ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА МОЩНОСТИ ТЯГОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ
ELECTRIC TRANSMISSION OF AC TRACTION VEHICLE POWER

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.
Известна конструкция гребной электрической установки, построенной по системе генератор-двигатель на базе машин постоянного тока (Михайлов В.А. Электродвижение судов и электропривод судовых механизмов / В.А.Михайлов, С.Б. Рукавишников, И.Р. Фрейдзон. - Л.: Судостроение, 1969. - С.126-130), содержащая одновальную гребную установку с генератором постоянного тока и гребным электрическим двигателем постоянного тока, якорные обмотки которых соединены между собой последовательно.
Недостатком известной электрической передачи является наличие сложного устройства коллекторно-щеточного аппарата электрических машин постоянного тока, ограничивающего широкое использование системы генератор-двигатель на постоянном токе.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство электрической передачи мощности переменного тока (патент RU 2225301 С2, МПК В60L 11/08, заявка: 2002108683/11, 08.04.2002, Луков Н.М.; Космодамианский А.С., Николаев Е.В. Электрическая передача мощности переменного тока тягового транспортного средства), содержащее первичный тепловой 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 на переменном токе. Недостатком известного устройства является сложная система возбуждения асинхронного генератора переменного тока и использование непосредственного преобразователя частоты, имеющего большое число силовых модулей. При создании такой системы возникают проблемы конструктивного характера, вызванные необходимостью использования первичного двигателя с двумя выходными валами, а также размещением дополнительного синхронного возбудителя, создания сложной системы управления, содержащей регуляторы частоты, напряжения, содержащей свои датчики и контроллер управления.
Предлагаемая система электрической передачи мощности тягового транспортного средства на переменном токе помимо выполнения требований эксплуатационного характера позволяет упростить конструкцию передачи на переменном токе, повысить энергетическую эффективность и улучшить массогабаритные характеристики, а также обеспечить надежность устройства.
Описанные преимущества достигаются тем, что возбуждение асинхронного генератора осуществляется с использованием обратимого двухзвенного статического преобразователя частоты, подключенного одним входом к статорной обмотке асинхронного генератора, другим входом к роторной обмотке того же асинхронного генератора. Изменяя параметры напряжения на одном из входов обратимого преобразователя частоты, подключенного к роторной обмотке асинхронного генератора, можно осуществлять регулирование параметров выходного напряжения статора синхронного генератора силового канала системы генератор-двигатель на переменном токе.
Электрическая передача мощности тягового транспортного средства на переменном токе, конструкция которой представлена на фиг.1, состоит из первичного теплового двигателя 1, механически соединенного с валом асинхронного генератора переменного тока с фазным ротором 2. Статорная обмотка асинхронного генератора переменного тока подключена непосредственно к статорной обмотке тягового асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором 3, вал которого соединен с валом гребного винта 4 (движителем транспортного средства). Роторная обмотка асинхронного генератора переменного тока подключена к одному из входов 5 обратимого статического преобразователя частоты 6. Другой вход 7 обратимого статического преобразователя частоты подключен непосредственно к статорным обмоткам асинхронного генератора 2 и тягового асинхронного электродвигателя 3.
Обратимый преобразователь частоты 6, электрическая схема которого представлена на фиг.2, содержит два входа 5 и 7, подключенных по цепи переменного напряжения к двум инверторам напряжения 8 и 9. Инверторы напряжения 8 и 9 соединены между собой по цепи постоянного напряжения встречно, образуя звено постоянного тока 10, в цепь которого включены накопительный конденсатор 11 и источник постоянного тока 12. Положительный вывод источника постоянного тока 12 подключен к положительной шине звена постоянного тока 13, имеющей внешний вывод 14. Отрицательный вывод источника постоянного тока 12 подключен к коллектору зарядного транзистора 15 и катоду антипараллельного диода 16. Эмиттер транзистора 15 подключен к аноду антипараллельного диода 16 и отрицательной шине 17 звена постоянного тока преобразователя частоты, также имеющей внешний вывод 18.
Предлагаемая электрическая передача работает следующим образом. Асинхронный генератор 2 представляет собой классическую асинхронную машину с фазным ротором, работающую в синхронном режиме. Особенностью такой энергетической установки на переменном токе является возбуждение генератора 2 со стороны ротора. При возбуждении роторной обмотки переменным током изменяемой частоты при постоянной (либо переменной, либо изменяющейся) частоте вращения первичного теплового двигателя 1 будет происходить изменение частоты напряжения на статорной обмотке асинхронного генератора 2. Изменение частоты и уровня напряжения на статорной обмотке асинхронного генератора 2 будет приводить к изменению частоты и уровня напряжения статорной обмотки. Как следствие, будет осуществляться регулирование частоты вращения тягового гребного электродвигателя 3 и приводимого им во вращение винта 4. Связь частот вращения магнитных полей, создаваемых обмотками ротора и статора, и частоты вращения ротора асинхронного генератора 2 может быть записана согласно
<mrow><msub><mi>ω</mi><mi>c</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>в</mi></msub></mrow><mi>p</mi></mfrac><mo>±</mo><msub><mi>ω</mi><mi>p</mi></msub></mrow>
,
с
в
р
где ω - частота вращения поля (частота напряжения) обмотки статора, ω - механическая частота вращения ротора, р - число пар полюсов электрической машины, 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. Регулирование выходной частоты напряжения асинхронного генератора 2 осуществляется регулированием частоты напряжения обмотки ротора в зависимости от текущей частоты вращения первичного теплового двигателя 1.
Таким образом, обмотка статора асинхронного генератора 2 является для него выходной и работает в генераторном режиме. Обмотка ротора асинхронного генератора 2 является для него входной и может работать как в генераторном режиме, так и в режиме потребителя в зависимости от направления вращения поля (порядка следования фаз питающего напряжения) обмотки ротора. Однако для перехода обмотки ротора в режим потребителя требуется дополнительный внешний источник электрической энергии, который может быть подключен к шинам постоянного тока 14, 18 обратимого преобразователя частоты 6.
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mi>p</mi></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mi>p</mi></mfrac></mrow>
Соотношение частот вращения и энергетические характеристики асинхронного генератора 2 при его работе в синхронном режиме работы при прямом и обратном порядке следования фаз питающего напряжения обмотки ротора (при работе обмотки ротора в режимах генератора и потребителя) относительно направления вращения вала генератора 2 представлены на фиг.3. Энергетические зависимости представлены без учета потерь в элементах системы. Согласно приведенным зависимостям видно, что при обратном порядке следования фаз питающего напряжения обмотки ротора относительно направления вращения вала генератора 2 будет происходить регулирование частоты напряжения статора вниз от максимально возможной, определяемой как
, а при прямом порядке следования фаз будет происходить регулирование частоты напряжения статора вверх от
.
Для пуска всей энергетической установки и первоначального возбуждения генераторной системы 1, 2, 6 электрический преобразователь 6 содержит в своем составе химический источник постоянного тока 12 при отсутствии посторонних источников электроэнергии либо имеет внешние выводы 14, 18 звена постоянного тока обратимого двухзвенного электрического преобразователя 6 при наличии посторонних источников электрической энергии. Для осуществления подзарядки химического источника постоянного тока 12 предусмотрена зарядная цепочка, состоящая из транзистора 15, работающего в ключевом режиме, ограничивающем ток заряда при работе энергетической установки в штатном режиме.
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mi>p</mi></mfrac></mrow>
Мощность, пропускаемая через обратимый электрический преобразователь 6, зависит от глубины регулирования частоты напряжения обмотки статора относительно
и характера нагрузки генераторного агрегата системы 1, 2, 6. В данном случае для гребной электрической установки и для гребного асинхронного электродвигателя 3 справедливо соотношение между мощностью на валу винта 4 и его частотой вращения
3
Р=k·ω,
где k - коэффициент пропорциональности.
Частота вращения вала гребного винта 4 практически определяется частотой питающего напряжения гребного асинхронного электродвигателя 3. Тогда согласно приведенным зависимостям можно определить зависимость мощности, пропускаемой через обратимый электрический преобразователь 6 в функции, от частоты напряжения статорной обмотки
<mrow><msub><mi>P</mi><mi>p</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>ω</mi><mi>c</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>в</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>ω</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
график которой приведен на фиг.4.
Преимуществом данной энергетической установки для приведения в движение вала гребного винта является повышение энергетической эффективности и улучшение массогабаритных характеристик, повышение надежности всей системы, незначительная мощность не более 15%, коммутируемая через обратимый электрический преобразователь, а также простота организации системы возбуждения.
Таким образом, предлагаемая электрическая передача мощности позволяет существенно упростить конструкцию, улучшить массогабаритные характеристики, повысить эффективность и надежность работы электрической передачи мощности транспортного средства.