ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА
DIRECT CURRENT DRIVE

Изобретение относится к электротехнике, к электроприводам постоянного тока с импульсным регулированием скорости при питании от аккумуляторной батареи и может найти применение на транспортных средствах с автономным питанием, таких как электромобили, электрокары, электропогрузчики, шахтные аккумуляторные электровозы.
Известен электропривод, содержащий электродвигатель постоянного тока, получающий питание от обратимого источника постоянного тока через импульсный преобразователь, выполненный на двух последовательно соединенных управляемых полупроводниковых ключах, шунтированных обратными диодами (см., например, П. Сен. Тиристорные электроприводы постоянного тока: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1985. С. 160, рис. 5.8). Электропривод, принятый за прототип, обеспечивает возможность импульсного регулирования скорости в двигательном режиме и в режиме рекуперативного торможения при отрицательных нагрузках на валу двигателя, а также при подтормаживаниях с целью снижения скорости и остановочных торможениях.
Недостатком известного электропривода при питании от аккумуляторной батареи является неэффективное использование энергии рекуперации из-за низкого энергетического КПД батареи.
Известны предложения по применению на транспортных средствах с электроприводом постоянного тока конденсаторных накопителей энергии рекуперации с ее последующим использованием в тяговом режиме (см., например, патент RU 2405686, МПК B60L 11/00, заявл. 03.07.2009, опубл. 10.12.2010, Бюл. №34; патент RU 2486074, МПК B60L 11/18, заявл. 10.05.2012, опубл. 27.06.2013, Бюл. №18). Для достижения этой цели в состав электропривода введены: реверсивный преобразователь повышающе-понижающего типа, датчики напряжений и токов, а также специальная система управления.
Недостатками указанного решения являются: сложность, пониженная надежность, в том числе и из-за необходимости последовательного соединения конденсаторных модулей для получения необходимого уровня напряжения на накопителе, неполное использование емкости накопителя.
Техническим эффектом предложения является повышение энергетической эффективности известного электропривода, принятого за прототип. Для достижения этого эффекта электродвигатель подсоединен между общей точкой управляемых полупроводниковых ключей преобразователя и одним из выводов источника питания через конденсаторный накопитель, зашунтированный диодом, пропускающим ток в двигательном режиме работы электропривода.
Суть предложения поясняется чертежами, где на фиг. 1 и 2 приведены принципиальные схемы одно- и двухдвигательного электроприводов, а на фиг. 3а и 3б представлены примеры реализации электропривода с двигателем независимого и последовательного возбуждения.
Электропривод, изображенный на фиг. 1, содержит электродвигатель постоянного тока 1, получающий питание от аккумуляторной батареи 2, и импульсный преобразователь на двух последовательно соединенных управляемых полупроводниковых ключах 3 и 4, шунтированных обратными диодами 5, 6. Двигатель подсоединен между общей точкой ключей 3, 4 и одним из выводов источника питания 2 через конденсаторный накопитель 7, зашунтированный диодом 8, пропускающим ток в двигательном режиме работы привода.
Электропривод на фиг. 2, содержит два преобразователя, аналогичных преобразователю, изображенному на фиг. 1, и два электродвигателя 1.1, 1.2, подсоединенных между одним из выводов источника питания и общими точками ключей 3.1, 4.1 и 3.2, 4.2 через общий конденсаторный накопитель 8, зашунтированный диодом 7.
Электроприводы, изображенные на фиг. 1 и фиг. 2, сохраняют работоспособность при одновременном изменении полярности источника питания, конденсаторного накопителя и всех полупроводниковых приборов.
На фиг. 3а и 3b показаны примеры подключения якоря 9 и обмотки возбуждения 10 электродвигателя, соответственно, при независимом и последовательном возбуждении. В последнем случае якорь 9 двигателя включен в диагональ реверсивного переключателя на элементах 11-14, а обмотка возбуждения 10 - в диагональ выпрямительного моста на диодах 15-18.
Электропривод, изображенный на фиг. 1, работает следующим образом.
В двигательном режиме периодическим замыканием и размыканием ключа 4, с регулируемым соотношением продолжительностей замкнутого и разомкнутого состояний, изменяют среднюю величину напряжения питания электродвигателя, а следовательно, и частоту вращения. При замкнутом состоянии ключа ток, нарастая, протекает по цепи: «+» источника питания, диод 8, электродвигатель 1, ключ 4, «-» источника питания. При размыкании ключа 4 под действием ЭДС самоиндукции ток двигателя, спадая, замыкается через диод 5.
В режиме рекуперативного торможения периодически замыкается и размыкается ключ 5. При замкнутом ключе под действием ЭДС вращения якоря ток, нарастая, замыкается через конденсаторный накопитель 7, заряжая его в полярности, указанной на фиг. 1. При размыкании ключа 5 под действием ЭДС вращения и ЭДС самоиндукции якоря ток, спадая, продолжает протекать по цепи: конденсаторный накопитель, источник питания 2, диод 6 с аккумулированием энергии в конденсаторном накопителе и источнике питания.
При постоянно замкнутом ключе 4 и отрицательном моменте сопротивления на валу электродвигателя, когда ЭДС вращения начинает превышать суммарное напряжение источника питания и конденсаторного накопителя, электропривод автоматически переходит в режим рекуперативного торможения с аккумулированием энергии в конденсаторном накопителе и источнике питания.
При возврате из режима рекуперативного торможения в двигательный режим, пока диод 8 заперт напряжением на конденсаторном накопителе 7, энергия к электродвигателю поступает от источника питания 2 и накопителя. Таким образом, емкость конденсаторного накопителя используется полностью.
Реверсирование в электроприводе с двигателем независимого возбуждения (фиг. 3а) осуществляется изменением полярности напряжения, питающего обмотку возбуждения 10. Возможно также дополнительное регулирование частоты вращения электродвигателя ослаблением поля при полном напряжении питания якорной цепи.
Реверсирование в электроприводе с двигателем последовательного возбуждения (фиг. 3b) осуществляется посредством ключевых элементов 11-14 реверсивного переключателя (замыканием ключей 11, 14 или 12, 13).
В данном варианте электропривода в интервалы снижения тока якоря ток в обмотке возбуждения 10 поддерживается за счет ЭДС самоиндукции с замыканием цепи через диоды 15-18 выпрямительного моста.
Режимы работы двухдвигательного варианта электропривода, изображенного на фиг. 2, аналогичны описанным выше.
Применение в предложенном электроприводе конденсаторного накопителя, имеющего более высокий КПД по сравнению с аккумуляторной батареей, повышает энергетические показатели привода в результате более эффективного использования энергии рекуперации.
Предложенное техническое решение по сравнению с известными устройствами, использующими конденсаторные накопители энергии в электроприводе, характеризуется полным использованием емкости накопителя, а также повышенной надежностью благодаря простоте реализации и применению низковольтного накопителя.