ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА МОЩНОСТИ ТЯГОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ
ELECTRICAL POWER TRANSMISSION OF TRACTIVE TRANSPORT ON ALTERNATING CURRENT

Изобретение относится к тяговому электрическому приводу автономного транспортного средства, построенному по системе генератор-двигатель на переменном токе, и может быть использовано в качестве устройства регулирования тяги, упора, мощности и скорости транспортного средства без применения промежуточных преобразователей и устройств переключения в силовом канале передачи мощности между тяговыми генератором и электродвигателем, а также для обеспечения электропитания потребителей собственных нужд.
Известно устройство электрической передачи мощности переменного тока (МПК В60L 11/08, патент RU 2225301 С2, Заявка: 2002108683/11, 08.04.2002, Луков Н.М., Космодамианский А.С., Николаев Е.В. Электрическая передача мощности переменного тока тягового транспортного средства), содержащее тепловой первичный двигатель, асинхронный генератор с фазным ротором, тяговый асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, преобразователь частоты и синхронный возбудитель с регулятором напряжения. Технический результат такой конструкции обеспечивает работу электрической передачи тягового транспортного средства по системе генератор-двигатель на переменном токе. Недостатками известного устройства являются сложная система возбуждения асинхронного генератора переменного тока и использование непосредственного преобразователя частоты, имеющего большое число силовых модулей, а также невозможность осуществить реверс тягового электродвигателя без реверсирования первичного теплового двигателя. При создании такой системы возникают проблемы конструктивного характера, вызванные необходимостью использования первичного двигателя с двумя выходными валами, а также размещением дополнительного синхронного возбудителя.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство электрической передачи мощности переменного тока (МПК В60L 11/08, В63Н 23/24, патент RU 2509002 С2, Заявка: 2012112610/11, 30.03.2012. Лазаревский Н.А., Хомяк В.А., Самосейко В.Ф., Гельвер Ф.А., Гагаринов И.В. Электрическая передача мощности тягового транспортного средства на переменном токе), содержащее тепловой первичный двигатель, асинхронный генератор с фазным ротором, тяговый асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, обратимый статический преобразователь частоты. Известная система электрической передачи мощности тягового транспортного средства на переменном токе позволяет повысить энергетическую эффективность, надежность устройства и улучшить массогабаритные характеристики всей энергоустановки. Недостатком известного устройства являются отсутствие возможности питания потребителей собственных нужд от предложенной электрической передачи мощности тягового транспортного средства, а также невозможность осуществить реверс тягового электродвигателя без реверсирования первичного теплового двигателя или перемены двух фаз питающего напряжения тягового электродвигателя. К недостаткам известной системы электрической передачи мощности тягового транспортного средства на переменном токе можно также отнести необходимость наличия химического источника постоянного тока либо внешнего источника постоянного напряжения, необходимых для пуска всей электроэнергетической установки и первоначального возбуждения генераторной системы.
Задачей предлагаемого технического решения является упрощение конструкции, расширение функциональных возможностей электрической передачи мощности, улучшение массогабаритных характеристик, повышение эффективности и надежности работы электрической передачи мощности транспортного средства.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение живучести и, как следствие, надежности электрической передачи мощности тягового транспортного средства на переменном токе, что особенно важно и актуально для автономных систем, а также выполнение требований эксплуатационного характера, что позволит реализовать реверс тягового электропривода, осуществить питание потребителей собственных нужд, а также позволит осуществить питание мощных внешних потребителей (например, питание береговых потребителей при стоянке у берега).
Технический результат достигается за счет того, что в схеме электрической передачи мощности тягового транспортного средства на переменном токе, содержащей первичный тепловой двигатель, механически соединенный с валом асинхронного генератора переменного тока с фазным ротором, тяговый асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, вал которого соединен с движителем транспортного средства, два инвертора напряжения, объединенных одноименными выводами постоянного тока и образующих обратимый статический преобразователь частоты, причем роторная обмотка асинхронного генератора переменного тока подключена к первому входу обратимого статического преобразователя частоты, предусмотрены следующие отличия, электрическая передача мощности тягового транспортного средства снабжена дополнительным инвертором напряжения, согласующим трансформатором, дизель-генераторной установкой, щитом питания внешних потребителей, пятью автоматическими выключателями, главным распределительным щитом и потребителями собственных нужд, причем статарная обмотка асинхронного генератора переменного тока через первый автоматический выключатель подключена ко второму входу обратимого статического преобразователя частоты, к которому через второй автоматический выключатель подключена статорная обмотка тягового асинхронного электродвигателя, а через третий автоматический выключатель - щит питания внешних потребителей, вход постоянного тока инвертора напряжения согласованно подключен к звену постоянного тока обратимого статического преобразователя частоты, а вход переменного тока инвертора напряжения через согласующий трансформатор и четвертый автоматический выключатель подключен к шинам главного распределительного щита, к шинам которого подключены потребители собственных нужд и через пятый автоматический выключатель - дизель-генераторная установка.
Кроме того, предложенное техническое решение дополнительно содержит широтно-импульсный преобразователь постоянного напряжения в постоянное с входными и выходными зажимами, и шестой автоматический выключатель, причем входные зажимы широтно-импульсного преобразователя согласованно подключены к звену постоянного тока обратимого статического преобразователя частоты, а выходные зажимы широтно-импульсного преобразователя подключены через шестой автоматический выключатель к двум любым фазам статорной обмотки асинхронного генератора переменного тока.
Техническая сущность и принцип действия предлагаемого технического решения представлены на фиг. 1 и  фиг. 2.
Схема электрической передачи мощности тягового транспортного средства на переменном токе состоит из первичного теплового двигателя 1, механически соединенного с валом асинхронного генератора переменного тока 2 с фазным ротором, тягового асинхронного электродвигателя 3 с короткозамкнутым ротором, вал которого соединен с движителем 4 транспортного средства, двух инверторов напряжения 5 и 6, объединенных одноименными выводами постоянного тока 7, 8 и образующими обратимый статический преобразователь частоты 9. Роторная обмотка асинхронного генератора переменного тока 2 подключена к первому входу 10 обратимого статического преобразователя частоты 9. Электрическая передача мощности тягового транспортного средства снабжена дополнительным инвертором напряжения 11, согласующим трансформатором 12, дизель-генераторной установкой 13, щитом питания внешних потребителей 14, пятью автоматическими выключателями 15, 16, 17, 18, 19. главным распределительным щитом 20 и потребителями собственных нужд 21. Статорная обмотка асинхронного генератора переменного тока 2 через первый автоматический выключатель 15 подключена ко второму входу 22 обратимого статического  преобразователя частоты 9, к которому через второй автоматический выключатель 16 подключена статорная обмотка тягового асинхронного электродвигателя 3, а через третий автоматический выключатель 17 - щит питания внешних потребителей 14. Вход постоянного тока 23 дополнительного инвертора напряжения 11 согласованно подключен к звену постоянного тока 24 обратимого статического преобразователя частоты 9, а вход переменного тока 25 дополнительного инвертора напряжения 11 через согласующий трансформатор 12 и четвертый автоматический выключатель 18 подключен к шинам главного распределительного щита 20, к шинам которого подключены потребители собственных нужд 21 и через пятый автоматический выключатель 19 - дизель-генераторная установка 13.
Электрическая передача мощности тягового транспортного средства на переменном токе, принципиальная схема которой представлена на фиг. 2, может содержать дополнительно широтно-импульсный преобразователь 26 постоянного напряжения в постоянное с входными 27 и выходными 28 зажимами и шестой автоматический выключатель 29. Входные зажимы 27 широтно-импульсного преобразователя 26 согласованно подключены к звену постоянного тока 24 обратимого статического преобразователя частоты 9. Выходные зажимы 28 широтно-импульсного преобразователя 26 подключены через шестой автоматический выключатель 29 к двум любым фазам статорной обмотки асинхронного генератора переменного тока 2.
Предлагаемая электрическая передача может работать в пяти режимах работы: режиме полного хода, маневровом режиме, реверсивном режиме, стояночном режиме (режиме питания внешних потребителей электроэнергии) и аварийном режиме. Более подробно рассмотрим каждый из режимов.
Режим полного хода характеризуется питанием тягового асинхронного электродвигателя 3 от асинхронного генератора 2 по системе генератор - двигатель, при этом потребители собственных нужд 21 также могут получать питание от синхронного генератора 2 через электрические преобразователи электроэнергии (инвертор напряжения 6, дополнительный инвертор напряжения 11, согласующий трансформатор 12, автоматический выключатель 18). Асинхронный генератор 2 в данном случае работает как синхронная машина с питанием постоянным напряжением двух фаз обмотки ротора, инвертор напряжения 6 работает в режиме выпрямителя, обеспечивая питание инвертору напряжения 5 и дополнительному инвертору напряжения 11, работающим в режимах инвертора, при этом инвертор напряжения 5 питает две любые фазы роторной обмотки асинхронного генератора 2 постоянным напряжением, а дополнительный инвертор напряжения 11 питает согласующий трансформатор 12 напряжением с частотой и уровнем, требуемым для обеспечения питания потребителей собственных нужд 21 с требуемыми показателями качества.
В данном режиме напряжение, снимаемое с обмотки статора асинхронного генератора 2, зависит от частоты вращения первичного теплового двигателя 1
согласно, где
p - число пар полюсов асинхронного генератора 2,
в
ω - механическая частота вращения ротора асинхронного генератора 2, а уровень напряжения определяется уровнем напряжения обмотки возбуждения.
В случае перегрузки либо недостаточной мощности асинхронного генератора 2 потребители собственных нужд 21 будут независимо от главной движительной установки получать питание от дизель-генераторной установки 13 через автоматический выключатель 19 и шины главного распределительного щита 20. При этом автоматический выключатель 18 будет разомкнут, а дополнительный инвертор напряжения 11 не будет работать.
Маневровый режим работы электрической передачи мощности тягового транспортного средства на переменном токе характеризуется работой асинхронного генератора 2 с фазным ротором в синхронном режиме с возбуждением со стороны ротора переменным напряжением изменяемой частоты посредством обратимого статического преобразователя частоты 9. При изменении действующего значения и частоты напряжения, подводимого к ротору, со стороны инвертора напряжения 5, работающего в режиме активного выпрямителя, будет происходить изменение действующего значения и частоты напряжения на статорной обмотке асинхронного генератора 2. Такое регулирование приведет к изменению частоты и уровня питающего напряжения статорной обмотки тягового асинхронного электродвигателя 3 и, как следствие, к регулированию частоты вращения тягового асинхронного электродвигателя 3 и приводимого им во вращение движителя 4 (например, винта). Обратимый статический преобразователь частоты 9 согласует напряжения роторной и статорной цепи асинхронного генератора 2. Связь частот вращения магнитных полей, создаваемых обмотками ротора и статора, и частоты вращения ротора асинхронного генератора 2 может быть записана согласно
, где
с
ω - частота вращения поля (частота напряжения) обмотки статора;
в
ω - механическая частота вращения ротора, p - число пар полюсов электрической машины;
р
ω- частота вращения поля (частота напряжения) обмотки ротора.
Исходя из данного соотношения видно, что для регулирования частоты напряжения статора асинхронного генератора 2 можно изменять частоту вращения ротора асинхронного генератора 2 посредством первичного теплового двигателя 1 или регулировать частоту и направление вращения поля обмотки ротора относительно направления вращения вала асинхронного генератора 2. Для обеспечения оптимального режима работы первичного теплового двигателя 1 можно регулировать его частоту вращения в необходимом диапазоне вне зависимости от требуемой частоты выходного напряжения асинхронного генератора 2.
Для пуска всей энергетической установки и первоначального возбуждения генераторной системы (первичный тепловой двигатель 1 и асинхронный генератор переменного тока 2) обратимый статический преобразователь частоты 9 звеном постоянного тока 24 согласованно, соединен с входом постоянного тока 23 дополнительного инвертора напряжения 11, который, работая в режиме выпрямителя, обеспечивает питание инвертора напряжения 5 для начального запуска системы. При этом вход переменного тока 25 дополнительного инвертора напряжения 11 получает питание от дизель-генераторной установки 13 через пятый автоматический выключатель 19, главный распределительный щит 20, четвертый автоматический выключатель 18 и согласующий трансформатор 12. Следует отметить, что обеспечение питания звена постоянного тока 24 обратимого статического преобразователя частоты 9 нужно обеспечить только на время пуска энергетической установки пока не наступит самовозбуждение асинхронного генератора 2. В маневровом режиме мощность, передаваемая через обратимый статический преобразователь частоты 9, зависит от глубины регулирования частоты напряжения обмотки статора относительно  и характера нагрузки тягового электропривода.
Следует отметить, что в данном режиме имеется возможность обеспечения электроэнергией потребителей собственных нужд 21 от асинхронного генератора 2. В данном случае энергия, рекуперируемая со стороны ротора через инвертор напряжения 5, работающий в режиме активного выпрямителя, передается и в тяговый асинхронный электродвигатель 3, через инвертор напряжения 6 и второй автоматический выключатель 16, и для питания потребителей собственных нужд 21, через дополнительный инвертор напряжения 11, согласующий трансформатор 12, четвертый автоматический выключатель 18 и главный распределительный щит 20.
Реверсивный режим работы с обеспечением частых реверсов (например швартовном) или режиме хода с небольшой скоростью характеризуется изменением направления вращения движителя 4 и питанием тягового асинхронного электродвигателя 3 либо от асинхронного генератора 2 либо от дизель-генераторной установки 13.
Питание тягового асинхронного электродвигателя 3 от асинхронного генератора 2 осуществляется по цепи: роторная обмотка асинхронного генератора 2, работающего в синхронном режиме, первый вход 10 обратимого статического преобразователя частоты 9, второй вход 22 обратимого статического преобразователя частоты 9, и через второй автоматический выключатель 16 на статарную обмотку тягового асинхронного электродвигателя 3. Возбуждение асинхронного генератора 2 осуществляется из звена постоянного тока 24 по цепи входные зажимы 27, широтно-импульсный преобразователь 26 постоянного напряжения, выходные зажимы 28, шестой автоматический выключатель 29 и на две любые фазы статорной обмотки асинхронного генератора переменного тока 2. Широтно-импульсный преобразователь 26 постоянного напряжения осуществляет регулирование уровня напряжения возбуждения асинхронного генератора 2, а соответственно и регулирование уровня выходного напряжения роторной обмотки асинхронного генератора 2. Частота выходного напряжения обмотки ротора асинхронного генератора 2 определяется согласно. В данном режиме первый автоматический выключатель 15 должен быть разомкнут. При этом инвертор напряжения 5 работает в режиме выпрямителя, а инвертор напряжения 6 работает в режиме инвертирования. В такой структуре также может осуществляться питание потребителей собственных нужд 21 по цепи: роторная обмотка асинхронного генератора 2, работающего в синхронном режиме, первый вход 10, инвертор напряжения 5, выводы постоянного тока 7, дополнительный инвертор напряжения 11, согласующий трансформатор напряжения 12, четвертый автоматический выключатель 18, шины главного распределительного щита 20 и потребители собственных нужд 21.
Стояночный режим работы предлагаемой структуры характеризуется питанием мощных внешних потребителей электроэнергии от генераторной системы, состоящей из первичного теплового двигателя 1 и асинхронного генератора 2. Питание внешних потребителей электроэнергии осуществляется по цепи: статорная обмотка асинхронного генератора 2, первый автоматический выключатель 15, третий автоматический выключатель 17 и щит питания внешних потребителей 14. При этом возбуждение асинхронного генератора 2 происходит по цепи: статорная обмотка асинхронного генератора 2, обратимый статический преобразователь частоты 9 и роторная обмотка асинхронного генератора 2. Инвертор напряжения 6 работает в режиме выпрямителя, а инвертор напряжения 5 работает в режиме инвертирования, обеспечивая постоянным напряжением две любые фазы роторной обмотки асинхронного генератора переменного тока 2, работающего в синхронном режиме с возбуждением со стороны ротора. В такой структуре также может осуществляться питание потребителей собственных нужд по цепи: статорная обмотка асинхронного генератора 2, работающего в синхронном режиме, инвертор напряжения 6, работающий в режиме выпрямителя, выводы постоянною тока 8, дополнительный инвертор напряжения 11, согласующий трансформатор напряжения 12, четвертый автоматический выключатель 18, шины главного распределительного щита 20 и потребители собственных нужд 21.
Аварийный режим работы характеризуется выходом из строя первичною теплового двигателя 1 или асинхронного генератора 2. В этом режиме питание тягового асинхронного электродвигателя 3 может осуществляться от дизель-генераторной установки 13 по цепи: дизель-генераторная установка 13, пятый автоматический выключатель 19, главный распределительный щит 20, четвертый автоматический выключатель 18, согласующий трансформатор 12, дополнительный инвертор напряжения 11, работающий в режиме выпрямителя, инвертор напряжения 6, работающий в режиме инвертора, и второй автоматический выключатель 16. При этом первый автоматический выключатель 15 должен быть разомкнут, инвертор напряжения 5 не работает. В данном режиме также может осуществляться питание потребителей собственных нужд по цепи: дизель-генераторная установка 13, пятый автоматический выключатель 19, главный распределительный щит 20 и потребители собственных нужд 21.
Преимуществом данной энергетической установки является "гибкость", повышение энергетической эффективности, увеличение живучести а следовательно, и повышение надежности всей электроэнергетической системы. К достоинствам предлагаемой электроэнергетической системы можно отнести возможность осуществления реверса тягового электродвигателя, возможность осуществления питания потребителей собственных нужд от главной энергетической установки, а также простота организации системы возбуждения.
Таким образом, предлагаемая электрическая передача мощности позволяет существенно упростить конструкцию, расширить функциональные возможности электрической передачи мощности, улучшить массогабаритные характеристики, повысить эффективность и надежность работы электрической передачи мощности транспортного средства.