обмоткам неработающих электрических генераторов переменного тока 3-1 (3-2÷3-G), должны быть включены силовые транзисторы коллекторной или эмиттерной группы. Следует отметить, что в этом случае тяговый электродвигатель 6 будет работать с мощностью ограниченной мощностью работающих электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-G, а так же будет уменьшен уровень мгновенного напряжения на выходе электрического преобразователя 5 на величину кратную выведенным из работы электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-G. Такой режим работы электродвижительной установки с каскадным электрическим преобразователем 5 обеспечит повышение коэффициента загрузки первичных тепловых двигателей 2-1÷2-G и значительно увеличит их ресурс работы. В случает выхода из строя либо отказа одного (либо нескольких при работающем хотя бы одном) первичного теплового двигателя 2-1÷2-G либо электрического генератора переменного тока 3-1÷3-G электродвижительная установка с каскадным электрическим преобразователем 5 остается работоспособной и будет продолжать работать с ограничением по выходной мощности на валу тягового электродвигателя 6.
На случай отказа одного из однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N в схеме электродвижительной установки транспортного средства, с каскадным электрическим преобразователем, изображенной на Фиг. 2 предусмотрена установка коммутационных аппаратов с электромагнитным приводом управления 12-1÷2-N. При возникновении аварийной ситуации или отказа одного из однофазных преобразователей частоты 7-1 (7-2÷7-N) коммутационный аппарат с электромагнитным приводом управления 12-1 (12-2÷2-N) по команде управления с системы управления 1 зашунтирует выходные контакты неисправного однофазного преобразователя частоты 7-1 (7-2÷7-N) исключая его из последовательной цепи фазы 8-1 (8-2÷8-S) электрического преобразователя 5. При этом исправные однофазные преобразователи частоты 7-1÷7-N могут продолжать работать и синтезировать требуемые уровни напряжении электрического преобразователя 5 для питания тягового электродвигателя 6.
Для осуществления питания потребителей собственных нужд 19 от одного либо нескольких электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-G электродвижительная установка транспортного средства, с каскадным электрическим преобразователем, схема которой представлена на Фиг. 3 может быть снабжена дополнительным электрическим преобразователем 14 который согласует напряжения электрических генераторов переменного тока 3-l÷3-G и потребителей собственных нужд 19. Для дозагрузки по мощности электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-G электродвижительная установка транспортного средства, с каскадным электрическим преобразователем может быть снабжена накопителем электрической энергии 17 с согласующим электрическим преобразователем 18. Накопитель электрической энергии 17 будет запасать энергию в долевых режимах работы электродвижительной установки транспортного средства, когда происходит работа с малой нагрузкой на валу тягового электродвигателя 6. В те моменты времени, когда идет разгон тягового электродвигателя 6, электрическая энергия для питания потребителей собственных нужд 19 будет потребляться из накопителя энергии 17 через согласующий электрический преобразователь 18. Согласующий электрический преобразователь 18 осуществляет управление потоками энергии между накопителем энергии 17 и потребителями собственных нужд 19 предложенной энергосистемы. В случае стоянки транспортного средства, когда нет необходимости в работе первичных тепловых двигателей 2-1÷2-G, электрическая энергия для питания потребителей собственных нужд 19 может быть получена от накопителя электрической энергии 17 через согласующий электрический преобразователь 18 либо от вспомогательного дизель-генератора 16. Автоматические выключатели 13-l÷13-(N+2) осуществляют набор различных вариантов схемы для реализации всевозможных режимов работы электродвижительной установки транспортного средства.
На Фиг. 4 представлена осциллограмма синтезируемого фазного напряжения электрического преобразователя 5, который получает питание от двух электрических генераторов переменного тока 3-1, 3-2 с одинаковым уровнем генерируемого напряжения. На Фиг. 5 представлена осциллограмма синтезируемого фазного напряжения электрического преобразователя 5, который получает питание от двух электрических генераторов переменного тока 3-1, 3-2 с различным уровнем генерируемого напряжения (в соотношении 1/3 и 2/3), при этом мгновенные уровни выходного напряжения определяются только суммой напряжении синтезируемых двумя однофазными преобразователями частоты 7-1, 7-2 в фазе 8-1÷8-3 электрического преобразователя 5. На Фиг. 6 представлена осциллограмма синтезируемого фазного напряжения электрического преобразователя 5, который получает питание от двух электрических генераторов переменного тока 3-1, 3-2 с различным уровнем генерируемого напряжения (в соотношении 1/4 и 3/4), при этом мгновенные уровни выходного напряжения определяются как суммой так и разностью напряжении синтезируемых двумя однофазными преобразователями частоты 7-1, 7-2 в фазе 8-1÷8-3 электрического преобразователя 5. На Фиг. 7 представлена таблица которая отображает связь числа однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N включенных последовательно в каждой из фаз 8-1÷8-S электрического преобразователя 5 с требуемыми уровнями напряжения звена постоянного тока однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N К-ого уровня (где K=1…G) для реализации максимального числа уровней синтезируемого фазного напряжения на выходе электрического преобразователя 5, а так же максимально возможным числом уровней синтезируемого фазного напряжения на выходе электрического преобразователя 5 при различных алгоритмах управления электростанцией электродвижительной установки с каскадным электрическим преобразователем.
Предложенные схемы электродвижительной установки транспортного средства, с каскадным электрическим преобразователем 5 позволяют реализовать электрическую передачу на транспортном средстве практически неограниченной мощности, поскольку напряжение для питания тягового электродвигателя 6 набирается из напряжении низковольтных однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N которые имеют простую схемотехническую реализацию и высокую степень надежности. Еще одним достоинством предложенной электродвижительной установки транспортного средства с каскадным электрическим преобразователем является ее модульная структура, которая обеспечивает гибкость построения электродвижительной установки транспортного средства.
Помимо достоинств аппаратного характера предложенной структуры электродвижительной установки с каскадным электрическим преобразователем она обладает более лучшими эксплуатационными характеристиками, которые реализуются алгоритмически с помощью системы управления 1 и управлением генерируемым уровнем напряжений независимых обмоток электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-G, а так же управлением однофазными преобразователями частоты 7-1÷7-N. Используя соответствующие алгоритмы управления дополнительными электрическими преобразователями 10-1÷10-G обмоток возбуждения 9-1÷9-G и управления однофазными преобразователями частоты 7-1÷7-N можно значительно увеличить количество уровней синтезируемого напряжения электрического преобразователя 5 для питания тягового электродвигателя 6. Это позволит значительно улучшить качество синтезируемого напряжения и приблизить его по форме близким к синусоидальному тем самым улучшить ВШХ электропривода электродвижительной установки.
Таким образом, предложенная электроэнергетическая установка транспортного средства с каскадным электрическим преобразователем обладает следующими достоинствами:
- высокое качество синтезируемого напряжения для питания тягового электродвигателя, низкий уровень гармоник и нелинейных искажении в форме напряжения и тока;
- структура построения позволит исключить силовой согласующий трансформатор, рассчитанный на полную мощность электропривода движительного комплекса транспортного средства;
- высокая энергетическая эффективность, повышение коэффициента загрузки и повышение ресурса первичных тепловых двигателей за счет возможности использования такого их количества чтобы обеспечить требуемую текущую мощность на валу тягового электродвигателя;
- модульность предложенной структуры обеспечивает унификацию и стандартизацию используемых элементов, а также простоту диагностики, ремонта и замены вышедшего из строя элемента;
- масштабируемость обеспечивается гибкостью построения системы с возможностью повышения напряжения питания тягового электродвигателя путем подключения дополнительных однофазных преобразователей частоты;
- использование низковольтных элементов и компонентов электрического преобразователя при этом такая структура позволяет управлять мощной, высоковольтной нагрузкой;
- простота осуществления заряда накопительных конденсаторов звена постоянного тока однофазных преобразователей частоты электрического преобразователя;
- отсутствие необходимости использования устройств мягкого пуска для каждого из однофазных преобразователей частоты;
- увеличение эквивалентной частоты коммутации электрического преобразователя по отношению к частоте коммутации каждого из однофазных преобразователей частоты;
- снижение скорости нарастания напряжения (dU/dt) на нагрузке, что помогает избежать резонансов электромагнитных процессов происходящих в электроприводе тягового электродвигателя;
- электрический преобразователь собирается из простых однофазных преобразователей частоты;
- возможность использования высокооборотного первичного теплового двигателя, который обладает лучшими массогабаритными и энергетическими характеристиками, а так же значительно увеличенным ресурсом;
- предложенная структура позволяет реализовать электропривод движительного комплекса транспортного средства практически неограниченной мощности при ограничениях, наложенных на параметры используемых силовых ключей в однофазных электрических преобразователях;
- высокая степень надежности благодаря простым, отработанным и низковольтным однофазным преобразователям частоты, а также возможностью безболезненного исключения из работы, вышедшего из строя однофазного преобразователя частоты либо генераторного агрегата.