ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА ТЕПЛОВОЗА

Заявляемая полезная модель относится к железнодорожному транспорту, а точнее к тепловозам с электрической передачей переменно-постоянного тока.
Широко используются тепловозы с электропередачей, содержащей дизель-генератор, выпрямитель и тяговые электродвигатели [1].
Недостаток этих тепловозов связан с тем, что при наличии автономного источника электроэнергии большой мощности, т.е. дизель-генератора, от него нельзя питать стационарные потребители 3-фазного переменного напряжения. Такая необходимость возникает при отключении централизованного электроснабжения, в том числе при чрезвычайных ситуациях.
Частично этот недостаток устранен наличием передвижных электростанций на базе дизель-генераторов мощностью до 1100 кВт; они смонтированы в 4-осных вагонах, но не являются самоходными и поэтому их используют в основном для электроснабжения объектов, удаленных от Единой энергосистемы, при их строительстве и вводе в эксплуатацию.
Известно техническое решение по выполнению тепловозного генератора на нормальную частоту 50 Гц [2]. Это позволяет подключать стационарную нагрузку непосредственно к генератору, но при таком решении массо-габаритные показатели дизель-генератора существенно ухудшаются. Поэтому при секционной мощности тепловоза 1-3 МВт оптимальным считают диапазон частот вращения 750-1250 об/мин, что соответствует частоте напряжения на выходе генератора 75-125 Гц. Максимальная (номинальная) мощность реализуется при наибольшей частоте, а самая низкая частота соответствует холостому ходу, когда дизель работает без нагрузки. Таким образом, при работе на переменную внешнюю нагрузку в зависимости от ее мощности нужно регулировать частоту вращения дизеля, что противоречит требованию постоянства частоты 3-фазного напряжения для питания внешних нагрузок.
В качестве прототипа целесообразно принять электрическую передачу тепловоза, содержащую дизель с регулятором для стабилизации частоты вращения и синхронный генератор, к статорным обмоткам которого посредством преобразователя электроэнергии подключены тяговые электродвигатели [3].
Недостаток прототипа - это невозможность подключения к передаче внешних нагрузок 3-фазного переменного тока 3×380 В 50 Гц.
Технический результат по данному предложению заключается в исключении указанного недостатка.
Этот технический результат достигается за счет того, что дополнительно предусмотрен источник переменного трехфазного напряжения нормальной частоты для электроснабжения стационарных потребителей, выполненный как непосредственный преобразователь частоты (НПЧ), состоящий из идентичных цепочек, каждая из которых состоит из двух встречно-параллельно соединенных тиристоров и включена между выводом статорной обмотки синхронного генератора и одной из клемм для подключения стационарных потребителей.
Сущность технического решения по заявленной полезной модели иллюстрируется на примере электропередачи, где представлены:
- фиг. 1 - структурная схема заявленной электропередачи;
- фиг. 2 - принципиальная электрическая схема дополнительного источника (НПЧ) и векторные диаграммы напряжения обмоток генератора 1;
- фиг. 3 - принцип формирования напряжения 50 Гц на выходе НПЧ.
Большинство эксплуатируемых и выпускаемых тепловозов имеют электропередачу переменно-постоянного тока, которая содержит (фиг. 1) синхронный генератор 1, приводимый во вращение дизелем 2. Этот дизель-генератор своими входами управления подключен к контроллеру машиниста КМ 3, причем подключение КМ к обмотке возбуждения СГ 1 выполнено посредством регулятора напряжения РН 4.
Генератор 1 на отечественных тепловозах имеет две системы статорных обмоток переменного трехфазного напряжения. К выводам этих обмоток посредством шин 5 и 6 подключен выпрямитель 7, а к его выходам - тяговые электродвигатели 8.
a
b
c
В рассечку шин 5-6 включены переключатели 9 и 10, выполненные по простейшей схеме с бестоковой коммутацией и ручным приводом. При помощи переключателей 9-10 шины 5-6 соединяют с шинами 11-12, к которым подключены преобразователи 13 и 15, выполненные по схеме непосредственного преобразователя частоты НПЧ [5, 6]. Их выходы соединены с разъемами 14 и 16 в клеммной коробке, к которой подключают стационарную нагрузку. В качестве примера устройство НПЧ 13 показано на фиг. 2; он содержит идентичные блоки 17-19 по числу фаз выходной системы , , . Каждый блок содержит по шесть цепочек из встречно-параллельно соединенных тиристоров. Каждая из них включена между одним из выводов A, B, C (A, B', C') статорных обмоток генератора 1 и одной из клемм 14 (16) выходной трехфазной системы. Для включения тиристоров предусмотрен блок управления, не показанный на фиг. 2. Силовые блоки 17-19 на фиг. 2 выполнены по наиболее простой схеме; возможно включение тиристоров по мостовым схемам, соединенным встречно-параллельно. Можно в каждом блоке 17-19 использовать обе трехфазные системы генератора 1. НПЧ 13-15 выполнены одинаково и их выводы образуют два независимых источника с напряжением 3×380 В.
Электрическая передача работает следующим образом. В тяговом режиме переключатели 9-10 установлены в горизонтальное положение и соединяют шины 5-6 со входами выпрямителя 7, который питает ТЭД 8. Управляют движением тепловоза путем регулирования дизель-генератора 1-2 контроллером 3.
1
2
1
В режиме стационарного электроснабжения тепловоз подгоняют возможно ближе к потребителю, закрепляют на стоянке, подключают потребитель к клеммам 14 и 16. Переключатели 9-10 установлены в положение, указанное стрелками на фиг. 1; при этом статорные обмотки генератора 1 подключены ко входам НПЧ 13 и 15. Включают дизель и контроллером 3 устанавливают позицию, соответствующую выходной частоте генератора f, которая наиболее приемлема для f=50 Гц. Фазы этого напряжения f соответствуют векторным диаграммам (фиг. 2, внизу); две трехфазные обмотки этого генератора имеют векторные диаграммы A, B, C и A', B', C', взаимно сдвинуты на 30°.
2
1
2
a
b
c
Принцип формирования выходного напряжения с частотой 50 Гц при помощи блоков 17-19 на фиг. 2 показан на фиг. 3. Он заключается в том, что для каждой выходной фазы a, b, c, формируют положительную или отрицательную полуволну напряжения с частотой 50 Гц путем подключения к соответствующему проводу 14a, 14b, или 14c входной шины 11 соответственно с положительным или отрицательным напряжением. Указанное соответствие легко установить по обозначениям на фиг. 3. Частота f=50 Гц обеспечивается при f=117,8 Гц, что должно быть обеспечено выбором частоты вращения дизеля n контроллером 3. Напряжение 380 В на шинах 14 и 16 стабилизируют регулятором 4. Сдвиг фаз , , , т.е. T/3, обеспечивается с погрешностью до 9%, что вполне допустимо для режима аварийной ситуации.
Эффективность данного предложения определяется тем, что в соответствии с ним могут быть дооборудованы источниками внешнего энергоснабжения маневровые тепловозы мощностью 800-1000 кВт, например, эксплуатируемые типов ТЭМ 2 и ТЭМ 18. При этом получаем источники электроснабжения как для режима чрезвычайной ситуации, так и для восполнения недостающей мощности у отдельных стационарных потребителей.
Источники информации
1. Кузьмич В.Д. Локомотивы. Основные этапы развития. М.: Транспорт, 1988
2. Тепловозы. Каталог фирмы ОЕС (США), 1985
3. Тепловозы ТЭМ1 и ТЭМ2. Под ред. Долгова В.А. М.: Транспорт, 1971
4. Тепловоз ТЭМ18. Техническая документация БМЗ (раздел электрооборудование).1999
5. Фираго Б.И. Циклоконверторы. Минск, 1981
6. Иньков Ю.М., Ротанов Н.А., Феоктистов В.П., Чаусов О.Г. Преобразовательные устройства подвижного состава. М., Транспорт, 1982