ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА МОЩНОСТИ ТЯГОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ
ELECTRICAL POWER TRANSMISSION FOR ALTERNATING-CURRENT TRACTION VEHICLE

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.
Известно устройство электрической передачи мощности переменного тока (МПК B60L 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 так же размещением дополнительного синхронного возбудителя.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство электрической передачи мощности переменного тока (МПК B60L 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 невозможность осуществить реверс тягового электродвигателя без реверсирования первичного теплового двигателя или перемены двух фаз питающего напряжения тягового электродвигателя.
Предлагаемая система электрической передачи мощности тягового транспортного средства на переменном токе помимо выполнения требований эксплуатационного характера позволяет реализовать реверс тягового электропривода. К достоинствам предлагаемой энергосистемы также можно отнести повышение живучести и, как следствие, надежности электрической передачи мощности тягового транспортного средства на переменном токе.
Описанные преимущества достигаются тем, что в схему электрической передачи мощности тягового транспортного средства на переменном токе добавлен управляемый выпрямитель напряжения и два автоматических выключателя с новыми связями, позволяющие реализовать различные режимы питания тягового электропривода.
Электрическая передача мощности тягового транспортного средства на переменном токе, принципиальная схема которой представлена на чертеже, состоит из первичного теплового двигателя 1, механически соединенного с валом асинхронного генератора 2 переменного тока с фазным ротором, тягового асинхронного электродвигателя 3 с короткозамкнутым ротором, вал которого соединен с движителем транспортного средства 4. Статорная обмотка тягового асинхронного электродвигателя 3 подключена к первому входу обратимого статического преобразователя частоты 5, второй вход которого соединен с роторной обмоткой асинхронного генератора 2 переменного тока с фазным ротором. Электрическая передача мощности тягового транспортного средства содержит управляемый выпрямитель напряжения 6 и два автоматических выключателя 7, 8, причем статорная обмотка асинхронного генератора 2 переменного тока через первый автоматический выключатель 7 соединена со статорной обмоткой тягового асинхронного электродвигателя 3. Вход выпрямителя напряжения 6 подключен к роторной обмотке асинхронного генератора 2 переменного тока с фазным ротором, а выход выпрямителя напряжения 6 через двухполюсный автоматический выключатель 8 соединен с двумя фазами статорной обмотки асинхронного генератора 2 переменного тока с фазным ротором.
Предлагаемая электрическая передача может работать в двух режимах работы: режиме полного хода и режиме работы с обеспечением частых реверсов (например, швартовном) или режиме хода с небольшой скоростью. Более подробно рассмотрим каждый из режимов.
Режим полного хода характеризуется питанием тягового асинхронного электродвигателя 3 от асинхронного генератора 2 по системе генератор - двигатель. В данном режиме работы автоматический выключатель 7 замкнут, а автоматический выключатель 8 разомкнут. Асинхронный генератор с фазным ротором 2 работает в синхронном режиме и возбуждается со стороны ротора посредством обратимого статического преобразователя частоты 5 переменным напряжением изменяемой частоты. При изменений действующего значения и частоты напряжения, подводимого к ротору, будет происходить изменение действующего значения и частоты напряжения на статорной обмотке асинхронного генератора 2, что приведет к изменению частоты и уровня питающего напряжения статорной обмотки тягового электродвигателя 3 и, как следствие, к регулированию частоты вращения тягового электродвигателя 3 и приводимого им во вращение движителя 4 (например, винта). Обратимый статический преобразователь частоты 5 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
,
c
где ω - частота вращения поля (частота напряжения) обмотки статора,
в
ω - механическая частота вращения ротора,
p - число пар полюсов электрической машины,
p
ω - частота вращения поля (частота напряжения) обмотки ротора.
Исходя из данного соотношения видно, что для регулирования частоты напряжения статора генератора 2 можно изменять частоту вращения ротора асинхронного генератора посредством теплового первичного двигателя 1 или регулировать частоту и направление вращения поля обмотки ротора относительно направления вращения вала 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 1, 2, 5 обратимый статический преобразователь частоты 5 должен содержать, как и в прототипе предлагаемого устройства, химический источник постоянного тока. В режиме полного хода мощность, передаваемая через обратимый статический преобразователь частоты 5, зависит от глубины регулирования частоты напряжения обмотки статора относительно  и характера нагрузки тягового электропривода.
Режим работы с обеспечением частых реверсов (например, швартовый) или режим хода с небольшой скоростью характеризуется питанием тягового асинхронного электродвигателя 3 от роторной обмотки асинхронного генератора 2, через обратимый статический преобразователь частоты 5. При этом асинхронный генератор 2 работает в синхронном режиме и возбуждается со стороны статора посредством выпрямителя напряжения 6 постоянным напряжением. При этом управляемый выпрямитель напряжения 6 получает питание с роторной обмотки асинхронного генератора 2. В данном режиме работы автоматический выключатель 7 разомкнут, а автоматический выключатель 8 замкнут.Асинхронный генератор 2 работает как синхронная машина в генераторном режиме с обмоткой возбуждения (индуктором), расположенной на статоре. Индуктор состоит из двух последовательно соединенных статорных обмоток фаз. Обмотка якоря расположена на роторе и с нее снимается силовое переменное напряжение, частота которого определяется согласно , а уровень напряжения определяется уровнем напряжения обмотки возбуждения. Регулирование частоты вращения и реверс тягового асинхронного электродвигателя 3 осуществляется посредством обратимого статического преобразователя частоты 5. Мощность на валу тягового асинхронного электродвигателя 3 в данном режиме ограничена мощностью обратимого статического преобразователя частоты 5 и мощностью роторной обмотки асинхронного генератора 2. Данный режим работы может быть использован для обеспечения частых реверсов либо для движения транспортного средства с небольшой скоростью.
Преимуществом данной энергетической установки является повышение энергетической эффективности, увеличение живучести, а следовательно, и повышение надежности всей электроэнергетической системы.
Следует отметить, что управляемый выпрямитель напряжения имеет установленную мощность, не превышающую 10% от мощности роторной обмотки асинхронного генератора, а следовательно, коммутационная способность двухполюсного автоматического выключателя также должна быть рассчитана на эту мощность. К достоинствам предлагаемой электроэнергетической системы можно отнести возможность осуществления реверса тягового электродвигателя, а также простоту 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.