ТЯГОВЫЙ ПРИВОД ШЕСТИОСНОГО ЭЛЕКТРОВОЗА С ИМПУЛЬСНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ

Полезная модель относится к электрооборудованию электроподвижного состава с тяговыми двигателями постоянного тока.
Известен привод электровоза с импульсным регулированием, получающий питание от источника постоянного тока через Г-образный LC-фильтр на входе привода, содержащий два двигателя постоянного тока последовательного возбуждения, цепь питания каждого двигателя содержит индуктивный дроссель, подключенный последовательно с обмоткой якоря, тиристор, анодом подключенный к клемме Г-образного фильтра с положительным потенциалом, а катодом к сглаживающему реактору. К общей точке соединения катода тиристора и индуктивного дросселя катодом подключен диод. Анод диода подключен к зажиму LC-фильтра с отрицательным потенциалом. Цепи питания каждого двигателя подключены к клеммам упомянутого фильтра (см. книгу Б.Н.Тихменев, Л.М.Трахтман / Подвижной состав электрифицированных железных дорог. М.: «Транспорт», 1980, рис.227 на стр.233).
В случае применения указанного тягового привода на шестиосном электровозе необходимо одновременное применение трех указанных схем питания, что приводит к неоптимальному возрастанию массы и геометрических размеров привода.
Известен также привод электровоза с импульсным регулированием, получающий питание от источника постоянного тока, содержащий три параллельно соединенных полупроводниковых плеча, каждое из которых содержит входной LC фильтр и емкостной делитель со средней точкой. Каждое плечо питает два последовательно соединенных тяговых двигателя
постоянного тока последовательного возбуждения. В цепь положительной и отрицательной полярности включены импульсные регуляторы напряжения и сглаживающие реакторы. Обмотки возбуждения шунтированы резистором со ступенчатым регулированием протекающего тока. (А.И.Лещев, К.Н.Суслова / Технико-экономическое обоснование целесообразности замены реостатного пуска электровоза ЧС2 системой импульсного регулирования напряжения // Электровозостроение: Сб. науч. тр. ОАО "Всеросс. н-и. и проектно-конструкт. ин-т электровозостроения" (ОАО "ВЭлНИИ"). - Новочеркасск, 2000. - Т.43. с.146, рис.1).
В указанной схеме на силовых элементах: транзисторах, резисторах, реакторах, конденсаторах и т.п. выделяются значительные тепловые потери, что требует применения соответствующей системы охлаждения. При этом вне зависимости от ее типа: жидкостная или воздушная, система охлаждения будет обладать повышенными массо-габаритными показателями.
Наиболее близким по технической сущности является привод электровоза с импульсным регулированием (Патент РФ 2283246 B60L 9/04; 15/08) содержащий токоприемник, подключенный к контактной сети постоянного тока, последовательно с которым подключен входной дроссель. К выходу дросселя и «земле» параллельно подключены четыре контакторно-полупроводниковых плеча, каждое из которых содержит по два последовательно соединенных конденсатора, параллельно которым подключены импульсные прерыватели. Между импульсными прерывателями в каждом плече последовательно соединены индуктивный дроссель, обмотки якорей и обмотки возбуждения тяговых двигателей. При этом в крайних плечах (первом и четвертом) включены по два тяговых двигателя, а в средних плечах (втором и третьем) включены по одному двигателю. Клемма входного дросселя и точки соединения индуктивного дросселя и обмотки якоря каждого плеча имеют связь через силовой контакт контактора. Импульсные прерыватели подключены к входному дросселю и к «земле»
контактами контактора. К средней точке соединения конденсаторов и к общей точке соединения первого импульсного прерывателя и индуктивного дросселя каждого плеча подключен диод анодом к импульсному прерывателю. К средней точке соединения конденсаторов и к общей точке соединения второго импульсного прерывателя и обмотки возбуждения двигателя каждого плеча подключен диод катодом к импульсному прерывателю. Между выходными клеммами обмоток возбуждения второго, третьего и четвертого тяговых двигателей и точками соединения якорей третьего, четвертого и пятого тяговых двигателей с вышеуказанными индуктивными дросселями включены контакторы, силовые контакты которых шунтированы полупроводниковыми диодами, причем катоды последних подключены к вышеуказанным точкам соединений.
Недостаток привода - большое удельное количество силовых элементов: контакторов, конденсаторов и диодов, приходящихся на один тяговый двигатель. Рассчитанные на высокое напряжение силовой цепи (номинальное значение 3000 В) они обладают достаточно большими массой, габаритами, стоимостью и зачастую малым сроком службы. При глубоком импульсном регулировании (высокой частоте коммутации) импульсные регуляторы обладают большими коммутационными потерями энергии.
Выбор такой схемы в прошлом был продиктован отсутствием высоковольтной элементной базы импульсного прерывателя, в том числе силовых конденсаторов. Это вынуждало использовать последовательное включение конденсаторов и импульсных преобразователей, что влекло за собой усложнение привода в целом.
Задачей полезной модели является совершенствование тягового привода шестиосного электровоза с импульсным регулированием за счет уменьшения количества силовых элементов.
Поставленная задача решается тем, что в тяговый привод шестиосного электровоза с импульсным регулированием содержащий токоприемник,
подключенный к контактной сети постоянного тока, последовательно с которым подключен входной дроссель, к выходу дросселя, с одной стороны и к «земле», с другой, подключены параллельно четыре контакторно-полупроводниковых плеча, каждое из которых содержит импульсный преобразователь, питающий через индуктивный дроссель обмотки якорей и возбуждения коллекторных тяговых двигателей, каждый импульсный преобразователь содержит конденсатор, параллельно которому подключен импульсный прерыватель, вход которого через контакт контактора имеет связь с выходом дросселя, а выход которого соединен с индуктивным дросселем, при этом в крайних контакторно-полупроводниковых плечах (первом и четвертом) включены по два последовательно соединенных тяговых двигателя, а в средних плечах (втором и третьем) - включены по одному двигателю, между общей точкой соединения конденсатора с «землей» и выходом импульсного прерывателя установлен диод, катодом подключенный к выходу прерывателя, между выходными клеммами обмоток возбуждения второго, третьего, четвертого тяговых двигателей и точками соединения якорей третьего, четвертого, пятого тяговых двигателей с вышеуказанными индуктивными дросселями включены контакторы, силовые контакты которых шунтированы полупроводниковыми диодами, причем катоды последних подключены к вышеуказанным точкам соединений, дополнительно введены новые признаки - конденсаторы каждого контакторно-полупроводникового плеча выполнены на полное рабочее напряжение питания привода. Соответственно, такой конденсатор способен обладать большей энергией, чем конденсатор, подключенный на половину рабочего напряжения.
Положительный эффект полезной модели проявляется в том, что предлагаемое техническое решение позволяет уменьшить в приводе количество силовых элементов: конденсаторов, диодов, импульсных преобразователей и контакторов за счет установки в схеме привода
конденсаторов рассчитанных для применения на полное напряжение питающей сети привода. Вследствие этого в каждом плече используется один импульсный регулятор вместо двух по сравнению с прототипом, у которого конденсаторы были выполнены на половину напряжения питающей сети. Предлагаемое техническое решение позволяет сократить, практически вдвое, количество конденсаторов, диодов, импульсных преобразователей и контакторов, примененных в приводе.
Меньшее число контакторов способствует повышению надежности, меньшее число диодов способствует также снижению габаритных показателей, а снижение количества импульсных прерывателей, ко всему прочему, способствует снижению потерь на коммутацию, а, следовательно, уменьшению габаритов системы охлаждения.
На фигуре 1 представлен тяговый привод шестиосного электровоза с импульсным регулированием.
Тяговый привод шестиосного электровоза с импульсным регулированием содержит токоприемник 2, подключенный к контактной сети 1, входной дроссель 3, подключенный к токоприемнику 2, к выходу дросселя 3, с одной стороны и к «земле» 8, с другой подключены параллельно четыре контакторно-полупроводниковых плеча, каждое из которых содержит импульсный преобразователь соответственно 4, 5, 6 и 7, питающий через индуктивный дроссель соответственно 22, 31, 38 и 45, обмотки якорей (ОЯ) соответственно 23 и 24, 32, 39, 46 и 47 и обмотки возбуждения (ОВ) соответственно 25 и 26, 33, 40, 48 и 49 коллекторных тяговых двигателей. Каждый импульсный преобразователь 4, 5, 6 и 7 содержит выполненный на полное рабочее напряжение конденсатор соответственно, 9, 27, 34 и 41, параллельно которому подключен импульсный прерыватель соответственно 21, 29, 36 и 43, вход которого через контакт контактора соответственно 10, 11, 12 и 13 имеет связь с выходом входного дросселя 3, выход которого соединен с индуктивным дросселем
соответственно 22, 31, 38 и 45. При этом в крайних плечах (слева на право первом и четвертом) включены по два последовательно соединенных тяговых двигателя соответственно 23, 24 и 46, 47, а в средних плечах (втором и третьем) - включены по одному тяговому двигателю соответственно 32 и 39. Между общей точкой соединения каждого конденсатора 9, 27, 34 и 41 с «землей» 8 и выходом каждого импульсного прерывателя 21, 29, 36 и 43, установлен диод развязки, соответственно 20, 28, 35 и 42, катодом подключенный к выходу прерывателя, соответственно 21, 29, 36 и 43. Между выходными клеммами ОВ второго 26, третьего 33, четвертого 40 тяговых двигателей и точками соединения ОЯ третьего 32, четвертого 39, пятого 46 тяговых двигателей с вышеуказанными индуктивными дросселями 31, 38 и 45 включены силовые контакты соответственно 15, 17 и 19, шунтированные диодами перехода, соответственно 30, 37 и 44, катодами подключенные к вышеуказанным точкам соединений. Между «землей» 8 и общими точками соединения ОВ второго 26, третьего 33, четвертого 40 двигателей и диодами, соответственно 30, 37, и 44, шунтирующими групповые контакты соответственно 15, 17 и 19 установлены силовые контакты соответственно 14, 16 и 18. Каждая из общих точек соединения конденсатора, соответственно, 9, 27, 34 и 41 и диода развязки импульсного преобразователя соответственно 20, 28, 35 и 42 всех плеч, а также ОВ 49 последнего двигателя имеют непосредственную связь с «землей» 8. В качестве «земли» 8 может выступать токосъемное устройство, рельс. Импульсный прерыватель 21, 29, 36 и 43 представляет собой встречно-параллельное соединение транзистора типа IGBT и диода. Анод диода прерывателя 21, 29, 36 и 43 подключен к общей точке соединения катода развязывающего диода соответственно 20, 28, 35 и 42 и дросселя, соответственно 22, 31, 38 и 45. Катод диода прерывателя 21, 29, 36 и 43 подключен к контакту прерывателя 10, 11, 12 и 13. В качестве дросселей 22, 31, 38 и 45 могут использоваться сглаживающие реакторы.
Конденсаторы 9, 27, 34 и 41 выполнены на полное рабочее напряжение привода, что определяет их повышенную мощность, при сохранении прежней емкости.
Конденсаторы 9, 27, 34 и 41, а также контакты 10, 11, 12 и 13 могут быть выполнены отдельно от импульсных преобразователей 4, 5, 6 и 7 (размещаться вне их конструктива).
Привод электровоза работает следующим образом.
В режиме тяги на сериесном соединении (С-соединение) путь тока составит: контактная сеть 1, токоприемник 2, дроссель 3, линейный контактор 10 импульсного прерывателя (ИП) 4, дроссель 22, обмотки якорей (ОЯ) 23, 24, обмотки возбуждения (ОВ) 25, 26, диод 30, дроссель 31, ОЯ 32, OB 33, диод 37, дроссель 38, ОЯ 39, OB 40, диод 44, дроссель 45, ОЯ 46, 47, OB 48, 49, «земля» 8.
1
6
При этом максимальное напряжение на каждом из двигателей составит / от напряжения контактной сети 1. Значение напряжения на тяговых двигателях 23, 24, 32, 39, 46, 47 можно понизить, регулируя его импульсным прерывателем 21. Для этого открывают/закрывают транзистор ИП 21, уменьшая тем самым длительность проводящего состояния. Диоды, подключенные встречно-параллельно транзисторам IGBT в ИП 21, 29, 36 и 43 служат для ограничения коммутационных всплесков. Конденсаторы 9, 27, 34 и 41 выполняют функцию электрического фильтра, снижающего пульсации напряжения. Диоды 20, 28, 35 и 42 выполняют функцию «развязывания» цепей.
Для перехода с сериесного соединения на сериесно-параллельное соединение тяговых двигателей отключают контактор 17, подготавливая схему к группировке 2×3 (2 параллельные ветви по 3 последовательно соединенных двигателя). Завершают процесс перехода на соединение СП замыканием контакта 16.
На соединении СП путь тока составит: контактная сеть 1, токоприемник 2, дроссель 3. Далее цепь разделяется на две параллельные цепи:
Первая цепь: контакт 10, ИП 21, дроссель 22, ОЯ 23, 24, OB 25, 26, контакт 15, дроссель 31, ОЯ 32, ОВ 33, контакт 16, «земля» 8.
1
3
Вторая цепь: контакт 12, ИП 36, дроссель 38, ОЯ 39, OB 40, контакт 19, дроссель 45, ОЯ 46, 47, OB 48, 49, - «земля» 8. Максимальное напряжение на тяговых двигателях составляет / от напряжения контактной сети. Напряжение на якорях тяговых двигателей понижают при помощи ИП 21 и 36.
Для перехода с сериесно-параллельного (СП) соединения на параллельное (П) соединение размыкают контакт 15, подготавливая схему к группировке 3×2 (3 параллельные ветви по 2 последовательно соединенных двигателя). Затем замыкают контакты 11, 13, 14, 17 и 18, а контакты 12 и 16 размыкают.
На соединении «П» путь тока составит: контактная сеть 1, токоприемник 2, дроссель 3. Далее цепь разделяется на три параллельные цепи:
Первая цепь: контакт 10, ИП 21, дроссель 22, ОЯ 23, 24, OB 25, 26, контакт 14 - «земля» 8.
Вторая цепь: контакт 11, ИП 29, дроссель 31, ОЯ 32, OB 33, контакт 17, дроссель 38, ОЯ 39, OB 40, контакт 18 - «земля» 8.
Третья цепь: контакт 13, ИП 43, дроссель 45, ОЯ 46, 47, OB 48, 49, «земля» 8.
1
2
Максимальное напряжение на тяговых двигателях составляет / от напряжения контактной сети. Напряжение на якорях тяговых двигателей понижают при помощи ИП 21, 29 и 43.
Диаграмма замыкания силовых контактов, включая прямые и обратные переходы, с одной группировки тяговых двигателей на другую представлена ниже в таблице.
Дроссель 3 предназначен для снижения пульсаций потребляемого тока, вызванных, например, плохим контактом токоприемника 2 с контактной сетью 1 (процесс «отрыв-касание» токоприемника).
В случае аварийного режима - пробое изоляции на «землю», например, в точке соединения якоря ТД 23 и индуктивного дросселя 22 все пары ТД переходят в генераторный режим, а токи якорей в контуре, замыкаемом через корпус электровоза, изменяют направление на противоположное, что приводит к размагничиванию обмоток возбуждения, ограничению тока короткого замыкания, с последующим его снижением до нуля. В тоже время, скорость нарастания тока в цепи ИП 21 снижается за счет влияния индуктивности дросселя 22. Наличие в приводе диодов 20, 28, 35 и 42 обеспечивает непрерывность протекания тока якоря при перегруппировках ТД. При этом исключаются потери силы тяги.
По сравнению с известными прототипами предлагаемое техническое решение, обладая меньшим количеством силовых элементов: конденсаторов, диодов, транзисторов, контактов способствует снижению массо-габаритных показателей привода в целом, дополнительно - упрощению системы управления в части сокращения управляющих выходов (каналы управления драйверов транзисторов ИП).
Привод обладает и другими положительными характеристиками, относящимися к области регулирования, повышения энергетических показателей и защиты в аварийных режимах, не раскрытые в данном техническом решении.
ТаблицаДиаграмма замыканий линейных и групповых контакторов привода для трех группировок тяговых двигателей.
Состояние силовых контактов контакторов
Соединение
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
С-соединение
+
-
-
-
-
+
-
+
-
+
Прямой переход
+
-
-
-
-
+
-
-
-
+
С→СП
СП-соединение
+
-
+
-
-
+
+
-
-
+
Прямой переход
+
-
+
-
-
-
+
-
-
-
СП→П
П-соединение
+
+
-
+
+
-
-
+
+
-
Обратный переход
+
-
+
-
+
-
-
-
+
-
П→СП
Обратный переход
+
-
-
-
-
+
+
-
+
-
СП→С
+ контакты замкнуты
- контакты разомкнуты