Тяговый электропривод локомотива
LOCOMOTIVE ELECTRIC TRACTION DRIVE

Тяговый электропривод локомотива
Изобретение относится к электрической передаче локомотивов железнодорожного транспорта.
Известна электрическая передача тепловоза, содержащая тепловой двигатель, вращающий синхронный генератор и возбудитель с последовательным возбуждением, выходное напряжение которого через управляемый выпрямитель питает обмотку возбуждения синхронного генератора, две статорные трехфазные обмотки которого подключены к входам выпрямительной установки, выходы которой через контакты поездного контактора и реверсора подключены к шести тяговым двигателям с последовательным возбуждением, которые соединены параллельно друг другу и имеют две ступени ослабления поля, при этом резисторы ослабления поля шунтируют обмотки возбуждения тяговых двигателей двумя контакторами ослабления возбуждения (В.И. Вилькевич «Автоматическое управление электрической передачей и электрические схемы тепловозов», Москва «Транспорт», 1987 г., стр. 65 -67).
Недостатками известной электрической передачи тепловоза являются броски тока в электрических цепях и удары в механической части электропривода при переключении ступеней ослабления поля.
Известна электрическая передача тепловоза, содержащая тепловой двигатель, вращающий синхронный генератор и возбудитель с последовательным возбуждением, выходное напряжение которого через управляемый выпрямитель питает обмотку возбуждения синхронного генератора, две статорные трехфазные обмотки которого подключены к входам шестиканального управляемого выпрямителя, каждый из шести выходов которого через контакты поездного контактора и токовые шунты подключены соответственно к шести тяговым двигателям с встроенными датчиками частоты вращения и с последовательным возбуждением, при котором якорная обмотка каждого тягового двигателя включена через контакты реверсора последовательно с обмоткой возбуждения, параллельно которой через контакты контактора ослабления поля подключается резистор ослабления поля, а параллельно якорным обмоткам тяговых двигателей контактами тормозного контактора подключаются тормозные резисторы, при этом управляемый выпрямитель, шестиканальный управляемый выпрямитель, поездной контактор, реверсор, контактор ослабления поля, тормозной контактор управляются системой управления, которая реализует поосное регулирование силы тяги (С.В. Сергеев, А.В. Пархонин, И.И. Городецкий, Н.А. Замяткин, И.В. Рубаник «Локомотив» №3, 2017 г., стр. 27-31 «Электрическая схема тепловоза 2ТЭ116У»).
Недостатком известного тягового электропривода тепловоза являются его большие массогабаритные размеры и возможность бросков тока в электрических цепях и ударов в механической части электропривода при переключении ступеней ослабления поля.
Известен тяговый электропривод тепловоза, принятый за прототип, который содержит синхронный генератор, две статорные трехфазные обмотки которого подключены к входам выпрямителя, шесть идентичных импульсных регулятора, шесть тяговых двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением, поездной контактор, реверсор, тормозные резисторы, систему управления, при этом первые и вторые входы импульсных регуляторов соответственно соединены между собой и подключены к выходам выпрямителя, а выходы импульсных регуляторов через контакты поездного контактора нагружены на тяговые двигатели постоянного тока, якорные обмотки которых соединены последовательно с обмотками возбуждения через попарно включенные контакты и попарно выключенные контакты реверсора, при этом каждый импульсный регулятор содержит параллельно соединенные между собой датчик напряжения, тормозной ключ, емкость, регулятор напряжения, состоящий из двух последовательно соединенных транзисторов, шунтированных обратными диодами и к точке соединения которых подключен вход датчика выходного тока, выход которого соединен с входным контактом поездного контактора, а тормозной ключ состоит из транзистора, шунтированного обратным диодом и последовательно соединенным с диодом, параллельно которому включен тормозной резистор, при этом информационные выходы датчиков напряжения и датчиков выходного тока соответственно подключены к входам системы управления, выходы которой соответственно управляют тормозными ключами и регуляторами напряжения (Ю.И. Клименко, К.С. Перфильев, Я.В. Чупин, «Локомотив» №11, 2017 г., стр. 36, 37 «Усовершенствовали силовую схему тягового электропривода тепловозов»).
Недостатком известного тягового электропривода тепловоза является необходимость использования механических контакторов и резисторов ослабления поля для реализации бесступенчатого ослабления поля, как в режиме тяги, так и в режиме реостатного торможения, большие массогабаритные размеры тягового электропривода.
Техническим результатом изобретения является реализация режима бесступенчатого ослабления поля без использования механических контакторов и резисторов ослабления поля, снижение массы и габаритных размеров тягового электропривода локомотива.
Указанный технический результат достигается тем, что в тяговый электропривод локомотива, содержащий силовой источник питания, регулятор напряжения, тяговый двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением, выход якорной обмотки которого подключен к одному из выходов силового источника питания, а вход якорной обмотки соединен последовательно с выходом обмотки возбуждения, при этом между выходами силового источника питания включены параллельно соединенные между собой конденсатор и регулятор напряжения, состоящий из двух последовательно соединенных транзисторов, шунтированных обратными диодами, точка соединения которых подключена через датчик выходного тока к входу обмотки возбуждения, а информационный выход датчика выходного тока подключен к первому входу блока управления, снабженного портом ввода - вывода и первый выход блока управления управляет регулятором напряжения, дополнительно введен регулятор ослабления поля, подключенный к выходам силового источника питания и состоящий из двух последовательно соединенных транзисторов, шунтированных обратными диодами, точка соединения которых подключена через дополнительный датчик тока к соединенным вместе входу якорной обмотки и выходу обмотки возбуждения тягового двигателя постоянного тока, при этом информационный выход дополнительного датчика тока подключен к второму входу блока управления, второй выход которого управляет регулятором ослабления поля.
На чертеже представлена структурная схема тягового электропривода локомотива.
Тяговый электропривод локомотива, содержит силовой источник 1 питания, регулятор 2 напряжения, тяговый двигатель 3 постоянного тока с последовательным возбуждением, выход якорной обмотки 4 которого подключен к одному из выходов силового источника 1 питания (например, отрицательного), а вход якорной обмотки 4 соединен последовательно с выходом обмотки возбуждения 5. Между выходами силового источника 1 питания включены параллельно соединенные между собой конденсатор 6 и регулятор 2 напряжения, состоящий из двух последовательно соединенных транзисторов 7 и 8, шунтированных обратными диодами 9 и 10, точка соединения которых подключена через датчик 11 выходного тока к входу обмотки возбуждения 5, а информационный выход датчика 11 выходного тока подключен к первому входу блока управления 12. Блок управления 12 снабжен портом ввода - вывода 13, первый выход блока управления 12 управляет регулятором 2 напряжения. Тяговый электропривод локомотива также содержит регулятор 14 ослабления поля, подключенный к выходам силового источника 1 питания и состоящий из двух последовательно соединенных транзисторов 15 и 16, шунтированных обратными диодами 17 и 18, точка соединения которых подключена через дополнительный датчик 19 тока к соединенным вместе входу якорной обмотки 4 и выходу обмотки возбуждения 5 тягового двигателя 3 постоянного тока. Информационный выход дополнительного датчика 19 тока подключен к второму входу блока управления 12, второй выход которого управляет регулятором 14 ослабления поля.
Силовой источник 1 питания на тепловозах представляет собой дизель-генераторную и выпрямительную установки, на электровозах переменного тока - контактную сеть, тяговый трансформатор и выпрямитель, на электровозах постоянного тока источником питания является контактная сеть.
Транзисторы 7, 8, шунтированные обратными диодами 9, 10, регулятора 2 напряжения и транзисторы 15, 16, шунтированные обратными диодами 17, 18, регулятора 14 ослабления поля представляют собой IGBT - модули. При работе транзисторов 7, 8, 15, 16 в ключевом режиме обратные диоды 9, 10, 17, 18 обеспечивают протекание обратных токов в моменты выключения транзисторов. Транзисторы 8 и 16 могут быть использованы при работе локомотива в режиме электродинамического тормоза. Конденсатор 6 предназначен для сглаживания пульсаций напряжения силового источника 1 питания и обеспечивает безопасной режим коммутации транзисторов 7 и 8 в регуляторе 2 напряжения и транзисторов 15 и 16 в регуляторе 14 ослабления поля.
Блок управления 12 через порт ввода - вывода 13 осуществляет обмен информацией с системой управления локомотивом, которая может представлять собой микропроцессорную систему управления и контроля механизмов и устройств локомотива.
Тяговый электропривод локомотива работает следующим образом.
Напряжение силового источника питания 1 поступает на регулятор 2 напряжения, регулятор 14 ослабления поля и заряжает конденсатор 6. От системы управления локомотивом на порт ввода-вывода 13 блока управления 12 поступают заданное значение тока возбуждения и заданное значение дополнительного тока, определяемые требуемыми параметрами движения локомотива - скоростью и силой тяги.
В режиме полного поля ток якоря и ток возбуждения равны, поэтому заданное значение дополнительного тока равно нулю. Последовательно соединенные транзисторы 7 и 8, а так же 15 и 16 переключаются противофазно друг другу с заданной частотой по принципу ШИМ. Ток транзисторов 7 и 8 протекает по обмотке возбуждения 5 и одновременно по якорной обмотке 4 тягового двигателя 3, а ток транзисторов 15 и 16 протекает только по якорной обмотке 4. Ширина импульсов управления транзисторами 7 и 8 формируется блоком управления 12 в результате действия отрицательной обратной связи по току возбуждения, поступающей на первый вход (Вх.1) с информационного выхода датчика 11 выходного тока. При этом среднее значение тока, протекающего в обмотке возбуждения 5 и в якорной обмотке 4, равно заданному значению тока возбуждения. При выключении транзистора 7 ток возбуждения и ток якоря замыкаются через обратный диод 10. Ширина импульсов управления транзисторами 15 и 16 формируется в результате действия отрицательной обратной связи по дополнительному току, поступающей на второй вход (Вх.2) с информационного выхода дополнительного датчика 19 тока, такой, что среднее значение тока, протекающего в дополнительном датчике 19 тока, равно заданному значению дополнительного тока, т.е. нулю. В итоге в транзисторах 15 и 16 и в дополнительном датчике 19 тока протекает только пульсирующая составляющая тока якоря.
При необходимости ослабления поля тягового двигателя 3 заданное значение тока возбуждения, поступающее от системы управления локомотивом, плавно уменьшают, а заданное значение дополнительного тока увеличивают настолько, чтобы фактические значения тока возбуждения и тока якоря, равного сумме тока возбуждения и дополнительного тока, обеспечивали требуемые параметры движения локомотива. Блоком управления 12 формируют длительности включения транзисторов 7 и 15 в режиме ШИМ так, что ток возбуждения и дополнительный ток, а следовательно, и ток якоря двигателя, соответствуют заданным значениям.
Реализация режима бесступенчатого ослабления поля тягового двигателя постоянного тока достигается путем введения в тяговый электропривод локомотива регулятора ослабления поля и возможности плавно и независимо один от другого изменять ток возбуждения и ток якоря электродвигателя последовательного возбуждения. Уменьшение массы и габаритных размеров тягового электропривода достигается исключением из силовой части контакторов и резисторов ослабления поля.