Электрическая передача тепловоза
ELECTRICAL TRANSMISSION OF LOCOMOTIVE

Изобретение относится к электрической передаче тепловозов железнодорожного транспорта.
Известна электрическая передача постоянного тока тепловоза, содержащая тяговый генератор с независимой обмоткой возбуждения, параллельно которому подключены тяговые двигатели, контроллер, возбудитель, контакторы ослабления возбуждения, подключающие элементы защиты дизель-генераторной установки, регулируемое сопротивление гашения поля тягового генератора, контакторы ослабления возбуждения, подключающие параллельно обмоткам тяговых двигателей сопротивления, диод, включенный между минусом якоря возбудителя и свободной частью сопротивления гашения поля тягового генератора (RU, патент №2306233, МПК B60L 11/00, опубл. 20.09.2007 г.).
Недостатком известной электрической передачи постоянного тока тепловоза является низкая надежность генератора постоянного тока.
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).
Недостатком известной электрической передачи тепловоза является отсутствие поосного регулирования силы тяги и торможения, невозможность обеспечения равномерности распределения токов по тяговым двигателям.
Известна электрическая передача тепловоза, принятая за прототип, 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 известной электрической передачи тепловоза являются большие массогабаритные размеры, невозможность осуществления работы электродинамического тормоза до остановки тепловоза.
Техническим результатом изобретения являются снижение массогабаритных размеров и работа электродинамического тормоза до остановки тепловоза.
Указанный технический результат достигается тем, что в электрическую передачу тепловоза, содержащую 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 двенадцатипульсного выпрямителя, тормозные резисторы, поездной контактор, шесть моторных блоков, каждый из которых содержит тяговый двигатель с встроенными датчиками вращения и с последовательным возбуждением, при котором якорная обмотка тягового двигателя включена последовательно с обмоткой возбуждения через попарно включенные контакты и попарно выключенные контакты реверсора, параллельно которой через контакт контактора ослабления поля подключается резистор ослабления поля, систему управления, первый, второй и третий выходы которой осуществляют включение/ выключение соответственно поездного контактора, реверсора и контактора ослабления поля, четвертый выход управляет управляемым выпрямителем, а шесть первых входов соответственно подключены к информационным выходам датчиков частоты вращения тяговых двигателей, дополнительно введены шесть идентичных преобразователей напряжения, первые входы которых подключены к плюсу двенадцатипульсного выпрямителя, а вторые входы к минусу двенадцатипульсного выпрямителя, первые выходы каждого преобразователя напряжения через контакты поездного контактора подключены к первым входам соответствующих моторных блоков, а вторые выходы подключены ко вторым входам моторных блоков, при этом каждый преобразователь напряжения содержит параллельно соединенные между собой датчик напряжения, тормозной ключ, конденсатор, транзисторный полумост, состоящий из двух последовательно соединенных транзисторов, шунтированных обратными диодами и к точке соединения которых подключен вход датчика 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 датчика напряжения и датчика тока соответственно подключены к седьмому и восьмому входам системы управления, пятый и шестой выходы которой управляют соответственно тормозным ключом и транзисторным полумостом, а информационные выходы датчиков напряжения и тока и входы управления тормозными ключами и транзисторными полумостами остальных пяти преобразователей напряжения соответственно подключены к входам с девятого по восемнадцатый и к выходам с седьмого по шестнадцатый системы управления.
На фиг. 1 и 2 представлена структурная схема электрической передачи тепловоза.
Электрическая передача тепловоза содержит тепловой двигатель 1, вращающий синхронный генератор 2 и возбудитель 3 с последовательным возбуждением, выходное напряжение которого через управляемый выпрямитель 4 питает обмотку возбуждения 5 синхронного генератора 2, две статорные трехфазные обмотки 6, 7 которого подключены к входам двенадцатипульсного выпрямителя 8, тормозные резисторы 9.1…9.6, поездной контактор 10 с контактами 10.1…10.6, шесть моторных блоков 11.1…11.6, которые содержат тяговые двигатели 12.1…12.6 (см. фиг. 2) с встроенными датчиками 13.1…13.6 частоты вращения и с последовательным возбуждением, при котором якорные обмотки 14.1…14.6 тяговых двигателей 12.1…12.6 включены последовательно с обмотками возбуждения 15.1…15.6 через попарно включенные контакты 16.1, 16.4…16.21, 16.24 и попарно выключенные контакты 16.2, 16.3…16.22, 16.23 реверсора 16, параллельно которым через контакты 17.1…17.6 контактора 17 ослабления поля подключаются резисторы 18.1…18.6 ослабления поля, систему управления 19 (см. фиг. 1), первый, второй и третий выходы которой осуществляют включение/выключение соответственно поездного контактора 10, реверсора 16 и контактора 17 ослабления поля, четвертый выход управляет управляемым выпрямителем 4, а шесть первых входов соответственно подключены к информационным выходам датчиков 13.1…13.6 частоты вращения тяговых двигателей 12.1…12.6, дополнительно содержит шесть идентичных преобразователей напряжения 20.1…20.6, первые входы (1) которых подключены к плюсу двенадцатипульсного выпрямителя 8, а вторые (2) входы к минусу двенадцатипульсного выпрямителя 8, первые (3) выходы каждого преобразователя напряжения 20.1…20.6 через контакты 10.1…10.6 поездного контактора 10 подключены к первым (1) входам соответствующих моторных блоков 11.1…11.6, а вторые выходы (4) подключены ко вторым (2) входам моторных блоков 11.1… 11.6, при этом каждый преобразователь напряжения 20.1…20.6 содержит (см. фиг. 2) соответственно параллельно соединенные между собой датчики напряжения 21.1…21.6, тормозные ключи 22.1…22.6, конденсаторы 23.1…23.6, транзисторные полумосты 24.1…24.6, состоящие из двух последовательно соединенных транзисторов 25.1, 26.1…25.6, 26.6, шунтированных обратными диодами 27.1, 28.1…27.6, 28.6 и к точкам соединения которых подключены входы датчиков тока 29.1…29.6, выходы которых соответственно соединены с контактами 10.1…10.6 поездного контактора 10, а тормозные ключи 22.1…22.6 состоят из транзисторов 30.1…30.6, шунтированных обратными диодами 31.1…31.6 и последовательно соединенными с диодами 32.1…32.6, параллельно которым включены тормозные резисторы 9.1…9.6, при этом информационные выходы датчика напряжения 21.1 и датчика тока 29.1 соответственно подключены к седьмому и восьмому входам системы управления 19 (см. фиг. 1), пятый и шестой выходы которой управляют соответственно тормозным ключом 22.1 и транзисторным полумостом 24.1, а информационные выходы датчиков напряжения 21.2…21.6 и тока 29.2…29.6 и входы управления тормозными ключами 22.2…22.6 и транзисторными полумостами 24.2…24.6 остальных пяти преобразователей напряжения 20.2…20.6 соответственно подключены к входам с девятого по восемнадцатый и к выходам с седьмого по шестнадцатый системы управления 19.
Транзисторы 25.1…25.6, 26.1…26.6 (см. фиг. 2) транзисторных полумостов 24.1…24.6 и транзисторы 30.1…30.6 тормозных ключей 22.1…22.6 представляют собой IGBT-транзисторы. Обратные диоды 27.1…27.6, 28.1…28.6, 31.1…31.6, 32.1…32.6 осуществляют защиту IGBT-транзисторов от обратных напряжений при их работе в ключевом режиме и совместно с конденсаторами 23.1…23.6 обеспечивают обмен реактивной энергией между тяговыми двигателями 12.1…12.6 и звеном постоянного тока (выход двенадцатипульсного выпрямителя 8). Двенадцатипульсный выпрямитель 8 представляет собой неуправляемый выпрямитель, выполненный на силовых низкочастотных диодах. Конденсаторы 23.1…23.6 уменьшают пульсации выходного напряжения двенадцатипульсного выпрямителя 8, а также компенсируют паразитные индуктивности ошиновки для исключения перенапряжений на транзисторах 25.1…25.6, 26.1…26.6, 30.1…30.6.
Электрическая передача тепловоза реализует способ поосного регулирования силы тяги и торможения, при котором управление тяговыми двигателями 12.1…12.6 моторных блоков 11.1…11.6 осуществляется идентичными преобразователями напряжения 20.1…20.6 независимо друг от друга, что позволяет описывать работу электрической передачи тепловоза с использованием первого преобразователя напряжения 20.1 и первого моторного блока 11.1 (см. фиг. 2).
Электрическая передача тепловоза работает следующим образом.
Тепловой двигатель 1 приводит во вращение синхронный генератор 2 и возбудитель 3 с последовательным вожбуждением, выходное переменное напряжение которого преобразуют в постоянное управляемым выпрямителем 4 и питают обмотку возбуждения 5 синхронного генератора 2. Величину выходного напряжения регулируют сигналами управления с выхода 4 системы управления 19. В зависимости от частоты вращения теплового двигателя 1 и от тока в обмотке возбуждения 5, синхронный генератор 2 вырабатывает в статорных обмотках 6, 7 напряжение, изменяемое по частоте и амплитуде. Напряжение с синхронного генератора 2 выпрямляют двенадцатипульсным выпрямителем 8 и подают на входы преобразователей напряжения 20.1…20.6 (далее рассматриваем работу электрической передачи на примере преобразователя напряжения 20.1 и моторного блока 11.1). В режиме тяги включают поездной контактор 10, контактом 10.1 которого подключают выход преобразователя напряжения 20.1 к моторному блоку 11.1. В зависимости от направления движения тепловоза переключают реверсор 16, при этом замкнуты контакты 16.1 и 16.4 и разомкнуты контакты 16.2 и 16.3 или разомкнуты контакты 16.1 и 16.4 и замкнуты контакты 16.2 и 16.3. Система управления 19 включает транзистор 25.1 транзисторного полумоста 24.1 и напряжение двенадцатипульсного выпрямителя 8 через датчик тока 29.1 прикладывается к тяговому двигателю 12.1 с последовательным возбуждением и он начинает вращаться. По сигналам с датчиков напряжения 21.1, тока 29.1 и датчика частоты вращения 13.1 система управления 19 реализует оптимальный режим управления тяговым двигателем 12.1 для конкретной частоты вращения теплового двигателя 1. При боксовании, когда резко возрастает частота вращения тягового двигателя 12.1, система управления 19 обеспечивает переключение транзистора 25.1 в режим широтно-импульсной модуляции (ШИМ), что позволяет снизить напряжение, подводимое к тяговому двигателю 12.1 и выйти из режима боксования. При необходимости увеличения скорости тепловоза система управления 19 включает контактор 17 ослабления поля, через контакт 17.1 которого резистор 18.1 ослабления поля подключают параллельно обмотки возбуждения 15.1. Ток через якорную обмотку 14.1 возрастает, а через обмотку возбуждения 15.1 снижается, что ведет к увеличению частоты вращения тягового двигателя 12.1.
В режиме электродинамического тормоза система управления 19 выключает транзистор 25.1, а реверсор 16 переводит в противоположное состояние. При этом тяговый двигатель 12.1 переходит в генераторный режим и тормозной ток по цепи: контакт 10.1, датчик тока 29.1, обратный диод 27.1, обмотка возбуждения 15.1 и контакты 16.1, 16.4 реверсора 16 начинает дополнительно заряжать конденсатор 23.1. Как только напряжение на конденсаторе 23.1 превысит напряжение синхронного генератора 2, двенадцатипульсный выпрямитель 8 выключится и системой управления 19 по сигналу с датчика напряжения 21.1 включают транзистор 30.1 тормозного ключа 22.1, который замыкает тормозной ток на тормозной резистор 9.1. По мере снижения скорости тепловоза эдс двигателя 12.1 снижается и для поддержания тормозного тока на высоком уровне система управления 19 по сигналу с датчика тока 29.1 включает в режиме ШИМ транзистор 26.1 транзисторного полумоста 24.1, при котором осуществляется с высокой частотой включение/выключение транзистора 26.1. При включении транзистора 26.1 сопротивление току якорной обмотки 14.1 тягового двигателя 12.1 практически отсутствует и ток якоря растет. При выключении транзистора 26.1 якорную обмотку 14.1 тягового двигателя 12.1 нагружают на тормозной резистор 9.1 и ток якоря спадает. Изменением скважности ШИМ сигнала системой управления 19 поддерживают постоянным тормозной ток за счет плавного изменения эквивалентного сопротивления тормозного резистора 9.1, что позволяет осуществлять процесс торможения до полной остановки тепловоза.
Заявленный технический результат достигается заменой шестиканального управляемого выпрямителя, каждый канал которого содержит шесть тиристоров и один обратный диод, на шесть преобразователей напряжения 20.1…20.6, содержащих по три IGBT-транзистора 25.1, 26.1, 30.1 со встроенными обратными диодами 27.1, 28.1, 31.1, исключением тормозного контактора и возможностью использования электромагнитного тормоза до остановки тепловоза.