СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ ПРИ РЕКУПЕРАТИВНОМ ТОРМОЖЕНИИ ЭЛЕКТРОВОЗА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF INCREASING POWER FACTOR IN REGENERATIVE BRAKING OF AC ELECTRIC LOCOMOTIVE AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к устройствам генерации электроэнергии, а точнее к устройствам, обеспечивающим режим рекуперативного торможения электровоза с возвратом энергии в электрическую сеть переменного тока.
Известны электровозы переменного тока ВЛ-80р, ВЛ-85, ВЛ-65, например (Б.А.Тушканов, Н.Г.Пушкарев, Л.А.Позднжова и др. Электровоз ВЛ-85. Руководство по эксплуатации. М., 1992, 480 с.), в которых применяется тиристорный выпрямительно-инверторный преобразователь, подключенный при рекуперации к блоку балластных резисторов и якорю тягового двигателя. В качестве выпрямительной установки возбуждения используется установка на основе тиристоров, что обуславливает пульсации напряжения возбуждения с фазой, сдвинутой относительно фазы напряжения сети на угол, примерно равный 90 электрическим градусам. Недостатком схемы данных электровозов является малый коэффициент мощности в режиме рекуперации (не более 65%), что обусловлено в том числе применением тиристорной выпрямительной установки возбуждения.
Известны электровозы переменного тока ЭП-1, Ермак, например (Электровоз ЭП-1. Руководство по эксплуатации, т.1, Ростов на Дону, 2006, 540 с.), являющийся наиболее близким аналогом (прототипом), отличающийся в режиме рекуперации от электровозов ВЛ-80р и ВЛ-85 тем, что в цепи якорей тяговых электродвигателей последовательно с ними включены диоды для исключения контурных токов двух тяговых электродвигателей. В качестве выпрямительной установки возбуждения используется установка на основе тиристоров, что обуславливает пульсации напряжения возбуждения с фазой, сдвинутой относительно фазы напряжения сети на угол, примерно равный 90 электрическим градусам. Недостатком схемы данных электровозов является малый коэффициент мощности в режиме рекуперации (не более 65%), что обусловлено в том числе применением тиристорной выпрямительной установки возбуждения.
Предлагаемый способ повышения коэффициента мощности заключается в том, что при использовании электронных ключей возможно изменение фазы пульсаций тока обмоток возбуждения по сравнению со случаем использования тиристорного преобразователя в выпрямительной установке возбуждения, такое, что пульсации тока возбуждения будут по фазе совпадать с фазой амплитудного напряжения в сети. При этом увеличивается ток первичной сети во время высокого амплитудного напряжения сети и, соответственно, повышается коэффициент мощности.
Предлагаемое устройство (схема электровоза в режиме рекуперации в сеть - Фиг.1 или Фиг.2) состоит из тиристорного выпрямительно-инвертирующего преобразователя 2, запитанного от трансформатора напряжения 1, блока балластных резисторов 3, состоящих из резисторов 4, диодов 5, двигателей 6, включающих в себя обмотку возбуждения 7 и якорь 8, сглаживающего реактора (дросселя) 9, выпрямительной установки возбуждения 11, включающей ключи 12 и шунтирующий диод 13 схемы управления ключами 10. Трансформатор 1 подключен к сети переменного тока через токоприемник (пантограф) 14. Схемы, изображенные на Фиг.1 и Фиг.2, отличаются количеством выводов обмотки возбуждения и количеством используемых электронных ключей.
Для получения тока возбуждения используется выпрямительная установка возбуждения, состоящая из двух или более электронных ключей, управляемых схемой управления ключами, и диода, причем диод включен параллельно набору обмоток возбуждения электродвигателей, а ключи включены между одной или более обмоткой возбуждения и цепью возбуждения обмотки электродвигателя.
На Фиг.3 показаны временные диаграммы сетевого напряжения Uсети, тока возбуждения Iвув и тока сети I сети в режиме рекуперации, который реализуется в штатной схеме описанных выше электровозов ВЛ-80р, ВЛ-85, ВЛ-65, ЭП-1 с тиристорной выпрямительной установкой возбуждения, тока возбуждения Uвув и тока сети I сети (предл. вариант) при использовании предлагаемой выпрямительной установки возбуждения с электронными ключами, напряжения управления ключами Uупр.кл.(1=замк., 0=разомк.).
Работа штатной схемы электровозов ВЛ-80р, ВЛ-85, ВЛ-65, ЭП-1 без шунтирования части балластных резисторов заключается в следующем (Фиг.1, Фиг.3): выпрямительная установка возбуждения подает на обмотку возбуждения тяговых электродвигателей пульсирующий ток, причем из-за использования тиристоров (работающих от момента их включения и до перехода напряжения через ноль) и индуктивности обмоток возбуждения фаза пульсаций этого тока сдвинута относительно фазы амплитуды сетевого напряжения на угол, близкий к 90 электрическим градусам, что является одним из факторов малого коэффициента мощности. При постоянной скорости вращения двигателей и постоянном токе обмотки возбуждения цепь якоря тягового электродвигателя представляет собой генератор также пульсирующего напряжения с фазой, сдвинутой от напряжения сети на угол, близкий к 90 электрическим градусам. Напряжение подается через диод и балластный резистор блока балластных резисторов, сглаживающий реактор, на тиристорный выпрямительно-инвертирующий преобразователь. Диоды предназначены для исключения контурных токов двух тяговых электродвигателей, балластные резисторы - для ограничения тока в режиме рекуперации. Особенностью работы тиристорного выпрямительно-инвертирующего преобразователя в режиме инвертирования является то, что переключение тока сети должно осуществляться за некоторое время до перехода напряжения через ноль (Фиг.3), что также приводит к малому коэффициенту мощности в режиме рекуперации (не более 65% для электровозов ВЛ-80р, ВЛ-85, ВЛ-65, ЭП-1) и, соответственно, малому КПД.
Работа предлагаемой схемы отличается от работы штатной схемы электровозов ВЛ-80р, ВЛ-85, ВЛ-65, ЭП-1 следующим: схема управления ключами анализирует напряжение сети и в моменты после перехода напряжения через ноль включает ключи. Через некоторое время, достаточное для поддержания тока, но меньшее половины полупериода сетевого напряжения, схема управления выключает ключи. В результате обеспечиваются пульсации тока возбуждения с фазой, близкой к фазе пульсаций амплитуды сетевого напряжения. Это приводит к увеличению коэффициента мощности и КПД.
В качестве ключей могут быть применены IGBT транзисторы (транзисторные модули) либо модули на полевых транзисторах.
Техническим результатом является повышение коэффициента мощности в режиме рекуперативного торможения и повышение КПД преобразователя.
Список источников
1. Б.А.Тушканов, Н.Г.Пушкарев, Л.А.Позднякова и др. Электровоз ВЛ-85. Руководство по эксплуатации. М., 1992, 480 с.
2. Электровоз ЭП-1. Руководство по эксплуатации, т.1., Ростов на Дону, 2006, 540 с.