ПРИВОД ЭЛЕКТРОВОЗА С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ И СМЕШАННЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
ELECTRIC LOCOMOTIVE DRIVE WITH SERIAL AND MIXED EXCITATION OF TRACTION MOTORS

Изобретение относится к электрооборудованию электроподвижного состава с коллекторными тяговыми двигателями.
Известен привод электровоза с последовательным и смешанным возбуждением тяговых электродвигателей (Патент РФ на изобретение 2306232), содержащий тяговые электродвигатели постоянного тока, обмотки якорей и обмотки возбуждения которых соединены между собой и статическим возбудителем в последовательную электрическую цепь, токоограничивающий резистор, шунтированный быстродействующим контактором и подключенный одним выводом к одному контакту тормозного переключателя и первому выводу токоограничивающего реактора, второй вывод реактора соединен с общей точкой схемы и другим контактом тормозного переключателя и снабжен тиристором, при этом возбудитель шунтирован тиристором, анод которого и выход возбудителя подключены к нормально закрытому контакту тормозного переключателя, а катод - к точке соединения входа возбудителя и обмотки возбуждения, диод, шунтированный нормально открытым контактом, присоединен анодом ко второму выводу токоограничивающего резистора, а катодом - к точке соединения обмоток якорей с обмотками возбуждения.
Привод обладает ограниченными возможностями ликвидации нестационарных режимов, в частности не обеспечивает эффективное подавление процесса боксования колесных пар. Также привод не обеспечивает необходимых регулировочных свойств электровоза в режиме ослабления поля и электрическом торможении.
Кроме того, при выходе возбудителя из строя, например, вследствие пробоя изоляции, привод электровоза не обеспечивает отключение поврежденного возбудителя от якорной цепи. В этом случае работа привода электровоза при последовательном возбуждении электродвигателей является потенциально опасной.
Наиболее близким по технической сущности является привод электровоза с последовательным и смешанным возбуждением тяговых электродвигателей (Патент РФ на изобретение 2341386), содержащий тяговые электродвигатели постоянного тока, обмотки якорей и обмотки возбуждения которых соединены между собой и статическим возбудителем с «нулевым» диодом в последовательную электрическую цепь, токоограничивающий резистор, шунтированный быстродействующим контактором и подключенный одним выводом к общей точке цепи между минусовым выходом обмоток якорей и плюсовым входом обмоток возбуждения, а другим - к катоду диода подпитки и первому выводу контактора цепи ослабления поля тяговых двигателей, второй вывод контактора ослабления поля тягового двигателя через резистор ослабления поля соединен с общей точкой соединения контакта тормозного переключателя и индуктивным шунтом, при этом возбудитель шунтирован тиристором, анод которого и выход возбудителя подключены к подвижному контакту тормозного переключателя, а катод - к точке соединения входа возбудителя и выхода обмотки возбуждения, диод, шунтированный нормально открытым контактом ослабления поля, присоединен катодом к точке соединения выхода токоограничивающего резистора и защитного контакта, а анодом - к точке соединения выхода возбудителя и резистора ослабления поля.
Привод обладает следующими недостатками:
- наличие в цепи подпитки обмоток возбуждения индуктивного шунта значительной индуктивности обуславливает инерционность нарастания тока в цепи обмоток возбуждения при боксовании колесных пар электровоза в режиме смешанного возбуждения двигателей, что снижает противобоксовочные свойства электровоза;
- наличие индуктивного шунта в цепи подпитки обмотки возбуждения в режиме тяги ухудшает кпд привода и вносит ограничения в допустимый ток двигателей по условиям нагрева индуктивного шунта. Для исключения последнего требуется повышение мощности индуктивного шунта, что увеличивает его массогабаритные показатели и стоимость;
- не предусмотрена возможность ослабления поля тяговых двигателей с обеспечением надежной защиты при переходных процессах;
- переход в генераторный режим при снижении напряжения в контактной сети может вызвать тормозной эффект с негативным воздействием на движение поезда.
Задачей изобретения является обеспечение устойчивости электрических процессов тягового привода с последовательным и смешанным возбуждением (повышение противобоксовочных свойств), эффективной защиты от аварийных режимов и повышение кпд, а также возможность реализации режима ослабления поля тяговых электродвигателей.
Поставленная задача достигается тем, что привод электровоза с последовательным и смешанным возбуждением тяговых электродвигателей, содержащий тяговые электродвигатели постоянного тока, обмотки якорей и обмотки возбуждения которых соединены между собой и статическим возбудителем с «нулевым» диодом в последовательную электрическую цепь, токоограничивающий резистор, шунтированный быстродействующим контактором и подключенный одним выводом к общей точке цепи между минусовым выходом обмоток якорей и плюсовым входом обмоток возбуждения, а другим - к катоду диода подпитки и первому выводу контактора цепи ослабления поля тяговых двигателей, второй вывод контактора ослабления поля тягового двигателя через резистор ослабления поля соединен с общей точкой соединения контакта тормозного переключателя и индуктивным шунтом при этом возбудитель шунтирован тиристором, анод которого и выход возбудителя подключены к подвижному контакту тормозного переключателя, а катод - к точке соединения входа возбудителя и выхода обмотки возбуждения, диод, шунтированный нормально открытым контактом ослабления поля, присоединен катодом к точке соединения выхода токоограничивающего резистора и защитного контакта, а анодом - к точке соединения выхода возбудителя и резистора ослабления поля.
Новым в приводе электровоза является то, что индуктивный шунт подключен между общей точкой соединения контакта тормозного переключателя и резистора ослабления поля с одной стороны, а с другой стороны подключен к земле, параллельно последовательно соединенному тормозному переключателю с индуктивным шунтом подключен диод, анодом подключенный к точке соединения анода диода подпитки и подвижного контакта тормозного переключателя, а катодом упомянутый диод подключен к земле.
Технический результат - обеспечение устойчивости электрических процессов тягового привода с последовательным и смешанным возбуждением (повышение противобоксовочных свойств), эффективной защиты от аварийных режимов и повышение кпд, а также возможность реализации режима ослабления поля тяговых электродвигателей.
На фигуре 1 показана схема привода электровоза постоянного тока с последовательным и смешанным возбуждением коллекторных тяговых двигателей.
Привод электровоза содержит обмотки 1 и 2 последовательно соединенных якорей тяговых двигателей, последовательно с которыми соединены обмотки возбуждения 3 и 4 этих же тяговых двигателей. К выходу последовательно соединенных обмоток возбуждения 3 и 4 подключен возбудитель 5, выход которого через диод 6 подключен к земле 7. Диод 6 анодом подключен к выходу возбудителя 5, а катодом к земле 7. При этом диод 6 шунтирует последовательно соединенные нормально замкнутый контакт тормозного переключателя 8 и индуктивный шунт 9.
К общей точке соединения обмоток якорей 1, 2 с обмотками возбуждения 3, 4 тяговых двигателей подключен нормально закрытый подвижный контакт 10 быстродействующего выключателя, зашунтированный резистором 11. Между общей точкой соединения выхода неподвижного контакта 10 и выхода резистора 11 подключен диод 12, катод которого подключен к общей точке соединения неподвижного контакта 10 и резистора 11, а анод подключен к общей точке соединения выхода возбудителя 5, анода диода 6 и неподвижного контакта тормозного переключателя 8. Между общей точкой соединения контакта 10 и катода диода 12 подключен подвижный нормально разомкнутый контакт ослабления поля 13, неподвижный контакт которого подключен к резистору ослабления поля 14. Другой выход резистора ослабления возбуждения 14 подключен к общей точке соединения неподвижного контакта тормозного переключателя 8 и индуктивного шунта 9. Между общей точкой соединения обмотки возбуждения 4 с входом возбудителя 5, и между общей точкой соединения контакта тормозного переключателя 8 и анода катода 12 анодом подключен защитный тиристор 15, катод которого подключен к общей точке соединения обмотки возбуждения 4 и возбудителя 5.
Возбудитель 5 содержит «нулевой» диод 17 и управляемые тиристоры 16 и 18. Тиристор 16 получает питание от клеммы 19 независимого источника питания. Тиристор 18 получает питание от клеммы 20 независимого источника питания.
Тяговый привод электровоза в режиме тяги получает питание от контактной сети 21 при помощи токоприемника 22, имеющего электрическую связь с якорной цепью 1. Направление движения электровоза обеспечивается с помощью реверсора, содержащего контакты 23, 24, 25 и 26. Пары контактов 23, 24 и 25, 26 находятся в противоположном состоянии, т.е. при замкнутом состоянии контактов 23 и 24 контакты 25 и 26 находятся в разомкнутом состоянии. Замкнутое состояние контактов 23 и 24 и разомкнутое состояние контактов 25 и 26 соответствует направлению вращения якорей двигателей 1 и 2 вперед. Разомкнутое состояние контактов 23 и 24 и замкнутое состояние контактов 25 и 26 соответствует направлению вращения якорей двигателей 1 и 2 назад. Реверсор, содержащий контакты 23, 24, 25 и 26, также может быть установлен в цепи обмоток возбуждения.
Привод электровоза работает следующим образом.
Режим тяги при последовательном (сериесном) возбуждении электродвигателей
В режиме тяги (питание от контактной сети 21) при сериесном возбуждении и работе тяговых двигателей с полным полем ток обмоток якорей 1, 2 протекает через контакт реверсора 24 по обмоткам возбуждения 3, 4, через «нулевой» диод 17 возбудителя 5, диод 6 и замыкается на «землю» 7.
В режиме ослабления поля замыкают контакт 13 и ток якорей распределяется между цепью обмоток возбуждения 3, 4 и резистором ослабления поля 14.
Режим тяги при смешанном возбуждении тяговых двигателей
Для перехода в режим смешанного возбуждения из последовательного (сериесного) возбуждения запускают в работу управляемые вентили 16 и 18 возбудителя 5, что обеспечивает протекание тока по цепи: вход обмоток возбуждения 3, 4, возбудитель 5, диод подпитки 12, контакт 10.
Наличие смешанного возбуждения позволяет регулировать заданное значение тока возбуждения в широких пределах. Этот признак технического решения позволяет повысить сцепные свойства тягового привода, ликвидировать процесс боксования колесных пар.
Режим рекуперативного торможения
В режиме рекуперации при работе на сериесном возбуждении обмоток тяговых двигателей замыкают контакт тормозного переключателя 8. Путь тока якоря протекает по цепи: земля 7, индуктивный шунт 9, контакт тормозного переключателя 8, диод 12, контакт 10, контакты реверсора 24, 23, или 25, 26, обмотки якорей 2, 1, токоприемник 22, контактная сеть 21.
Путь тока возбуждения протекает по цепи: возбудитель 5 - диод подпитки 12, контакт 10, обмотки возбуждения 3, 4, возбудитель 5.
Режим защиты тяговых двигателей при переходных процессах
При работе с последовательным возбуждением тяговых двигателей переходные процессы толчка напряжения и режима потери-восстановления питания аналогичны известным схемным решениям и не представляют опасности для тяговых двигателей. Вероятность генераторного тока при к.з. в силовой цепи исключается за счет диода 6. В аварийном режиме работы - при коротком замыкании в режиме смешанного возбуждения наиболее вероятным и тяжелым является режим пробоя на «землю» коллекторно-щеточного узла обмоток якорей 1 или 2. В этом случае снимают сигналы управления с возбудителя 5, отпирают защитный тиристор 15 и размыкают защитный контакт 10. Путь тока составит: земля 7, индуктивный шунт 9, резистор 14, контакт 13, резистор токоограничивающий 11, контакты реверсора 24, 23 или 25, 26, обмотки якорей 2 и 1. Путь тока возбуждения составит: индуктивный шунт 9, контакт тормозного переключателя 8, защитный тиристор 15 - обмотки возбуждения 4 и 3, контакты реверсора 24, 23 или 25, 26, обмотки якорей 2, 1. В этом случае наблюдается размагничивание поля тяговых двигателей посредством реверсирования магнитного потока тяговых двигателей. С другой стороны амплитуда аварийного тока ограничивается сопротивлением индуктивного шунта 9 и токоограничивающего резистора 11.
Предлагаемая схема привода электровоза позволяет реализовать в режиме тяги:
- последовательное возбуждение тяговых двигателей с полным и ослабленным полем. Ослабление поля позволяет увеличить скорость, развиваемую электровозом;
- смешанное возбуждение без индуктивного шунта в цепи подпитки. Отсутствие индуктивного шунта в цепи подпитки снижает электрические потери привода, чем способствует повышению кпд.
Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает устойчивость электрических процессов тягового привода с последовательным и смешанным возбуждением, повышает противобоксовочные свойства, эффективную защиту от аварийных режимов и повышение кпд, а также возможность реализации режима ослабления поля тяговых электродвигателей.
Указанные технические признаки делают привод электровоза, по сравнению с прототипом, универсальным, т.е. обеспечивают эффективную работу во всех режимах работы электровоза (штатных и аварийных): режим тяги с последовательным возбуждением, режим тяги со смешанным возбуждением, режим тяги с ослаблением поля, режим рекуперативного торможения, режим защиты от аварийных процессов в цепи обмотки возбуждения и т.п.